新型PBO紙蜂窩性能研究

羅玉清, 陸志遠(yuǎn), 王萌, 郝巍

(中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300)

0 前言

PBO紙是由PBO纖維為主要原材料制備的一種特種紙，PBO纖維是聚對(duì)苯撐苯并二唑纖維的簡(jiǎn)稱，是由苯雜環(huán)組成的剛性共軛體系，有著特殊的大分子鏈結(jié)構(gòu)和超分子微相結(jié)構(gòu)，有著優(yōu)異的耐熱性、難燃性、耐沖擊性和超高的模量與強(qiáng)度[1]，其強(qiáng)度、模量遠(yuǎn)勝于鋼纖維，被稱為“超級(jí)纖維”[2]。

PBO蜂窩是以PBO紙為主要原材料，依據(jù)仿生學(xué)原理制作出結(jié)構(gòu)及外形與蜂窩的巢穴相似的一種非金屬復(fù)合材料。與傳統(tǒng)間位芳綸紙蜂窩(如Nomex蜂窩)相比，PBO蜂窩在耐高溫性能上具有顯著優(yōu)勢(shì)，300 ℃條件下還能保持較高的性能，PBO蜂窩將蜂窩的耐溫等級(jí)提升到了300 ℃，拓寬了蜂窩芯材的應(yīng)用范圍。

實(shí)驗(yàn)采用新型的PBO紙與新型的聚酰亞胺樹脂制備了耐高溫PBO蜂窩，并且探究了原材料PBO蜂窩紙及浸漬聚酰亞胺樹脂的性能，同時(shí)依據(jù)國內(nèi)外的各項(xiàng)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試了PBO蜂窩芯材的密度、節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度等主要物理參數(shù)及室溫和300 ℃高溫下的平面壓縮強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度/模量等主要力學(xué)性能，并且與相應(yīng)規(guī)定的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了比對(duì)。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 主要原材料

原材料名稱、組成及用途見表1。

表1 主要原材料表

1.2 試樣制備

采用圖1所示過程制備PBO蜂窩(規(guī)格PBO-1-2.75-48)。與傳統(tǒng)大尺寸間位蜂窩制備過程不同的是，壓制后將蜂窩板按照需求的高度T切割后再進(jìn)行后續(xù)的工序制作，制備出的蜂窩如圖2所示。

圖1 PBO蜂窩制作工藝路線

圖2 PBO蜂窩芯材示意圖

1.3 測(cè)試方法

PBO蜂窩的主要物理參數(shù)測(cè)試方法如下：密度測(cè)試按照ASTM C271/C271M《Standard Test Method for Density of Sandwich Core Meterial》規(guī)定測(cè)定；水遷移按照ASTM F1645《Standard Test Method for water Migration inHoneycomb Core Materials》規(guī)定測(cè)定；尺寸穩(wěn)定性按照ASTM D6772《Standard Test Method forDimensional Stability of Sandwich Core Materials》規(guī)定測(cè)定；燃燒性能測(cè)試按照CCAR-25《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》R4附錄F部分測(cè)試方法測(cè)試；密度測(cè)試設(shè)備為電子天平和游標(biāo)卡尺；孔格尺寸設(shè)備為游標(biāo)卡尺；水遷移為恒溫恒濕箱；尺寸穩(wěn)定性為游標(biāo)卡尺和高溫烘箱。

PBO蜂窩的主要力學(xué)性能測(cè)試方法如下：平面壓縮強(qiáng)度按照GB/T 1453—2005《夾層結(jié)構(gòu)或芯子平壓性能試驗(yàn)方法》規(guī)定測(cè)定；平面剪切強(qiáng)度及模量按照GB/T 1455—2005《夾層結(jié)構(gòu)或芯子剪切性能試驗(yàn)方法》規(guī)定測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 PBO蜂窩物理性能

2.2.1 密度

對(duì)制作的PBO蜂窩進(jìn)行密度測(cè)試，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為ASTM C271/C271M，式樣尺寸大小為60 mm×60 mm×12.7 mm，每批次測(cè)試數(shù)量為5個(gè)，每批次平均值見表2。由表2中數(shù)據(jù)可知，密度測(cè)試值均滿足指標(biāo)值的要求，且穩(wěn)定性也較好。對(duì)于蜂窩而言，其最終密度由浸膠工序中的上膠量決定，從表2中數(shù)據(jù)也可以看出，5塊蜂窩的密度都集中在48 kg/m3左右，說明生產(chǎn)較為穩(wěn)定，工藝性能良好。

表2 PBO蜂窩物理性能表

2.2.2 水遷移性能

按照ASTM F 1645對(duì)PBO蜂窩進(jìn)行水遷移測(cè)試，先將PBO蜂窩制備為蜂窩夾層板，面板選擇透明塑料，連接器選擇橡膠管，在夾層板的一側(cè)進(jìn)行打孔操作，孔洞僅連接一個(gè)蜂窩孔格，通過連接器向蜂窩孔格注入恒壓為0.009 MPa蒸餾水，測(cè)試24 h后的水遷移孔格數(shù)。

圖3 PBO及間位芳綸分子結(jié)構(gòu)式

由于PBO分子結(jié)構(gòu)式與間位芳綸存在不同，由圖3可以看出，間位芳綸分子式中含有大量的酰胺基團(tuán)，具有較強(qiáng)的極性，導(dǎo)致間位芳綸紙及蜂窩具有一定的吸水性[3]，而PBO分子式結(jié)構(gòu)對(duì)稱，無游離極性基團(tuán)顯露，極性較低，不易于吸水。

由表2數(shù)據(jù)可以看出，PBO蜂窩的水遷移測(cè)試值為0，24 h不發(fā)生孔格滲透，測(cè)試結(jié)果滿足指標(biāo)值要求。

2.2.3 燃燒性能

燃燒性能一直以來都是蜂窩產(chǎn)品的一項(xiàng)關(guān)鍵性指標(biāo)，按照CCAR-25的測(cè)試方法對(duì)PBO蜂窩進(jìn)行燃燒性能的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表2。從表2的數(shù)據(jù)可以看出，PBO蜂窩的自熄時(shí)間、滴落物燃燒時(shí)間均為0 s，燒焦長(zhǎng)度均在5 mm以內(nèi)，這說明PBO蜂窩的抗燃燒性能優(yōu)異。PBO纖維的熱降解溫度為650 ℃[4]，同時(shí)浸漬樹脂也為耐高溫的聚酰亞胺樹脂，協(xié)同增強(qiáng)PBO蜂窩的抗燃燒性能，滿足相應(yīng)規(guī)范的指標(biāo)值要求。

2.2.4 尺寸穩(wěn)定性

制備PBO蜂窩試樣457.2 mm×914 mm(L×W)，將試樣放在烘箱里，在(177±5) ℃的條件下保溫90 min，之后取出試樣冷卻至(23±3) ℃，測(cè)量記錄試樣的尺寸變化，測(cè)試結(jié)果見表2。PBO蜂窩經(jīng)過一系列工序加工后，蜂窩孔格在沒有外界應(yīng)力施加情況下不易發(fā)生變形，但在實(shí)際使用的不同溫度環(huán)境下，蜂窩孔格可能會(huì)因?yàn)闅埩舻膬?nèi)應(yīng)力導(dǎo)致變形，產(chǎn)生蜂窩整體變形[5]。由表2測(cè)試結(jié)果看以看出，PBO蜂窩兩個(gè)方向的尺寸變化率均在0.05%以下，幾乎不發(fā)生變形，滿足指標(biāo)值要求。

2.2 PBO蜂窩力學(xué)性能

2.2.1 PBO蜂窩非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度

對(duì)制作的PBO蜂窩進(jìn)行非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度測(cè)試，數(shù)據(jù)見表3，選取的NOMEX蜂窩為相同孔格相同密度，規(guī)格為NH-1-2.75-48。由表3數(shù)據(jù)可得圖4曲線，從圖中曲線可以看出，PBO蜂窩的非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度要低于NOMEX間位蜂窩，平均值上要比NOMEX蜂窩低11.2%，但PBO蜂窩的非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度也滿足Q/6S 1948—2005的指標(biāo)值要求，平均值大于1.5 MPa，最小值大于0.95 MPa。同時(shí)，從PBO蜂窩三種不同條件下的非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度曲線可以看出，隨著溫度的升高，非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度不斷下降，260 ℃時(shí)非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度為常溫時(shí)的70.7%，300 ℃時(shí)非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度為常溫時(shí)的58.7%，從PBO蜂窩的非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度的性能保持率上可以看出，新型PBO蜂窩的耐高溫性能優(yōu)異。

表3 PBO蜂窩非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度

圖4 PBO蜂窩非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度

NOMEX蜂窩在180 ℃時(shí)的性能保持率在65%以上，長(zhǎng)期使用溫度在200 ℃以下，在耐高溫蜂窩方面，Hexcel公司生產(chǎn)的HRH327玻璃布蜂窩長(zhǎng)期使用溫度為260 ℃，短期使用溫度可以達(dá)到370 ℃，北京航空制造工程研究院制造的玻璃布/聚酰亞胺蜂窩在260 ℃條件下保溫30 min壓縮強(qiáng)度的保持率在70%以上[6]。但上述兩種耐高溫蜂窩的基材均為玻璃布編織物，制備出的蜂窩的密度較大，不適合應(yīng)用在某些要求輕量化的領(lǐng)域中。

2.2.2 PBO蜂窩剪切強(qiáng)度及模量

對(duì)制作的PBO蜂窩進(jìn)行剪切性能測(cè)試，數(shù)據(jù)見表4。由表4數(shù)據(jù)做曲線圖5、圖6，可以看出PBO蜂窩的L向剪切強(qiáng)度及模量均要高于W向。同時(shí)PBO蜂窩的剪切強(qiáng)度與模量測(cè)試值滿足Q/6S 1948—2005的指標(biāo)值要求，從圖中曲線能看出測(cè)試值的分布較為均勻，可見制作出的PBO蜂窩剪切強(qiáng)度及模量完全能夠滿足使用要求。

表4 PBO蜂窩剪切強(qiáng)度及模量

圖5 PBO蜂窩剪切強(qiáng)度

圖6 PBO蜂窩剪切模量

3 結(jié)論

使用新型PBO蜂窩紙、新型芯條膠及聚酰亞胺浸漬樹脂制作PBO蜂窩，并對(duì)其進(jìn)行一系列物理性能及力學(xué)性能測(cè)試，得出如下結(jié)論：

(1)新型PBO蜂窩的耐高溫性能優(yōu)異，260 ℃時(shí)非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度為常溫時(shí)的70.7%，300 ℃時(shí)非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度為常溫時(shí)的58.7%；PBO蜂窩的剪切強(qiáng)度與模量測(cè)試值滿足Q/6S 1948—2005的指標(biāo)值要求，能夠滿足使用要求。

(2)PBO蜂窩芯材的物理性能及力學(xué)性能均能夠達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，且高溫下的性能保持率良好。同時(shí)，PBO蜂窩將蜂窩的耐溫等級(jí)提升到了300 ℃，拓寬了蜂窩芯材的應(yīng)用范圍。