過拉伸芳綸紙蜂窩的性能研究

王盈聰，何志平，白江坡，于水游，吳浩峰

(1.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.陸裝駐天津地區(qū)航空軍事代表室,天津 300240；3.宜昌和達(dá)利復(fù)合材料股份公司,湖北 宜昌 443004)

0 引言

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)是復(fù)合材料的重要結(jié)構(gòu)形式之一，由上下兩層較薄的面板和中間較厚的蜂窩芯材組成，具有氣動(dòng)表面光滑、質(zhì)量輕、比剛度大、抗聲振疲勞和抗機(jī)械疲勞性能好以及絕熱隔聲性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值[1-4]。蜂窩材料主要有芳綸紙蜂窩、鋁蜂窩及玻璃布蜂窩三種[5-6]。目前國(guó)內(nèi)直升機(jī)主要采用六邊形孔格芳綸紙蜂窩用于制造機(jī)身蒙皮、地板、整流罩等零件。但是在大曲率蜂窩夾層件制造過程中發(fā)現(xiàn)：普通六邊形孔格芳綸紙蜂窩容易產(chǎn)生孔格開裂(圖1)、節(jié)點(diǎn)分離等現(xiàn)象，工藝性難以滿足使用要求。

圖1 直升機(jī)大曲率夾層結(jié)構(gòu)制件蜂窩孔格開裂

針對(duì)大曲率蜂窩夾層結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)的問題，如表面褶皺、局部分層、膠條開裂等，有研究人員探索過相關(guān)的改進(jìn)方法，并已取得一定的成果[7-8]。而過拉伸蜂窩是一種過拉伸成型的芳綸紙蜂窩，因其具有特殊的矩形孔格[9-11](圖2)，具有更強(qiáng)的變形能力。若能在大曲率復(fù)材制件上應(yīng)用過拉伸芳綸紙蜂窩，則能夠保證復(fù)材制件在滿足力學(xué)性能要求的前提下，大大改善其工藝性能。本文針對(duì)過拉伸芳綸紙蜂窩的物理性能和力學(xué)性能進(jìn)行了研究，對(duì)在大曲率復(fù)材制件上應(yīng)用過拉伸芳綸紙蜂窩具有參考意義。

圖2 六邊形蜂窩孔格結(jié)構(gòu)(左)、過拉伸蜂窩孔格結(jié)構(gòu)(中)和過拉伸蜂窩(右)

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 物理性能試驗(yàn)

芳綸紙蜂窩在飛機(jī)內(nèi)飾、雷達(dá)罩[12]等部位應(yīng)用廣泛，因此需要蜂窩具有良好的密封性能、阻燃性能和透波性能。在室溫大氣環(huán)境下開展物理性能試驗(yàn)，研究2-2.75-29、2-2.75-48兩種規(guī)格過拉伸芳綸紙蜂窩的芯子水遷移性能、阻燃性能和介電性能。芯子水遷移性能和阻燃性能測(cè)試分別執(zhí)行ASTM F1645和HB 5469標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)項(xiàng)目見表1。阻燃性能試驗(yàn)箱如圖3所示。

表1 物理性能試驗(yàn)項(xiàng)目

圖3 阻燃性能試驗(yàn)箱

1.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

針對(duì)2-2.75-29、2-2.75-48兩種規(guī)格過拉伸芳綸紙蜂窩開展非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度、穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度、L向剪切強(qiáng)度/模量和W向剪切強(qiáng)度/模量等力學(xué)性能試驗(yàn)。壓縮試驗(yàn)執(zhí)行GB/T 1453標(biāo)準(zhǔn)，剪切試驗(yàn)執(zhí)行GB/T 1455標(biāo)準(zhǔn)。在室溫大氣環(huán)境(23 ℃±3 ℃)下開展5批次試驗(yàn)件的性能測(cè)試，每批次包含6件試驗(yàn)件。力學(xué)性能試驗(yàn)項(xiàng)目見表2。

表2 力學(xué)性能試驗(yàn)項(xiàng)目

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 物理性能試驗(yàn)結(jié)果

2-2.75-29、2-2.75-48兩種規(guī)格過拉伸芳綸紙蜂窩物理性能測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 水遷移測(cè)試結(jié)果

芯子水遷移性能受到芳綸紙的吸水性能、蜂窩膠結(jié)邊的粘接質(zhì)量、隔板的粘接質(zhì)量、隔板與蜂窩的高度公差影響。表3中的結(jié)果顯示，兩種過拉伸芳綸紙蜂窩的水遷移孔格數(shù)都為0或1，符合GJB1874《飛機(jī)結(jié)構(gòu)用芳綸紙蜂窩芯材規(guī)范》中芯格內(nèi)水遷移數(shù)不大于6個(gè)連續(xù)孔格的要求。

蜂窩的阻燃性能通過60 s垂直燃燒試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表4。依據(jù)GJB1874《飛機(jī)結(jié)構(gòu)用芳綸紙蜂窩芯材規(guī)范》要求，蜂窩的60 s垂直燃燒試驗(yàn)結(jié)果，必須滿足：自熄時(shí)間不大于15 s，燃燒長(zhǎng)度不大于150 mm，滴落物自熄時(shí)間不大于3 s。表4結(jié)果滿足要求，兩種規(guī)格過拉伸芳綸紙蜂窩的阻燃性能良好。

表4 60 s垂直燃燒測(cè)試結(jié)果

表5為2-2.75-29、2-2.75-48兩種規(guī)格過拉伸芳綸紙蜂窩的介電常數(shù)測(cè)試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，兩種過拉伸芳綸紙蜂窩的介電常數(shù)小于1.5，介電損耗小于5×10-3，可以達(dá)到GJB1874《飛機(jī)結(jié)構(gòu)用芳綸紙蜂窩芯材規(guī)范》的指標(biāo)要求。

表5 介電常數(shù)測(cè)試結(jié)果

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

2-2.75-29、2-2.75-48兩種規(guī)格過拉伸芳綸紙蜂窩的非穩(wěn)定性壓縮強(qiáng)度、穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度、L向剪切強(qiáng)度/模量、W向剪切強(qiáng)度/模量性能見表6、表7。將測(cè)試得到的過拉伸芳綸紙蜂窩的力學(xué)性能數(shù)據(jù)與同等密度的某直升機(jī)現(xiàn)用的六邊形芳綸紙蜂窩的性能數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(圖4)。

表6 密度為29 kg/m3的兩種蜂窩力學(xué)性能對(duì)比

表7 密度為48 kg/m3的兩種蜂窩力學(xué)性能對(duì)比

圖4 同等密度的六邊形芳綸紙蜂窩與過拉伸芳綸紙蜂窩的力學(xué)性能對(duì)比

圖4中“1”與“2”分別代表六邊形芳綸紙蜂窩和過拉伸芳綸紙蜂窩；“1.83”和“2.75”代表孔格邊長(zhǎng)，單位為mm；“29”和“48”代表公稱密度，單位為kg/m3。

密度為29 kg/m3的兩種蜂窩，過拉伸芳綸紙蜂窩具有更高的W向剪切強(qiáng)度和模量，非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度和L向剪切強(qiáng)度與模量比六邊形芳綸紙蜂窩更低；密度為48 kg/m3的兩種蜂窩，過拉伸芳綸紙蜂窩的非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度和W向剪切強(qiáng)度與模量均高于六邊形芳綸紙蜂窩，而L向剪切強(qiáng)度與模量相比于六邊形芳綸紙蜂窩更低。若對(duì)比自身不同方向的剪切強(qiáng)度，可以發(fā)現(xiàn)六邊形芳綸紙蜂窩的L向剪切強(qiáng)度要明顯高于W向剪切強(qiáng)度，而過拉伸芳綸紙蜂窩的L向剪切強(qiáng)度與W向剪切強(qiáng)度比較接近，兩個(gè)方向的性能更加均衡。

3 結(jié)論

經(jīng)過對(duì)兩種密度規(guī)格的過拉伸芳綸紙蜂窩的物理性能試驗(yàn)和力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果的討論，可以得到以下結(jié)論。

(1)2-2.75-29、2-2.75-48兩種規(guī)格過拉伸芳綸紙蜂窩的芯子水遷移性能、阻燃性能、介電性能等物理性能優(yōu)異，能夠滿足GJB 1874《飛機(jī)結(jié)構(gòu)用芳綸紙蜂窩芯材規(guī)范》要求。

(2)與同密度六邊形芳綸紙蜂窩相比，過拉伸芳綸紙蜂窩的L向剪切強(qiáng)度與模量更低，但是W向剪切強(qiáng)度與模量卻更高，具有更加均衡的L向和W向剪切性能。

(3)從物理性能和力學(xué)性能上看，過拉伸芳綸紙蜂窩具有替代六邊形芳綸紙蜂窩在大曲率復(fù)材制件上使用的潛力，但是還需要進(jìn)行更多的驗(yàn)證，包括元件試驗(yàn)、工藝試驗(yàn)等，這將在后續(xù)的工作中進(jìn)行開展。