航空用芳纶纸蜂窝性能差异性研究

刘 杰，郝 巍，罗玉清，马科峰

(中航复合材料有限责任公司，北京 101300)

0 引言

芳纶纸蜂窝夹层结构复合材料是将纤维增强面板与芳纶纸蜂窝芯材相结合，使其具有比强度高、比模量大、质量轻、可设计性强等优点，在航空航天领域已得到广泛应用［1］。目前制作芳纶纸蜂窝芯材的原材料主要来自于美国杜邦公司所生产的Nomex间位芳纶纸和Kevlar对位芳纶纸，国内中国烟台氨纶集团有限公司、昊天龙邦公司和华南理工大学已经可以生产出与美国杜邦公司外观、工艺以及性能相近的间位芳纶纸和对位芳纶纸［2－3］。近几年，国内外研究人员对芳纶纸蜂窝及其夹层结构进行了大量研究，其中有一部分研究是针对对芳纶纸蜂窝的力学性能和制作工艺的［4－5］，文献［6－8］报道了用数学模型分析研究对芳纶纸蜂窝及其夹层结构的功能，并取得了一定成果，但将断口微观形貌与宏观性能相结合的研究报道较少。

本研究针对间位芳纶纸蜂窝和对位芳纶纸蜂窝在性能上的差异，对国产间位芳纶纸蜂窝和对位芳纶纸蜂窝进行了全面力学性能试验和断口形貌观察，从微观形貌上分析造成两种蜂窝性能差异的原因。

1 试验内容

试验所用蜂窝由北京航空材料研究院生产，其结构为正六边形(图1)，规格为1.83－29、2.75－32、1.83－48的间位和对位芳纶纸蜂窝。蜂窝规格中，1.83和2.75表示蜂窝的孔格尺寸 d，29、32和48表示蜂窝的密度，单位为kg/m3。试验中分别对不同规格蜂窝按GB/T1453—2005进行非稳定型压缩强度试验;剪切强度及模量试验按GB/T 1455—2005进行;平面拉伸强度试验按ASTM C297进行。制作蜂窝前，对芳纶纸的表面状态进行电镜观察，试验后对平面拉伸失效后的蜂窝进行断口观察。

图1 正六边形蜂窝示意图Fig.1 Hexagonal honeycomb

2 试验结果

2.1 非稳定型压缩强度

图2为室温非稳定型压缩强度对比图，图3为高温(180℃)非稳定型压缩强度对比图。从图中可以看出，同规格间位芳纶纸蜂窝的非稳定型压缩强度比对位芳纶纸蜂窝的强度低12%～30%;同规格蜂窝的高温非稳定型压缩强度比室温非稳定型压缩强度低14% ～38%，其中2.75－32和1.83－48规格的蜂窝高温性能下降明显。

图2 室温非稳定型压缩强度对比图Fig.2 Non－stabilized compressive strength at room temperature

图3 高温(180℃)非稳定型压缩强度对比图Fig.3 Non－stabilized compressive strength(180 ℃)

2.2 剪切强度及模量

表1为3个规格的两种蜂窝L向剪切性能和W向剪切性能测试结果。整体来看，芳纶纸蜂窝的剪切强度随着蜂窝密度的增加而增加。在相同试验条件下，同规格间位芳纶纸蜂窝的剪切强度及模量明显低于对位芳纶纸蜂窝:间位1.83－29规格蜂窝的剪切强度比对位同规格蜂窝的强度低35% ～40%，模量低50%以上;间位1.83－48规格蜂窝的剪切强度比对位同规格蜂窝的强度低10% ～25%，模量低40%以上;间位2.75－32规格蜂窝的剪切强度比对位同规格蜂窝的强度低15%～25%，模量低45%以上。以上数据表明，对位芳纶纸蜂窝的剪切性能优于间位芳纶纸蜂窝，其中剪切模量接近间位芳纶纸蜂窝的2倍。

2.3 平面拉伸强度

图4为室温平面拉伸强度对比图，图5为高温(180℃)平面拉伸强度对比图，从图中可以看出，同规格对位芳纶纸蜂窝的平面拉伸强度约为间位芳纶纸蜂窝强度的2～3倍;同规格蜂窝的高温平面拉伸强度约为室温平面拉伸强度的60%。

2.4 芳纶纸表面形貌及拉伸断口观察

图6、图7分别为间位芳纶纸和对位芳纶纸的表面形貌，图中深色部分为浆粕，浅色发白部分为芳纶纤维。图8和图9分别为间位芳纶纸蜂窝和对位芳纶纸蜂窝的室温拉伸断口形貌，从图中可以看出，间位蜂窝的拉伸断口较为平齐，纤维拔出较少，纤维断面平整;对位蜂窝的拉伸断口上可见大量的纤维拔出，拔出纤维长短不一，纤维断裂后呈丝状。

3 分析与讨论

间位芳纶纸是采用间苯二胺与间苯二甲酸或

表1 剪切性能测试结果Table 1 Shear performance results

图4 室温平面拉伸强度对比图Fig.4 Plane tensile strength at room temperature

图5 高温(180℃)平面拉伸强度对比图Fig.5 Plane tensile strength(180 ℃)

图6 间位芳纶纸表面形貌Fig.6 Surface morphology of meta－aramid paper honeycomb

图7 对位芳纶纸表面形貌Fig.7 Surface morphology of para－aramid paper honeycomb

间苯二氯代甲酸制造而成，具有高强度、低变形、耐高温、耐化学腐蚀、阻燃等优点，而对位芳纶纸采用的是对苯二胺与对苯二甲酸或对苯二氯代甲酸制造而成，与间位芳纶纸相比，对位芳纶纸具有更高的强度和模量［9－10］。造成本研究选用的两种芳纶纸蜂窝性能上差异的主要原因是原材料化学结构的不同，两种芳纶纸的性能结果见表2，从表中可以看出，对位芳纶纸的横向抗张强度约为间位芳纶纸的3倍，而断裂伸长率仅为间位芳纶纸的1/3。在压缩和剪切过程中，芳纶纸蜂窝主要是基体承载，固化后蜂窝的基体包括芳纶纸中的浆粕和固化后的酚醛树脂，而浆粕是由相应的芳纶纤维加工而成［11］，由此可以判断，由对位芳纶纤维所制作的浆粕性能优于由间位芳纶所制作的浆粕。当对位芳纶浆粕作为基体时，就会造成对位芳纶纸蜂窝的剪切性能(强度和模量)和压缩性能高于间位芳纶纸蜂窝的性能，但由于浆粕纤维短小，它作为基体时对强度的贡献相对较小，这可能是间位芳纶纸蜂窝的压缩强度和剪切强度并未比对位蜂窝低太多的原因;而平面拉伸过程中，蜂窝主要是纤维承载，拉伸过程中主要考核芳纶纸的横向抗张强度，而对位芳纶纸的强度约为间位芳纶纸的3倍，这就造成同规格对位芳纶纸蜂窝的平面拉伸强度远远高于间位芳纶纸蜂窝。

图8 间位芳纶纸蜂窝拉伸断口形貌Fig.8 Facture morphology of meta－aramid paper honeycomb

表2 芳纶纸性能结果Table 2 Performance results of aramid paper

在对平面拉伸失效后的芳纶纸蜂窝进行电镜观察后发现，两种芳纶纸蜂窝的断口形貌存在较大差异，造成对位与间位芳纶纸蜂窝拉伸断口形貌存在差异的原因可能是:间位芳纶纸蜂窝中的纤维强度与纤维与基体之间的界面强度(界面包括纤维与浆粕、纤维与固化后的酚醛树脂)基本相当，拉伸过程中纤维不能从基体中拔出，纤维与基体同时发生断裂，造成间位芳纶纸蜂窝拉伸失效后的断面较为平整;对位芳纶纤维强度较高，远远高于纤维与基体之间的界面强度，拉伸过程中，纤维与纤维之间的浆粕以及固化后的树脂首先发生破坏，随后才发生纤维的断裂和拔出。由于对位芳纶纤维强度和模量均较高，树脂基体破坏后，芳纶纤维继续承载，在发生充分的变形后，纤维发生断裂，造成断口处拔出纤维长短不一。

4 结论

1)间位芳纶纸蜂窝的各项力学性能明显低于对位芳纶纸蜂窝的力学性能，其中非稳定型压缩强度低12% ～30%，剪切强度相差较少，但剪切模量仅为对位芳纶纸蜂窝的50%左右，拉伸强度仅为对位芳纶纸蜂窝的40%～50%。

2)芳纶纤维自身结构的不同是造成两种蜂窝性能差异的主要原因。

3)芳纶纸蜂窝平面拉伸断口观察发现，间位芳纶纸蜂窝的纤维与基体强度基本相当，而对位芳纶纸蜂窝的纤维强度远远高于基体强度。

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