新型PBO纸蜂窝性能研究

罗玉清, 陆志远, 王萌, 郝巍

(中航复合材料有限责任公司，北京 101300)

0 前言

PBO纸是由PBO纤维为主要原材料制备的一种特种纸，PBO纤维是聚对苯撑苯并二唑纤维的简称，是由苯杂环组成的刚性共轭体系，有着特殊的大分子链结构和超分子微相结构，有着优异的耐热性、难燃性、耐冲击性和超高的模量与强度[1]，其强度、模量远胜于钢纤维，被称为“超级纤维”[2]。

PBO蜂窝是以PBO纸为主要原材料，依据仿生学原理制作出结构及外形与蜂窝的巢穴相似的一种非金属复合材料。与传统间位芳纶纸蜂窝(如Nomex蜂窝)相比，PBO蜂窝在耐高温性能上具有显著优势，300 ℃条件下还能保持较高的性能，PBO蜂窝将蜂窝的耐温等级提升到了300 ℃，拓宽了蜂窝芯材的应用范围。

实验采用新型的PBO纸与新型的聚酰亚胺树脂制备了耐高温PBO蜂窝，并且探究了原材料PBO蜂窝纸及浸渍聚酰亚胺树脂的性能，同时依据国内外的各项性能测试标准，测试了PBO蜂窝芯材的密度、节点强度等主要物理参数及室温和300 ℃高温下的平面压缩强度、剪切强度/模量等主要力学性能，并且与相应规定的各项性能指标进行了比对。

1 实验过程

1.1 主要原材料

原材料名称、组成及用途见表1。

表1 主要原材料表

1.2 试样制备

采用图1所示过程制备PBO蜂窝(规格PBO-1-2.75-48)。与传统大尺寸间位蜂窝制备过程不同的是，压制后将蜂窝板按照需求的高度T切割后再进行后续的工序制作，制备出的蜂窝如图2所示。

图1 PBO蜂窝制作工艺路线

图2 PBO蜂窝芯材示意图

1.3 测试方法

PBO蜂窝的主要物理参数测试方法如下：密度测试按照ASTM C271/C271M《Standard Test Method for Density of Sandwich Core Meterial》规定测定；水迁移按照ASTM F1645《Standard Test Method for water Migration inHoneycomb Core Materials》规定测定；尺寸稳定性按照ASTM D6772《Standard Test Method forDimensional Stability of Sandwich Core Materials》规定测定；燃烧性能测试按照CCAR-25《运输类飞机适航标准》R4附录F部分测试方法测试；密度测试设备为电子天平和游标卡尺；孔格尺寸设备为游标卡尺；水迁移为恒温恒湿箱；尺寸稳定性为游标卡尺和高温烘箱。

PBO蜂窝的主要力学性能测试方法如下：平面压缩强度按照GB/T 1453—2005《夹层结构或芯子平压性能试验方法》规定测定；平面剪切强度及模量按照GB/T 1455—2005《夹层结构或芯子剪切性能试验方法》规定测试。

2 结果与分析

2.1 PBO蜂窝物理性能

2.2.1 密度

对制作的PBO蜂窝进行密度测试，测试标准为ASTM C271/C271M，式样尺寸大小为60 mm×60 mm×12.7 mm，每批次测试数量为5个，每批次平均值见表2。由表2中数据可知，密度测试值均满足指标值的要求，且稳定性也较好。对于蜂窝而言，其最终密度由浸胶工序中的上胶量决定，从表2中数据也可以看出，5块蜂窝的密度都集中在48 kg/m3左右，说明生产较为稳定，工艺性能良好。

表2 PBO蜂窝物理性能表

2.2.2 水迁移性能

按照ASTM F 1645对PBO蜂窝进行水迁移测试，先将PBO蜂窝制备为蜂窝夹层板，面板选择透明塑料，连接器选择橡胶管，在夹层板的一侧进行打孔操作，孔洞仅连接一个蜂窝孔格，通过连接器向蜂窝孔格注入恒压为0.009 MPa蒸馏水，测试24 h后的水迁移孔格数。

图3 PBO及间位芳纶分子结构式

由于PBO分子结构式与间位芳纶存在不同，由图3可以看出，间位芳纶分子式中含有大量的酰胺基团，具有较强的极性，导致间位芳纶纸及蜂窝具有一定的吸水性[3]，而PBO分子式结构对称，无游离极性基团显露，极性较低，不易于吸水。

由表2数据可以看出，PBO蜂窝的水迁移测试值为0，24 h不发生孔格渗透，测试结果满足指标值要求。

2.2.3 燃烧性能

燃烧性能一直以来都是蜂窝产品的一项关键性指标，按照CCAR-25的测试方法对PBO蜂窝进行燃烧性能的测试，测试结果见表2。从表2的数据可以看出，PBO蜂窝的自熄时间、滴落物燃烧时间均为0 s，烧焦长度均在5 mm以内，这说明PBO蜂窝的抗燃烧性能优异。PBO纤维的热降解温度为650 ℃[4]，同时浸渍树脂也为耐高温的聚酰亚胺树脂，协同增强PBO蜂窝的抗燃烧性能，满足相应规范的指标值要求。

2.2.4 尺寸稳定性

制备PBO蜂窝试样457.2 mm×914 mm(L×W)，将试样放在烘箱里，在(177±5) ℃的条件下保温90 min，之后取出试样冷却至(23±3) ℃，测量记录试样的尺寸变化，测试结果见表2。PBO蜂窝经过一系列工序加工后，蜂窝孔格在没有外界应力施加情况下不易发生变形，但在实际使用的不同温度环境下，蜂窝孔格可能会因为残留的内应力导致变形，产生蜂窝整体变形[5]。由表2测试结果看以看出，PBO蜂窝两个方向的尺寸变化率均在0.05%以下，几乎不发生变形，满足指标值要求。

2.2 PBO蜂窝力学性能

2.2.1 PBO蜂窝非稳定型压缩强度

对制作的PBO蜂窝进行非稳定型压缩强度测试，数据见表3，选取的NOMEX蜂窝为相同孔格相同密度，规格为NH-1-2.75-48。由表3数据可得图4曲线，从图中曲线可以看出，PBO蜂窝的非稳定型压缩强度要低于NOMEX间位蜂窝，平均值上要比NOMEX蜂窝低11.2%，但PBO蜂窝的非稳定型压缩强度也满足Q/6S 1948—2005的指标值要求，平均值大于1.5 MPa，最小值大于0.95 MPa。同时，从PBO蜂窝三种不同条件下的非稳定型压缩强度曲线可以看出，随着温度的升高，非稳定型压缩强度不断下降，260 ℃时非稳定型压缩强度为常温时的70.7%，300 ℃时非稳定型压缩强度为常温时的58.7%，从PBO蜂窝的非稳定型压缩强度的性能保持率上可以看出，新型PBO蜂窝的耐高温性能优异。

表3 PBO蜂窝非稳定型压缩强度

图4 PBO蜂窝非稳定型压缩强度

NOMEX蜂窝在180 ℃时的性能保持率在65%以上，长期使用温度在200 ℃以下，在耐高温蜂窝方面，Hexcel公司生产的HRH327玻璃布蜂窝长期使用温度为260 ℃，短期使用温度可以达到370 ℃，北京航空制造工程研究院制造的玻璃布/聚酰亚胺蜂窝在260 ℃条件下保温30 min压缩强度的保持率在70%以上[6]。但上述两种耐高温蜂窝的基材均为玻璃布编织物，制备出的蜂窝的密度较大，不适合应用在某些要求轻量化的领域中。

2.2.2 PBO蜂窝剪切强度及模量

对制作的PBO蜂窝进行剪切性能测试，数据见表4。由表4数据做曲线图5、图6，可以看出PBO蜂窝的L向剪切强度及模量均要高于W向。同时PBO蜂窝的剪切强度与模量测试值满足Q/6S 1948—2005的指标值要求，从图中曲线能看出测试值的分布较为均匀，可见制作出的PBO蜂窝剪切强度及模量完全能够满足使用要求。

表4 PBO蜂窝剪切强度及模量

图5 PBO蜂窝剪切强度

图6 PBO蜂窝剪切模量

3 结论

使用新型PBO蜂窝纸、新型芯条胶及聚酰亚胺浸渍树脂制作PBO蜂窝，并对其进行一系列物理性能及力学性能测试，得出如下结论：

(1)新型PBO蜂窝的耐高温性能优异，260 ℃时非稳定型压缩强度为常温时的70.7%，300 ℃时非稳定型压缩强度为常温时的58.7%；PBO蜂窝的剪切强度与模量测试值满足Q/6S 1948—2005的指标值要求，能够满足使用要求。

(2)PBO蜂窝芯材的物理性能及力学性能均能够达到相应标准规范的要求，且高温下的性能保持率良好。同时，PBO蜂窝将蜂窝的耐温等级提升到了300 ℃，拓宽了蜂窝芯材的应用范围。