耐冲击阻燃货舱衬板的研制

2021-09-05 09:25侯鑫李家增赵靖孙超明

航空维修与工程 2021年5期

侯鑫李家增赵靖孙超明

摘要：选用自制改性酚醛/玻璃纤维预浸料制备出满足性能指标的货舱衬板，研究了织物形式、纤维种类、固化温度和铺层工艺对货舱衬板相关力学性能的影响。结果表明，选用缎纹织物和S-glass玻纤有利于提高抗冲击性；固化温度越高，边缘承受强度提高，冲击强度下降，边缘承受强度与冲击强度两性能存在对立关系；剥离面和剥离方向是影响滚筒剥离性能的主要因素。最后，按照材料规范要求對研制货舱衬板的力学、物理和阻燃性能进行了测试，结果表明所研制的货舱衬板具有优异的阻燃性能和高抗冲击性，实现了货舱衬板研制的国产化。

关键词：耐冲击；阻燃；货舱衬板

Keywords：impact resistant；flame retardant；cargo liner

0 引言

货舱衬板是一种用于覆盖民机货舱地面金属梁、侧墙、天花板的薄层压板产品，厚度从0.18mm至1.78mm不等，通常按照厚度来划分规格，根据使用位置的不同有多种厚度规格[1-3]。货舱衬板是一种兼具优异阻燃性能和高耐冲击性能的民机内饰板材，多以酚醛树脂为基体，以玻璃纤维织物为增强材料，表面粘接白色或米色装饰膜。国内飞机制造商的民用机型和波音公司的B737、B747、B777、B787等机型中都应用了货舱衬板。

各飞机制造商均根据自己的设计需求制定了相应的货舱衬板材料规范，如波音公司制定了BMS8-223规范，对性能指标和测试方法进行了详细的规定。货舱衬板需兼具高冲击和优异阻燃性能，传统酚醛树脂具有优异的阻燃性能，但呈现脆性冲击性能差，需在保证不降低阻燃性能的条件下对酚醛树脂进行增韧改性，研发技术难度大，资金投入多，周期长，对衬板的国产化造成很大阻力。国内对货舱衬板的研制起步较晚，研制基础薄弱，开展研制的单位较少，公开报道较少，目前暂无满足要求的合格制造商[4-10]。国内航空维修单位均采购国外制造商生产的货舱衬板，如美国MC.Gill公司的产品，但存在供货周期长、价格高等问题。随着国内市场需求量的增长，弥补国内货舱衬板研发领域的空白刻不容缓。

本文介绍一种货舱衬板的研制方法：采用自制改性酚醛/玻璃纤维预浸料，选用层压成型工艺。该方法较系统地研究了织物形式、纤维种类、固化温度、铺层工艺对性能的影响，所研制货舱衬板各项性能达到飞机制造商的材料规范要求，成功解决了研发中的技术瓶颈问题，未来可应用于国内的维修替换和飞机制造，打破了国外制造商的垄断。

1 研制内容

1.1 主要原材料

选用相同规格的自制改性酚醛树脂为基体，相同面重、不同织物形式和纤维种类的玻璃纤维织物为增强材料，自制4种规格的改性酚醛/玻璃纤维预浸料，如表1所示。白色表面装饰膜的规格为BB-10。

1.2 制备过程

采用层压成型工艺制备货舱衬板，工艺流程如图1所示。

将自制预浸料和白色表面装饰膜裁剪为相同的1000mm×1000mm尺寸大小，3层预浸料按照[0/0/0]铺贴，最后将1层白色表面装饰膜铺贴于预浸料的经缎面。成型工艺参数：成型压力0.7MPa，预压温度90℃，保温时间30min；固化温度120℃，保温时间90min，升温速率（2～5）℃/min，自然冷却至60℃以下脱模，如图2所示。

1.3 性能测试

在研制过程中，依据波音飞机货舱衬板材料规范（规范号BMS8-223，下称材料规范）的要求进行力学、物理和阻燃性能测试，如表2 所示。

2 研制结果

2.1 织物形式和纤维种类对冲击性能的影响

常用的玻璃纤维织物有平纹（Plain）、斜纹（Twill）、缎纹三种形式（Satin），选用AR81-G25-35a、AR81-G25-35b、AR81-G25-35c三种规格预浸料按照图2所示成型工艺参数制备货舱衬板，对比不同织物形式对冲击性能的影响，测试结果如图3所示。从测试结果中可以得出冲击强度对比结果为缎纹织物>斜纹织物>平纹织物，冲击测试时固定尺寸和重量的锤头从高处落下，以一定的能量冲击衬板，当受到能量冲击时树脂基体首先发生开裂，随着裂纹的扩展，纤维与树脂界面破坏产生分层、纤维拔出和纤维断裂，由于三种织物的单位面积经纬纤维交织点数有差异，为平纹织物>斜纹织物>缎纹织物，交织点处纤维屈曲受到能量冲击时易产生纤维拔出和断裂，从测试后破坏形貌照片（见图4）中可以看出，交织点数多的平纹织物纤维拔出尺寸较短，纤维断裂产生的裂纹长度较长，呈十字形破坏形貌；交织点数较少的斜纹和缎纹织物纤维拔出尺寸较长、纤维断裂产生的裂纹较短，破坏处凸起呈锥形破坏形貌，因此交织点数少的缎纹织物较平稳和斜纹具有更优异的抗冲击能力。

选用缎纹织物形式的无碱玻璃纤维E-glass和高强玻璃纤维S-glass即AR81-G25-35c和AR81-G25-35两种规格预浸料按照图2所示成型工艺参数制备货舱衬板，对比不同纤维种类对冲击性能的影响，测试结果如图5所示。S-glass比E-glass制备衬板的冲击强度高出7 FT-LB，提高约77%，由于S-glass与E-glass相比具有拉伸强度高、拉伸模量高、断裂延伸率高和密度低的优势，冲击能量作用时纤维会受到轴向拉伸作用力，拉伸性能更高，不易发生断裂，同时较高的断裂延伸率与增韧改性酚醛的断裂延伸率有更好的匹配性，承受冲击能力增强。织物单位面积重量相同条件下，密度较低的S-glass织物比E-glass织物更致密，在一定程度上有利于冲击强度的提高。

2.2 固化温度对冲击和边缘承受强度性能的影响

选用AR81-G25-35规格预浸料，按照图2所示成型工艺参数，在其他条件不变的前提下分别选取固化温度100℃、110℃、120℃、130℃进行单一变量试验，对不同固化温度衬板的冲击强度、边缘承受强度和固化度进行测试，其中固化度的测试依据纤维增强塑料树脂不可溶分含量试验方法（GB/T 2576-2005）。

图6、图7和图8分别为不同固化温度对边缘承受强度、冲击强度和固化度的影响。从图中可以看出，经向（Warp）和纬向（Fill）的边缘承受强度随着固化温度的升高而提高，冲击强度随着固化温度的升高而降低，固化度随着固化温度的升高而提高。由此可见，高固化度有利于边缘承受强度的提高，但不利于冲击强度的提高，边缘承受强度与冲击强度两者存在对立关系。复合材料由树脂和纤维两相组成，当固化度高时，表明树脂交联程度高，具有更好的强度和刚性，表现为树脂本身的拉伸强度和模量的提高，因此边缘承受强度随之提高；但树脂刚性的提高导致其断裂延伸率下降，远小于纤维的断裂延伸率，由于两者的断裂延伸率不匹配，在受到能量冲击时，树脂基体发生开裂现象后裂纹极易扩展导致纤维断裂冲击试样被穿透，因此固化度高时复合材料整体呈现脆性，不利于抗冲击能力的提高。

2.3 铺层工艺对滚筒剥离性能的影响

AR81-G25-35規格预浸料织物形式为8枚三飞缎纹，缎纹组织的相邻两根经纱或纬纱的组织点相距较远，所有组织点规律分布且不连续，在织物表面呈现经或纬的浮长线，因此缎纹织物一面为经面缎（Warp Satin），一面为纬面缎（Fill Satin），织物两面结构图如图9所示。由于缎纹织物两面存在差异性，因此铺层工艺和测试时剥离面的不同会对滚筒剥离性能产生影响。选用AR81-G25-35规格预浸料，按照图2所示成型工艺参数，2层预浸料按照表3铺层工艺铺贴和指定的剥离面测试，铺层[0/0]和[0/90]中的0和90表示预浸料的方向，粘接面铺层表示2层预浸料中间粘接的两面分别是经面缎或纬面缎。

当剥离面为经面缎时呈现经纱（Warp Yarn）的浮长线，当剥离面为纬面缎时呈现纬纱（Filling Yarn）的浮长线，经纱的方向为经向（Warp Direction），纬纱的方向为纬向（Fill Direction），如图9所示。分别沿经向和纬向两个方向对1#～6#试样取样进行滚筒剥离测试，对比剥离方向与浮长线平行（0°）或垂直（90°）时性能的变化，图10为滚筒剥离测试结果。从图中对比1#～6#试样可以看出，相同试样编号条件下，剥离方向与浮长线垂直（90°）时的滚筒剥离强度均高于平行（0°）时的滚筒剥离强度，高出约100%，这是由于前者剥离面中浮长线与树脂之间线接触形式的粘接强度大于后者点接触形式的粘接强度。1#、3#与2#、4#试样对比得出2#、4#试样0°和90°的滚筒剥离强度均高于1#、3#试样，由此看出剥离面为纬面缎时，剥离方向与浮长线平行、垂直的两个方向上滚筒剥离性能优于剥离面为经面缎，这是由于缎纹布在编织时纬向张力小，存在屈曲现象，导致剥离面接触面积增大，从而提高了滚筒剥离性能。对比3#、4#与5#、6#试样得出，3#与5#、4#与6#试样的滚筒剥离性能相差较小，表明铺层方向对滚筒剥离性能影响较小。

2.4 研制结论

1）交织点数较少的缎纹织物和力学性能更强的S-glass有利于抗冲击性能的提高。

2）固化温度高有利于边缘承受强度的提高，不利于冲击强度的提高，边缘承受强度与冲击强度两者存在对立关系。

3）剥离面和剥离方向是影响滚筒剥离性能的两个主要因素，其中剥离面为纬缎面和剥离方向垂直长浮线时滚筒剥离性能最优，铺层方向对滚筒剥离性能无明显影响。

4）选用酚醛树脂体系研制出的货舱衬板力学、物理和阻燃性能均满足材料规范中的指标要求。

2.5 货舱衬板性能测试结果和分析

选用AR81-G25-35规格预浸料和白色表面装饰膜为原材料研制的TYPE30型货舱衬板性能如表4所示。自研衬板各项性能均满足货舱衬板材料规范要求，同时因选用了酚醛树脂体系而具有优异的燃烧性能、烟密度和毒性。

3 结束语

目前，研制的TYPE30型货舱衬板各项性能已满足材料规范要求，下一步将进行适航认证，认证通过后可作为波音飞机的维修替换材料和国内飞机制造商的原厂装机材料使用。相较于国外同规格产品，具有供货周期短、价格低等优势，在未来国内飞机维修和制造领域将拥有广阔的市场前景，经济效益明显。