过拉伸芳纶纸蜂窝的性能研究

王盈聪，何志平，白江坡，于水游，吴浩峰

(1.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001；2.陆装驻天津地区航空军事代表室,天津 300240；3.宜昌和达利复合材料股份公司,湖北 宜昌 443004)

0 引言

蜂窝夹层结构是复合材料的重要结构形式之一，由上下两层较薄的面板和中间较厚的蜂窝芯材组成，具有气动表面光滑、质量轻、比刚度大、抗声振疲劳和抗机械疲劳性能好以及绝热隔声性能优越等优点，在航空航天领域具有重要的应用价值[1-4]。蜂窝材料主要有芳纶纸蜂窝、铝蜂窝及玻璃布蜂窝三种[5-6]。目前国内直升机主要采用六边形孔格芳纶纸蜂窝用于制造机身蒙皮、地板、整流罩等零件。但是在大曲率蜂窝夹层件制造过程中发现：普通六边形孔格芳纶纸蜂窝容易产生孔格开裂(图1)、节点分离等现象，工艺性难以满足使用要求。

图1 直升机大曲率夹层结构制件蜂窝孔格开裂

针对大曲率蜂窝夹层结构容易出现的问题，如表面褶皱、局部分层、胶条开裂等，有研究人员探索过相关的改进方法，并已取得一定的成果[7-8]。而过拉伸蜂窝是一种过拉伸成型的芳纶纸蜂窝，因其具有特殊的矩形孔格[9-11](图2)，具有更强的变形能力。若能在大曲率复材制件上应用过拉伸芳纶纸蜂窝，则能够保证复材制件在满足力学性能要求的前提下，大大改善其工艺性能。本文针对过拉伸芳纶纸蜂窝的物理性能和力学性能进行了研究，对在大曲率复材制件上应用过拉伸芳纶纸蜂窝具有参考意义。

图2 六边形蜂窝孔格结构(左)、过拉伸蜂窝孔格结构(中)和过拉伸蜂窝(右)

1 试验设计

1.1 物理性能试验

芳纶纸蜂窝在飞机内饰、雷达罩[12]等部位应用广泛，因此需要蜂窝具有良好的密封性能、阻燃性能和透波性能。在室温大气环境下开展物理性能试验，研究2-2.75-29、2-2.75-48两种规格过拉伸芳纶纸蜂窝的芯子水迁移性能、阻燃性能和介电性能。芯子水迁移性能和阻燃性能测试分别执行ASTM F1645和HB 5469标准。试验项目见表1。阻燃性能试验箱如图3所示。

表1 物理性能试验项目

图3 阻燃性能试验箱

1.2 力学性能试验

针对2-2.75-29、2-2.75-48两种规格过拉伸芳纶纸蜂窝开展非稳定型压缩强度、稳定型压缩强度、L向剪切强度/模量和W向剪切强度/模量等力学性能试验。压缩试验执行GB/T 1453标准，剪切试验执行GB/T 1455标准。在室温大气环境(23 ℃±3 ℃)下开展5批次试验件的性能测试，每批次包含6件试验件。力学性能试验项目见表2。

表2 力学性能试验项目

2 试验结果

2.1 物理性能试验结果

2-2.75-29、2-2.75-48两种规格过拉伸芳纶纸蜂窝物理性能测试结果见表3。

表3 水迁移测试结果

芯子水迁移性能受到芳纶纸的吸水性能、蜂窝胶结边的粘接质量、隔板的粘接质量、隔板与蜂窝的高度公差影响。表3中的结果显示，两种过拉伸芳纶纸蜂窝的水迁移孔格数都为0或1，符合GJB1874《飞机结构用芳纶纸蜂窝芯材规范》中芯格内水迁移数不大于6个连续孔格的要求。

蜂窝的阻燃性能通过60 s垂直燃烧试验进行测试，结果见表4。依据GJB1874《飞机结构用芳纶纸蜂窝芯材规范》要求，蜂窝的60 s垂直燃烧试验结果，必须满足：自熄时间不大于15 s，燃烧长度不大于150 mm，滴落物自熄时间不大于3 s。表4结果满足要求，两种规格过拉伸芳纶纸蜂窝的阻燃性能良好。

表4 60 s垂直燃烧测试结果

表5为2-2.75-29、2-2.75-48两种规格过拉伸芳纶纸蜂窝的介电常数测试结果，可以发现，两种过拉伸芳纶纸蜂窝的介电常数小于1.5，介电损耗小于5×10-3，可以达到GJB1874《飞机结构用芳纶纸蜂窝芯材规范》的指标要求。

表5 介电常数测试结果

2.2 力学性能试验结果

2-2.75-29、2-2.75-48两种规格过拉伸芳纶纸蜂窝的非稳定性压缩强度、稳定型压缩强度、L向剪切强度/模量、W向剪切强度/模量性能见表6、表7。将测试得到的过拉伸芳纶纸蜂窝的力学性能数据与同等密度的某直升机现用的六边形芳纶纸蜂窝的性能数据进行对比(图4)。

表6 密度为29 kg/m3的两种蜂窝力学性能对比

表7 密度为48 kg/m3的两种蜂窝力学性能对比

图4 同等密度的六边形芳纶纸蜂窝与过拉伸芳纶纸蜂窝的力学性能对比

图4中“1”与“2”分别代表六边形芳纶纸蜂窝和过拉伸芳纶纸蜂窝；“1.83”和“2.75”代表孔格边长，单位为mm；“29”和“48”代表公称密度，单位为kg/m3。

密度为29 kg/m3的两种蜂窝，过拉伸芳纶纸蜂窝具有更高的W向剪切强度和模量，非稳定型压缩强度和L向剪切强度与模量比六边形芳纶纸蜂窝更低；密度为48 kg/m3的两种蜂窝，过拉伸芳纶纸蜂窝的非稳定型压缩强度和W向剪切强度与模量均高于六边形芳纶纸蜂窝，而L向剪切强度与模量相比于六边形芳纶纸蜂窝更低。若对比自身不同方向的剪切强度，可以发现六边形芳纶纸蜂窝的L向剪切强度要明显高于W向剪切强度，而过拉伸芳纶纸蜂窝的L向剪切强度与W向剪切强度比较接近，两个方向的性能更加均衡。

3 结论

经过对两种密度规格的过拉伸芳纶纸蜂窝的物理性能试验和力学性能试验结果的讨论，可以得到以下结论。

(1)2-2.75-29、2-2.75-48两种规格过拉伸芳纶纸蜂窝的芯子水迁移性能、阻燃性能、介电性能等物理性能优异，能够满足GJB 1874《飞机结构用芳纶纸蜂窝芯材规范》要求。

(2)与同密度六边形芳纶纸蜂窝相比，过拉伸芳纶纸蜂窝的L向剪切强度与模量更低，但是W向剪切强度与模量却更高，具有更加均衡的L向和W向剪切性能。

(3)从物理性能和力学性能上看，过拉伸芳纶纸蜂窝具有替代六边形芳纶纸蜂窝在大曲率复材制件上使用的潜力，但是还需要进行更多的验证，包括元件试验、工艺试验等，这将在后续的工作中进行开展。