崔志剛 張 鑫 馬 立

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

文 摘 為解決軟質(zhì)聚酰亞胺泡沫初始狀態(tài)力學(xué)性能的不穩(wěn)定性，采用Solimide?AC-550聚酰亞胺泡沫分別進(jìn)行不同加壓方式及加壓壓力的預(yù)壓處理，并對(duì)預(yù)壓處理的試樣進(jìn)行拉伸和壓縮性能測(cè)試。結(jié)果表明：負(fù)壓預(yù)處理對(duì)該泡沫所造成的力學(xué)性能損傷比正壓更大；且在+4 kPa 預(yù)處理時(shí)，可使得該泡沫獲得相對(duì)穩(wěn)定的力學(xué)性能，滿足工程應(yīng)用的需求。

0 引言

聚酰亞胺泡沫（PIF）作為聚酰亞胺材料重要的應(yīng)用形式之一，不僅保持了原聚合物耐溫、阻燃、耐水及抗輻照等性能，而且還具有質(zhì)量輕、絕熱、吸聲等特點(diǎn)，在航空、航天與船舶等多個(gè)領(lǐng)域獲得了廣泛關(guān)注。

聚酰亞胺泡沫作為隔熱材料已在國(guó)外多個(gè)航天型號(hào)中得到應(yīng)用，如：鳳凰號(hào)火星探測(cè)器、CHAMP 衛(wèi)星、GRACE 衛(wèi)星等，都起到了良好的隔熱、減振效果［1］。國(guó)內(nèi)對(duì)聚酰亞胺泡沫的研究較為局限，詹茂盛、王凱等［2-4］對(duì)聚酰亞胺泡沫的熱穩(wěn)定性以及隔熱性能進(jìn)行了相關(guān)研究，并分析了不同官能團(tuán)對(duì)聚酰亞胺泡沫熱力學(xué)性能的影響。但由于缺乏實(shí)際的工程應(yīng)用，因而缺少對(duì)聚酰亞胺泡沫的力學(xué)性能以及應(yīng)用工藝的研究。Richard J.Silcox 的研究表明［5-8］，一定的加壓處理可導(dǎo)致聚酰亞胺泡沫壓縮模量的降低，但并未區(qū)分不同的加壓方式及加壓壓力對(duì)該泡沫壓縮性能的損傷程度。故本文以此為切入點(diǎn)，對(duì)該聚酰亞胺泡沫分別進(jìn)行不同加壓方式及加壓壓力的預(yù)壓處理，進(jìn)而從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論分析兩個(gè)角度去詮釋預(yù)壓處理對(duì)該泡沫力學(xué)性能的影響狀況。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為Solimide?AC-550 牌號(hào)的聚酰亞胺泡沫（以下簡(jiǎn)稱AC550-PIF），以規(guī)格為50 mm×50 mm×40 mm的試驗(yàn)塊進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。加壓方式分為：正壓（重物加壓）和負(fù)壓（真空加壓）；同時(shí)為避免泡孔結(jié)構(gòu)的坍塌，加壓壓力在該泡沫的線性段選取。正負(fù)壓加壓裝置如圖1所示。

其中正壓預(yù)處理方式通過(guò)調(diào)整重物質(zhì)量來(lái)控制對(duì)聚酰亞胺泡沫試驗(yàn)塊的加壓壓力；負(fù)壓預(yù)處理方式通過(guò)真空加壓系統(tǒng)［圖1（b）］實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)由真空泵、緩沖瓶、真空控制器、真空袋以及連接管路組成，其中真空控制器通過(guò)調(diào)節(jié)抽氣量來(lái)實(shí)現(xiàn)真空袋膜與外界大氣間壓力差的精確控制，用具有平整表面的模具將聚酰亞胺泡沫試驗(yàn)塊與真空袋膜隔開(kāi)，控制加壓的均勻性。

圖1 聚酰亞胺泡沫預(yù)處理加壓方式Fig.1 Pressure pretreatment method of polyimide foam

由初期實(shí)驗(yàn)可知，該牌號(hào)聚酰亞胺泡沫在8 kPa以下表現(xiàn)為線彈性，分別對(duì)該泡沫進(jìn)行±4 kPa、±6 kPa 預(yù)壓縮處理，兩種加壓方式的加壓時(shí)間均為6 h，卸壓后待聚酰亞胺泡沫完全恢復(fù)，參照GB/T 8813—2008與ASTM C297分別進(jìn)行壓縮與拉伸性能測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚酰亞胺泡沫初始狀態(tài)力學(xué)性能

AC550-PIF 首次壓縮完整的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2 軟質(zhì)聚酰亞胺泡沫首次壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 First compressive stress-strain curve of soft polyimide foam

由圖2可知，聚酰亞胺泡沫首次壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為線彈性段、塑性坍塌段和密實(shí)段。其中塑性坍塌段是指泡沫在恒定的載荷下坍塌，出現(xiàn)了一個(gè)應(yīng)力平臺(tái)，該應(yīng)力為坍塌應(yīng)力。

AC550-PIF 初始狀態(tài)力學(xué)性能見(jiàn)表1、表2。壓縮性能測(cè)試分別對(duì)試樣進(jìn)行3 次3 kPa 重復(fù)壓縮，第4 次壓至初始厚度的50%，取3～5 組坍塌應(yīng)力與壓縮模量的數(shù)據(jù)得出平均值、CV值；同樣的拉伸性能數(shù)據(jù)也由3～5 組數(shù)據(jù)取其平均數(shù)得出。由表1可知，AC550-PIF 初始狀態(tài)的壓縮性能均勻性差。初始狀態(tài)下，單個(gè)試樣4 次壓縮重復(fù)的過(guò)程中，壓縮模量的平均值為137.02 kPa，在113.75～156.25 kPa 內(nèi)波動(dòng)，CV值可達(dá)14.44%；坍塌應(yīng)力的平均值為10.29 kPa，CV值為4.29%。而拉伸性能相對(duì)于壓縮性能較為均勻，不同試樣之間的離散率也較小，拉伸模量的CV值僅為3.56%。

表1 AC550-PIF壓縮性能Tab.1 Compression performance of AC550-PIF

表2 AC550-PIF拉伸性能Tab.2 Tensile properties of AC550-PIF

2.2 正/負(fù)壓預(yù)處理對(duì)聚酰亞胺泡沫力學(xué)性能的影響

2.2.1 對(duì)壓縮模量與強(qiáng)度的影響

圖3 ±6 kPa預(yù)處理后AC550-PIF應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of AC550-PIF after±6 kPa pretreatment

由AC550-PIF 初始狀態(tài)性能可知，不同試樣間力學(xué)性能的差異性較大，因此經(jīng)過(guò)不同預(yù)處理方式后，不能確定各個(gè)試樣的壓縮性能的差別是由預(yù)處理造成或是試樣本身差別導(dǎo)致。在經(jīng)預(yù)處理的AC550-PIF 應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，選取經(jīng)±6 kPa 預(yù)處理的曲線（圖3）做典型分析，可知該應(yīng)力-應(yīng)變曲線在線彈性段均發(fā)生明顯變化，為比較預(yù)處理對(duì)聚酰亞胺泡沫力學(xué)性能的影響狀況，故在同一應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，分別截預(yù)處理壓力以下及預(yù)處理壓力以上的應(yīng)力段計(jì)算壓縮模量（1～2 kPa、3～4 kPa 等），用以表征力學(xué)性能的變化，如表3～表4所示。

表3 ±4 kPa預(yù)處理對(duì)AC550-PIF模量與強(qiáng)度的影響Tab.3 Effect of±4 kPa pretreatment on modulus and strength of AC550-PIF

表4 ±6 kPa預(yù)處理對(duì)AC550-PIF模量與強(qiáng)度的影響Tab.4 Effect of±6 kPa pretreatment on modulus and strength of AC550-PIF

由圖4可看出，±4 kPa 預(yù)處理時(shí)，經(jīng)負(fù)壓預(yù)處理的AC550-PIF，在1～2 kPa 應(yīng)力區(qū)間內(nèi)的壓縮模量比正壓處理的下降得更多；在接近或大于預(yù)處理壓力時(shí)，均在初始狀態(tài)的范圍內(nèi)波動(dòng)，故負(fù)壓預(yù)處理對(duì)該泡沫所造成的壓縮模量損失更大。在±4 kPa 預(yù)處理狀態(tài)下其坍塌應(yīng)力與初始狀態(tài)基本一致，可知該壓力對(duì)坍塌應(yīng)力不造成影響。

圖4 ±4 kPa預(yù)處理對(duì)聚酰亞胺泡沫壓縮模量的影響Fig.4 Effect of±4 kPa pretreatment on compression modulus of polyimide foam

±6 kPa 預(yù)處理時(shí)，正、負(fù)壓預(yù)處理導(dǎo)致各個(gè)區(qū)間段內(nèi)壓縮模量變化的趨勢(shì)如圖5所示。已知該泡沫在8 kPa 以下保持線彈性，經(jīng)±6 kPa 預(yù)處理后，在1～2k Pa 應(yīng)力區(qū)間段的壓縮模量與其他應(yīng)力區(qū)間相比有明顯降低，且負(fù)壓所造成的損失更大。在3～4 kPa、5～6 kPa 應(yīng)力區(qū)間內(nèi)，經(jīng)負(fù)壓預(yù)處理的聚酰亞胺泡沫壓縮模量也有所下降。由此可知，負(fù)壓預(yù)處理對(duì)聚酰亞胺泡沫壓縮模量造成的損傷程度更深。

綜上所述，負(fù)壓預(yù)處理造成壓縮模量的損失較正壓更多。

圖5 ±6 kPa預(yù)處理對(duì)聚酰亞胺泡沫壓縮模量的影響Fig.5 Effect of±6 kPa pretreatment on compression modulus of polyimide foam

2.2.2 重復(fù)加壓預(yù)處理對(duì)泡沫材料壓縮模量影響

為驗(yàn)證預(yù)處理對(duì)壓縮模量重復(fù)性的影響，對(duì)預(yù)處理狀態(tài)的聚酰亞胺泡沫試驗(yàn)塊，進(jìn)行3 kPa 壓縮重復(fù)實(shí)驗(yàn)，重復(fù)4次統(tǒng)計(jì)其CV值如表5所示。

表5 預(yù)處理方式對(duì)聚酰亞胺泡沫狀態(tài)重復(fù)性的影響Tab.5 Effect of pretreatment methods on the repeatability of polyimide foam

由上述實(shí)驗(yàn)可知，該泡沫初始狀態(tài)實(shí)驗(yàn)件在重復(fù)壓縮過(guò)程中壓縮模量的CV值最高可達(dá)14.44%。經(jīng)預(yù)處理后，該泡沫在壓縮重復(fù)過(guò)程中CV值均有明顯下降，+4 kPa 預(yù)處理時(shí)，CV值降至約4.71%，可滿足工程需要。同時(shí)，隨加壓壓力的升高，該CV值有下降趨勢(shì)；且相同壓力時(shí)，正壓對(duì)CV值的降低更明顯。

圖6 不同處理方式對(duì)聚酰亞胺泡沫4次重復(fù)CV值的影響Fig.6 Effect of different treatment methods on modulus repeatability of polyimide foam

2.2.3 正/負(fù)壓預(yù)處理對(duì)聚酰亞胺泡沫拉伸性能的影響

不同預(yù)壓處理后AC550-PIF 的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示。由圖7可知，該泡沫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線20 kPa 以內(nèi)受加載影響的線性度較差，故對(duì)其拉伸模量的應(yīng)力取值范圍定義為30～60 kPa，得到不同預(yù)處理方式下AC550-PIF 的拉伸性能見(jiàn)表6、表7。圖7表明，與初始狀態(tài)相比，經(jīng)預(yù)處理的聚酰亞胺泡沫拉伸模量與斷裂伸長(zhǎng)率與初始狀態(tài)相差不大，但拉伸強(qiáng)度有均明顯的降低（圖8）。其中負(fù)壓預(yù)處理對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響較大，表明負(fù)壓預(yù)處理對(duì)孔壁材料的損傷更大。

圖7 初始狀態(tài)與經(jīng)-4 kPa、-6 kPa預(yù)處理的AC550-PIF拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain curves of tensile properties of AC550-PIF pretreated with-4 kPa，-6 kPa and initial state

表6 ±4 kPa預(yù)處理時(shí)對(duì)AC550-PIF拉伸性能的影響Tab.6 Tensile properties of AC550-PIF during pretreatment at±4 kPa

表7 ±6 kPa預(yù)處理時(shí)對(duì)AC550-PIF拉伸性能的影響Tab.7 Tensile properties of AC550-PIF during pretreatment at±6 kPa

圖8 正、負(fù)壓預(yù)處理對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響Fig.8 Effect of positive and negative pressure pretreatment on tensile strength

2.3 泡孔變形機(jī)制分析

由Gibson-Ashby 對(duì)開(kāi)孔泡沫的變形機(jī)制［8］分析可知，開(kāi)孔泡沫材料的壓縮變形共分為3 個(gè)部分：孔壁彎曲、孔壁軸向變形和孔穴間的流體流動(dòng)，如圖9所示。

圖9 開(kāi)孔泡沫的變形機(jī)制Fig.9 Deformation mechanism of foam

為分析正、負(fù)壓預(yù)處理結(jié)果的不同，做出以下兩點(diǎn)解釋。首先是引起變形的原因不同。正壓預(yù)處理時(shí)，由施加的外力引起泡孔產(chǎn)生以上3 種變形；而負(fù)壓預(yù)處理時(shí)，是由真空袋內(nèi)和孔穴間的氣體被逐漸抽出，從而導(dǎo)致真空袋與外界大氣形成壓差，引起孔壁彎曲和軸向變形。另一方面，負(fù)壓預(yù)處理孔穴間流體流動(dòng)對(duì)孔壁施加的側(cè)向載荷更大。負(fù)壓預(yù)處理在持續(xù)加壓過(guò)程中，與正壓相比孔穴間氣體壓力更低，即從孔穴間排除的氣體體積更大?？籽ㄩg流體流動(dòng)對(duì)孔壁施加的側(cè)向載荷為流體流動(dòng)的阻力，該阻力F=CρSV2，即與單位時(shí)間內(nèi)排出孔穴的氣體體積的平方呈正比。由于正、負(fù)壓施加的過(guò)程時(shí)間都較短，忽略時(shí)間的影響，則流體流動(dòng)的阻力與排出孔穴的氣體體積的平方呈正比。從而可知，負(fù)壓預(yù)處理孔穴間流體流動(dòng)對(duì)孔壁施加的側(cè)向載荷更大。

綜上所述，由于以上原因?qū)е仑?fù)壓預(yù)處理對(duì)孔壁材料的力學(xué)性能損傷比正壓更大，致使經(jīng)負(fù)壓預(yù)處理的AC550-PIF壓縮模量和拉伸強(qiáng)度降低更多。

3 結(jié)論

（1）相較于正壓預(yù)處理，負(fù)壓預(yù)處理對(duì)AC550-PIF 的力學(xué)性能損傷更大。故針對(duì)該開(kāi)孔型泡沫設(shè)計(jì)加壓工藝時(shí)，應(yīng)盡量避免負(fù)壓。

（2）在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)+4 kPa 預(yù)處理的AC550-PIF 加壓已可滿足工程需要。在該泡沫的線彈性壓力段，進(jìn)一步增大壓力會(huì)增加該泡沫的力學(xué)性能損失，可重復(fù)性增強(qiáng)，因此可根據(jù)實(shí)際的工程需求調(diào)節(jié)該壓力大小。