陳吉平，毛敏梁，鄭義珠，方勇，劉奎，朱珠

(1.中國商飛上海飛機制造有限公司，上海 201325； 2.浙江中科恒泰新材料科技有限公司，浙江紹興 312369)

夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料以其獨有的輕質(zhì)高強、功能性優(yōu)異等特點一直是復(fù)合材料制造的熱點研究領(lǐng)域。在很多的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中也已實現(xiàn)夾芯結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，如飛機的尾翼舵面、雷達罩、副翼及艙門等零部件。夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料主要分為蜂窩夾芯及泡沫夾芯。在航空航天應(yīng)用方面，蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)通常采用芳綸紙蜂窩材料，泡沫夾芯通常采用聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)泡沫材料[1-5]。

與蜂窩芯材相比，泡沫芯材具有以下優(yōu)點：

(1)泡沫芯材可形成芯格閉孔結(jié)構(gòu)，因此夾芯結(jié)構(gòu)可采用液體成型工藝、熱壓罐工藝或其它工藝實現(xiàn)成型制造，工藝適用性較好；

(2)泡沫芯材的加工性能好，加工余量較小，可減少材料浪費，且能通過模腔發(fā)泡技術(shù)直接成型各種復(fù)雜型面的芯材，能適用各種復(fù)雜夾芯結(jié)構(gòu)成型；

(3)由于泡沫芯材芯格尺寸更小及閉孔結(jié)構(gòu)的緣故，能較好地阻止水分進入夾芯結(jié)構(gòu)界面或芯材內(nèi)部，從而體現(xiàn)出更優(yōu)異的耐濕熱老化性能。

目前來看，較多的研究都是集中在泡沫夾芯復(fù)合材料的性能隨環(huán)境因素的影響規(guī)律[6-16]，但泡沫材料在成型復(fù)合材料之前，單純的芯材在不同環(huán)境影響下同樣會產(chǎn)生明顯的結(jié)構(gòu)和性能變化，并且會影響到最終復(fù)合材料零件的性能。因此，一般需要對泡沫芯材進行干燥除濕處理，所以同樣有必要針對不同厚度、密度及前處理條件的泡沫芯材在不同環(huán)境下的性能變化展開研究，優(yōu)化出不同泡沫芯材的干燥工藝，以保證之后成型的泡沫夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料達到最優(yōu)的初始性能[17]。

筆者針對PMI 泡沫材料進行了不同材料參數(shù)、前處理條件及環(huán)境參數(shù)下的吸濕及壓縮蠕變性能研究，得出了這些參數(shù)對壓縮蠕變性能的影響規(guī)律，且最終針對不同材料規(guī)格的泡沫芯材，得出了最優(yōu)的干燥處理及儲存條件。

1 實驗部分

1.1 原材料

PMI 泡 沫 材 料：71WF-HT ( 密 度 為75 kg／m3，熱處理)、110WF-HT (110 kg／m3，熱處理)及110WF 泡沫(110 kg／m3，未處理)，德國德固賽公司。

1. 2 儀器及設(shè)備

烘箱：TPSTY 型，賽普斯天宇試驗設(shè)備(成都)有限責(zé)任公司；

恒溫恒濕箱：HWS-250 型，上海精宏實驗室設(shè)備有限公司；

壓縮蠕變測試儀：WDZ-10E 型，濟南全力測試技術(shù)有限公司。

1. 3 試樣處理及測試

干燥( 或熱) 處理：將不同厚度及密度規(guī)格的PMI 泡沫在烘箱中采用不同干燥(或熱)處理參數(shù)(溫度及時間)烘干，切割成尺寸為50 mm×50 mm×厚度分別為10，30，80 mm 的試樣。

吸濕處理：將完成干燥(或熱)處理的PMI 泡沫，切割成若干50 mm×50 mm×厚度分別為10，30，80 mm 的試樣，用聚乙烯袋封裝后置于恒溫恒濕箱中進行處理，處理條件詳見各實驗過程。

壓 縮 蠕 變：根 據(jù)GB／T 15048-1994 測 試泡沫壓縮形變隨時間的變化，計算試樣的彈性形變百分率和塑性形變百分率。試樣尺寸為50 mm×50 mm×厚度分別為10，30，80 mm，每組試樣測試10 個樣品。蠕變測試條件為180℃，0.3 MPa，2 h。蠕變率(D)根據(jù)以下公式進行計算。

式中：Di——彈性變形／初始厚度；

Dc——塑性變形／初始厚度。

2 結(jié)果與分析

2.1 吸濕對壓縮蠕變性能的影響

PMI 泡沫在濕熱環(huán)境下，水分向材料內(nèi)部擴散，水分?jǐn)U散程度越深，泡沫的變形越明顯。泡沫在不同吸濕程度下的變形如圖1所示。由圖1中泡沫的形狀可看到，圖1b 的泡沫吸濕率達到6.8%時，泡沫邊緣已產(chǎn)生明顯變形，圖1c 泡沫吸濕率達到7.5%時，泡沫邊緣已經(jīng)產(chǎn)生顯著溶脹，導(dǎo)致開裂。

圖1 泡沫在不同吸濕程度下的變形

水分子向泡沫內(nèi)部滲透主要分為兩種形式：一是水分子向泡沫內(nèi)部滲透時停留在泡孔表面，而沒有進入到泡沫分子鏈中，這種情況主要是常溫時的泡沫吸濕，常溫下泡沫處于玻璃態(tài)，分子活性不大，水分子向內(nèi)部擴散較難，這種情況一般通過干燥處理能使得泡沫蠕變率恢復(fù)至原始狀態(tài)，二是水分子向分子鏈內(nèi)部擴散，在分子鏈中占據(jù)一定的空間，一部分的水分子會和酰亞胺基團(—NHCO—CH3)之間形成物理氫鍵，使得分子鏈長度增加，從而導(dǎo)致泡沫宏觀膨脹，材料剛度下降，這種情況主要是高溫條件下泡沫材料的內(nèi)部分子鏈及外部水分子都處于高活性狀態(tài)，運動能力較強，水分子更容易向分子鏈內(nèi)擴散并結(jié)合，從而改變分子鏈尺寸,這種情況通過常規(guī)干燥處理無法使得蠕變率恢復(fù)至原始狀態(tài)。因此，為了降低PMI 泡沫耐高溫蠕變率，一般需要對泡沫進行不同條件的干燥(或熱)處理。

在實驗中，分別采用溫度26℃，相對濕度65%，32 h 及72 h 對熱處理后的泡沫進行吸濕處理。圖2為不同熱處理泡沫吸濕-蠕變曲線。由圖2 結(jié)果可以看到，當(dāng)對泡沫進行熱處理后吸濕，低吸濕率情況下（＜0.5%），吸濕率及熱處理溫度對泡沫蠕變率影響總體較小，熱處理溫度不同導(dǎo)致的蠕變率變化不超過0.2%，而吸濕率變化導(dǎo)致的蠕變率變化不超過0.3%（最大值如圖2b 所示）。

圖2 不同熱處理泡沫吸濕-蠕變曲線

當(dāng)吸濕率較高時（≥0.5%），吸濕率對熱處理溫度較低的泡沫蠕變率影響顯著增加，蠕變率隨吸濕率升高顯著升高。熱處理不同導(dǎo)致的蠕變率變化基本處于1%～1.6%（最大值如圖2c 所示），這主要是由于熱處理溫度低的泡沫成環(huán)基團較少，使得酰亞胺基團（—NHCO—CH3）較少，而極性更強的羧基（—COOH）較多，導(dǎo)致分子整體極性較強[17]，因此，水分更容易向內(nèi)部滲透和羧基形成分子鏈氫鍵，使得蠕變率升高。而吸濕率較低時，水分子多數(shù)停留在泡孔表面，因此，不同熱處理溫度條件下，吸濕率對泡沫蠕變率影響較小。

圖3為不同規(guī)格泡沫的吸濕-蠕變曲線。對比不同厚度的吸濕-蠕變測試結(jié)果可以看到，密度較大的泡沫吸濕量對蠕變的影響比密度小泡沫更小，密度大的泡沫吸濕量與密度小的泡沫吸濕量對蠕變的影響隨厚度增加逐漸接近，當(dāng)泡沫厚度達到80 mm，兩種密度泡沫吸濕量對蠕變率的影響基本一致。這主要是由于泡沫隨厚度增加，蠕變率本身減小所致。

圖3 不同規(guī)格泡沫的吸濕-蠕變曲線

2.2 泡沫材料厚度對壓縮蠕變性能的影響

PMI 由于其化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)的原因，在濕熱環(huán)境下，泡沫會主動吸潮，從而影響泡沫性能，由以上的分析結(jié)果可知，PMI 泡沫在吸潮后，蠕變率明顯增加。因此，在PMI 泡沫使用前，一般需要對其進行加熱干燥處理。在該研究中，首先對泡沫材料進行了不同處理的干燥，以使其性能基本恢復(fù)至原始的未吸濕狀態(tài)。

圖4為不同干燥條件下泡沫蠕變率的變化。從圖4對比可看到，泡沫開封后進行加熱干燥時間越長，除濕效果越明顯，泡沫的蠕變率越低。當(dāng)泡沫材料在密封狀態(tài)下貯存的時間越短，越接近未吸濕狀態(tài)，在不同干燥參數(shù)下的蠕變率差距越小。圖中，110WF-HT 及71WF-HT 兩種泡沫一般采用鋁箔袋密封，因此，干燥后的蠕變率變化明顯小于采用PE袋封裝的110WF 材料。

考慮到不同厚度泡沫的比表面積不同，對小厚度泡沫(10 mm，30 mm)采用130℃，3 h 進行干燥處理，對大厚度泡沫(80 mm)采用130℃，6 h 進行干燥處理。

圖4 不同干燥條件下泡沫蠕變率變化

不同牌號、不同厚度泡沫在干燥后的蠕變增量的變化如圖5所示，不同牌號、不同厚度泡沫在干燥后的蠕變率變化如圖6所示。

圖5 不同牌號泡沫蠕變增量變化

隨著泡沫厚度的增加，蠕變增量增加，這是由于一方面，泡沫在受壓時，壓縮蠕變包括兩個階段，首先是線彈性壓縮，主要是泡孔壁和泡棱的壓縮變形；其次是非線性壓縮，主要由于泡孔中的氣體受到壓縮作用產(chǎn)生變形，隨著泡孔中氣體壓強逐漸增加，與外加壓力趨于平衡，因此呈現(xiàn)非線性。針對厚度越大的泡沫，受力方向的泡孔數(shù)量越多，因此導(dǎo)致蠕變增量增加。另一方面，厚度越大，泡沫表面積越大，更容易吸濕，導(dǎo)致蠕變增量變大。

圖6 不同牌號泡沫蠕變率變化

由圖5 結(jié)果可見，針對三種不同牌號的泡沫，10 mm 厚度的蠕變增量分別為0.15，0.25 mm 及0.31 mm，而80 mm 厚度的蠕變增量達到0.51，0.78 mm 及1.78 mm。針對非HT 型號泡沫（未熱處理），由于泡沫內(nèi)基團成環(huán)程度較低，蠕變增量顯著高于HT 型號泡沫（熱處理）。

同時，針對同一泡沫材料，厚度越小，蠕變率越大。由圖6 可見，針對三種不同牌號的泡沫，10 mm 厚度的蠕變率分別為1.5%，2.5%及3.1%，而80 mm 厚度的蠕變率分別為0.64%，0.98%及2.22%。在楊洋等[18]的研究中也指出了類似的規(guī)律。

在壓縮蠕變測試過程中，由于試樣表層在裁切時會發(fā)生部分孔壁結(jié)構(gòu)破壞(表現(xiàn)為泡沫內(nèi)部為100%閉孔，而表層不是)，表層泡孔的耐溫承壓性能會差一些，在高溫承壓時會發(fā)生表層結(jié)構(gòu)坍塌，造成蠕變量在初始階段明顯增加。同時，厚度越小，泡沫比表面積越大，更容易吸濕，導(dǎo)致蠕變率變大。

2.3 泡沫熱處理對壓縮蠕變性能的影響

經(jīng)過熱處理的泡沫材料能達到更低的蠕變率。但一般經(jīng)過熱處理后的泡沫材料(HT 型號)比未熱處理的材料(非HT 型號)價格高數(shù)倍。因此，在實際應(yīng)用過程中，也可針對原始未經(jīng)過熱處理的泡沫，采用適當(dāng)?shù)膮?shù)進行熱處理，以獲取接近HT 型號泡沫材料的性能。表1 為不同熱處理條件下泡沫的壓縮蠕變值。

表1 不同熱處理條件下泡沫的壓縮蠕變值

由于試驗中的WF 型號泡沫熱變形溫度為200℃，因此分別采用175℃，49 h 及190℃，49 h 對80 mm 厚度的110WF 泡沫材料進行熱處理。由表1 中數(shù)據(jù)可看到，采用190℃熱處理時，初始蠕變Di大于175℃熱處理，這是由于熱處理溫度越高，泡沫的外表層受長時間高溫更容易黃化脆化(如圖7 所示)，導(dǎo)致初期短時的初始形變增大。而針對壓縮蠕變Dc，熱處理過程中，泡沫材料發(fā)泡過程中未完全進行的交聯(lián)反應(yīng)和成環(huán)反應(yīng)可以進一步進行，從而提高了PMI 泡沫的交聯(lián)程度和成環(huán)程度，使分子鏈剛性增大，同時能更好去除泡沫內(nèi)的殘留小分子，提高了PMI 泡沫的高溫蠕變性能。因此，190℃熱處理后，Dc更小。綜合看，總?cè)渥兟孰S熱處理溫度升高而下降。

圖7 高溫?zé)崽幚砗蟮呐菽韺?/p>

一般在熱處理過程中，尤其針對大厚度泡沫材料，容易由于局部升溫速率不同導(dǎo)致加熱不均勻，從而造成熱應(yīng)力產(chǎn)生泡沫變形；若泡沫內(nèi)部水分去除不徹底，高溫下殘留的水分子活化劇烈膨脹會破壞孔壁結(jié)構(gòu)使得泡沫變形。因此，需要通過設(shè)置保溫平臺及控制升溫速率，保證熱量傳遞的均勻性，同時應(yīng)在熱處理前進行干燥處理，去除泡沫內(nèi)部殘留水分，從而減少泡沫材料在熱處理后可能產(chǎn)生的變形。在本實驗中，在最終的熱處理溫度之前，加設(shè)了160℃，3 h 的保溫平臺及130℃，12 h 的干燥處理，顯著減小了泡沫材料的變形，如圖8 所示。

圖8 高溫?zé)崽幚砗蟮呐菽?/p>

2.4 泡沫材料密度對壓縮蠕變性能的影響

圖9 為不同密度及厚度泡沫的蠕變率變化。由圖9 發(fā)現(xiàn)，密度大的泡沫試樣變形量小，蠕變率??；密度小的變形量大，蠕變率高。這與不同密度泡沫的力學(xué)性能變化原理相同，隨著密度的增大，PMI泡沫材料的拉伸強度、壓縮強度、剪切強度和彎曲強度均明顯提高。這是由于泡沫材料的外加載荷由泡沫的發(fā)泡空心結(jié)構(gòu)及基體樹脂材料承受。而隨著泡沫密度的增大，基體樹脂的體積含量增大，基體樹脂承受載荷的作用面積增大，承載能力增強，力學(xué)性能提高，抗變形能力增強[20]。

圖9 不同密度及厚度泡沫的蠕變率變化

同時，在吸潮以后，由于密度大的泡沫內(nèi)部孔壁較厚，且泡孔尺寸小，密度大，能有效地阻止水分子向內(nèi)部進一步滲透，這也在另一方面降低了泡沫的蠕變率。

由圖9 還可以發(fā)現(xiàn)，隨著泡沫厚度的增加，不同密度泡沫材料的蠕變率差別逐漸變小，趨于一致。這主要是和2.1 節(jié)中厚度增加使得不同密度泡沫的吸濕蠕變規(guī)律趨于一致的原因相同，隨泡沫厚度的增加，蠕變率本身減小所致。

3 結(jié)論

研究了泡沫在溫濕度環(huán)境因素影響下，吸濕、熱處理、泡沫密度及厚度對泡沫壓縮蠕變性能的影響規(guī)律，得出了以下結(jié)論：

(1)泡沫吸濕會增加泡沫的蠕變率，同時隨泡沫熱處理，厚度及密度不同，產(chǎn)生不同的影響規(guī)律。當(dāng)吸濕率較高時(≥0.5%)，吸濕率對熱處理溫度較低的泡沫蠕變影響顯著增加，蠕變率隨吸濕率升高顯著增加。而吸濕率較低時，吸濕率對熱處理后的泡沫蠕變影響較小。

(2)不同厚度泡沫在干燥后，隨著泡沫厚度的增加，蠕變增量增加，蠕變率減小。針對非HT 型號泡沫，由于泡沫內(nèi)基團成環(huán)程度較低，蠕變增量顯著高于HT 型號泡沫。

(3)當(dāng)泡沫(非HT 型號)進行熱處理時，熱處理溫度較高，初始蠕變Di較大，壓縮蠕變Dc較小，綜合看，總?cè)渥兟蔇 隨熱處理溫度升高而下降。熱處理過程中，泡沫容易產(chǎn)生翹曲變形，可以通過加設(shè)熱處理過程中保溫平臺及延長干燥處理時間來顯著減小泡沫材料的變形。

(4)密度大的泡沫剛度較大，受力時較難變形，蠕變量小，密度小的泡沫剛度較小，受力時容易變形，蠕變量大。同時，隨著泡沫厚度增加，不同密度泡沫材料的蠕變率差別逐漸變小，趨于一致。