王東，方偉，方勇，盧健釗，毛敏梁

（1.中國電子科技集團公司第十研究所，成都610036；2.浙江中科恒泰新材料科技有限公司，紹興312369）

0 引言

PMI泡沫是100%的閉孔硬質泡沫，具有低密度、高比強度、高比模量、各向同性以及良好的加工性、熱穩(wěn)定性和耐化學腐蝕性能，已經廣泛應用于航空航天、兵器、船舶、軌道交通、醫(yī)療設備、體育器材等領域，例如，飛機的槳葉、尾翼、機身壁板、后壓力框等，以及運載火箭的整流罩、中間段、貯箱等[1-6]。雖然國外在多年前就將泡沫夾層結構廣泛應用于航天器，但國內航天領域對泡沫夾層結構的應用起步較晚，目前僅僅局限于運載火箭結構中，而在空間站、衛(wèi)星等長期駐守的空間平臺尤其是其中的電子設備中鮮有應用。

本文針對應用于空間站的我國首個航天綜合一體化電子系統(tǒng)設備的減重需求，選取PMI泡沫作為夾層結構的芯材，制備了碳纖維/PMI/碳纖維結構、鋁合金/PMI/鋁合金結構；并以該電子設備在發(fā)射階段需要承受的隨機振動試驗量級為試驗條件，對它們的力學性能進行試驗驗證，并與鋁合金結構、碳纖維結構進行對比，以探尋PMI泡沫夾層結構在空間站電子設備中的應用前景。

1 PMI 泡沫材料的性能

在世界范圍內的PMI泡沫市場上，德國贏創(chuàng)德固賽公司生產的ROHACELL?系列和日本積水化學公司生產的FORMAC?系列PMI泡沫占據了主導地位。在國內，四川大學、西北工業(yè)大學、中國科學院化學研究所、中航工業(yè)復合材料技術中心、黑龍江石油化工研究院、湖南塑料研究所等高校和科研院所在PMI泡沫研制方面開展了大量工作，并與民營企業(yè)合作，形成了具有自主知識產權的PMI泡沫產品。其中，與中國科學院化學研究所合作創(chuàng)辦的浙江中科恒泰新材料科技有限公司已經研發(fā)了Cascell?WH、RS、HF、IH等4個系列10余種PMI泡沫產品，具有年產105m3的規(guī)模；中航工業(yè)復合材料技術中心與福建浩博新材料科技有限公司合作，成功研制出了ACCPMI?系列PMI泡沫材料，具備年產3000m3的生產能力[7-8]。且Cascell?WH系列和ACCPMI?系列產品的性能均不同程度地優(yōu)于ROHACELL?WF/WF-HT 系列產品[9]。表1所示為Cascell?WH 系列、ACCPMI?系列、ROHACELL?WF/WF-HT 系列產品的基本力學性能對比。

表1 Cascell?WH系列、ACCPMI?系列、ROHACELL?WF/WF-HT 系列PMI泡沫的基本力學性能對比Table 1Basicmechanical propertiesof Cascell?WH,ACCPMI?,ROHACELL?WF/WF-HTseriesPMI

本文選用Cascell?110WH 系列PMI泡沫作為空間站電子設備夾層結構的芯材。除表1所示的力學性能外，Cascell?110WH 系列PMI泡沫在航天電子設備上應用時應予關注的其他性能如表2所示。

對于在真空環(huán)境中使用的電子設備，除表1和表2所示的性能外，材料的放氣性能將直接關系到其是否符合應用要求。因為材料釋放出的物質會沉積在光學部件、熱控面板、太陽電池陣等敏感表面上，造成表面污染，嚴重時會降低觀測窗和光學鏡頭的透明度、改變熱控涂層的性能、降低太陽電池片的光吸收率等。為了避免材料在真空環(huán)境下放氣對航天器部組件造成污染，一般對航天器用結構材料的放氣性能要求為[10]：總質量損失＜1%；收集的可凝揮發(fā)物＜0.1%。

表2 Cascell?110WH系列PMI泡沫性能參數(shù)Table 2Properties of Cascell?110WH seriesPMI

按照QJ 1558B—2016[11]標準對Cascell?110WH試樣及膠膜進行了真空放氣試驗，試驗結果見表3，其中TML為真空總質量損失，CVCM 為收集到的可凝揮發(fā)物，WVR 為水氣回吸量。

表3 Cascell?110WH系列PMI泡沫及膠膜的真空放氣性能Table3 Vacuum outgassing performances of Cascell?110WH seriesPMI and glues

由表3可知：PMI泡沫的TML＞1%，但通過比較WVR 發(fā)現(xiàn)，其質量損失主要是泡沫內部水氣蒸發(fā)的結果，且CVCM＜0.1%，滿足QJ20290—2014[12]中關于非敏感表面附近航天器用非金屬材料的評價指標；2種膠膜的TML和CVCM指標均滿足航天器用材料要求。

2 PMI 泡沫夾層結構設計

根據固體力學理論，板的彎曲剛度與其厚度的3次方成正比，厚度越大，板的剛度也就越大，但質量也隨之增大。而圖1所示的蒙皮+PMI泡沫的夾層結構能在保證結構整體剛度和尺寸的前提下減小結構的整體質量，提高結構比剛度[13-16]。

圖1 PMI 泡沫夾層結構形式示意Fig.1The sandwich structure of PMI foam

本文選用Cascell?110WH系列PMI泡沫作為芯材，3K 斜紋碳纖維布/環(huán)氧樹脂作為預浸料用于上下蒙皮層制備（或用鋁板作為上下蒙皮）；阻燃型纖維層壓板用于預埋件和封邊材料制備；J-47 膠膜用于PMI 泡沫與預埋件的黏結；SJ-2A 結構膠膜用于PMI泡沫與蒙皮的黏結。PMI泡沫芯材厚度為4.2mm，3K 斜紋碳纖維布蒙皮（或鋁板）的厚度為0.3mm，膠膜層厚度為0.1mm。

3 實物研制

為了比較PMI泡沫夾層結構與目前航天電子產品中常用的碳纖維結構、鋁合金結構的減重性能和動力學性能，本文分別采用碳纖維/PMI泡沫/碳纖維（TP）、鋁/PMI泡沫/鋁（LP）、碳纖維（TX）、鋁合金（AL）4種結構形式，設計制作了空間站某電子設備機箱的前面板、后面板、上蓋板、下蓋板、大側蓋板及小側蓋板共6種結構件（見圖2），它們的最大外形尺寸為588mm（長）×382mm（寬）×5 mm（厚）。其中，鋁合金結構和碳纖維結構采用局部加強方式，前面板需要安裝光電連接器，故非加強區(qū)域厚度為1.5 mm，其他面板和蓋板的非加強區(qū)域厚度為1mm。

圖2 機箱結構件示意Fig.2Schematicdiagram of the cabinet structures

4 性能測試

4.1 減重效果測試

對制作出的機箱結構件進行質量測量，以對比不同結構形式的減重效果。以鋁合金結構形式的質量數(shù)據為基準，其他3種結構形式的減重效果如表4所示。

由表4可見，碳纖維/PMI泡沫/碳纖維結構、鋁/PMI泡沫/鋁結構、碳纖維結構均具有較好的減重性能，平均減重比分別為42%、37%、37%。

表4 各種結構形式的減重效果對比Table 4 Comparison of weight reduction for four kinds of structures

4.2 動力學性能測試

為了比較各類結構件的動力學性能，本文采用隨機振動試驗進行力學響應分析。

4.2.1試驗平臺搭建

試驗采用蘇州蘇試試驗公司的DC-20000-200系列200kN 電動振動系統(tǒng)，將各類結構件分別裝夾在振動試驗臺上，并在結構件的適當位置布設Dytran3224A1系列單軸向壓電式加速度傳感器，測量結構件的振動響應；用美國DataPhysics公司的DP730系列16通道便攜式動態(tài)信號分析儀及其自帶的信號分析處理軟件進行信號采集處理。

4.2.2測試方法

試驗所使用的夾具依據某電子設備實際結構形式進行制備，以模擬各結構件的真實安裝環(huán)境，夾具下側的平板用于和試驗臺面的固定，各結構件通過M4不銹鋼沉頭螺釘固定在振動夾具上。在夾具和結構件上均布置了力學測點，測試采用多點激勵、單點響應的原理進行。其中z向試驗的力學響應測點布局如圖3所示：L1和L2測點位于上蓋板上，L3測點位于下蓋板上，J1、J6、J7測點位于夾具下部四角處，J2、J4、J5位于夾具上端四角處，J3位于夾具上端中部。

圖3 力學響應測點布局示意Fig.3Locationsof the mechanical response measurement points

根據該電子設備需要經歷的發(fā)射過程確定振動試驗條件為總均方根加速度7.5grms，持續(xù)時間180s，振動加載條件詳見表5。

表5 振動試驗條件Table5The vibration test conditions

4.2.3試驗結果

各種結構形式結構件上同一測點的力學響應對比如圖4所示，從圖中給出的L1和L3測點的響應數(shù)據來看：鋁/PMI 泡沫/鋁結構、碳纖維/PMI泡沫/碳纖維結構的響應量級較小，碳纖維結構和鋁合金結構的響應量級較大；碳纖維結構的一階頻率最低、鋁合金結構的一階頻率稍高、鋁/PMI泡沫/鋁結構和碳纖維/PMI泡沫/碳纖維結構的一階頻率較高。

圖4 各種結構形式實物上同一測點力學響應對比Fig.4Mechanical response at the sametest point for four structural forms

為了對比各結構件在試驗前后的響應變化，在鑒定級隨機振動試驗前后均進行了10～2000 Hz頻率范圍內加速度功率譜密度恒為0.001g2/Hz的特征掃描，響應曲線如圖5～圖8所示（以L1和L3兩測點為代表，圖中藍色曲線為試驗前的，紅色曲線為試驗后的）。

圖5 碳纖維/PMI 泡沫/碳纖維結構試驗前后掃頻隨機振動響應數(shù)據對比Fig.5Dynamicresponse of TPstructure before and after sweeprandom vibration

圖6 鋁/PMI 泡沫/鋁結構試驗前后掃頻隨機振動響應數(shù)據對比Fig.6Dynamicresponse of LPstructure before and after sweeprandom vibration

圖7 碳纖維結構試驗前后掃頻隨機振動響應數(shù)據對比Fig.7Dynamicresponse of carbon fiber structure beforeand after sweeprandom vibration

從4種結構形式結構件在試驗前后的掃頻隨機振動響應數(shù)據來看，碳纖維/PMI 泡沫/碳纖維結構、鋁/PMI泡沫/鋁結構在響應量級、各階頻率點上均十分接近，而碳纖維結構和鋁合金結構的頻率點發(fā)生了偏移，響應量級的變化較大。

為了測試溫度沖擊對PMI泡沫夾層結構的影響，在力學測試后，對碳纖維/PMI泡沫/碳纖維結構、鋁/PMI泡沫/鋁結構、碳纖維結構的結構件進行了溫度沖擊試驗，試驗條件見表6。

表6 溫度沖擊試驗條件Table 6Temperature shock test condition

為了對比各結構件在溫度沖擊試驗后的力學響應變化，再次進行了10～2000Hz 頻率范圍內加速度功率譜密度恒為0.001g2/Hz 的特征掃描，各結構件的響應曲線與圖5～圖8中鑒定隨機振動試驗后的掃頻振動數(shù)據幾乎一致。由此可見，溫度沖擊對PMI 泡沫結構件的基本力學性能沒有影響。

5 結束語

本文以空間站某電子設備用結構件為依托，設計制備了碳纖維/PMI 泡沫/碳纖維、鋁/PMI泡沫/鋁夾層結構件，并將它們與碳纖維和鋁合金結構件進行對比測試，包括質量測量、力學試驗測試、溫度沖擊試驗測試，結果表明：這2 種PMI泡沫夾層結構具有顯著的減重效果，相比于鋁合金結構件，減重約40%；具有較高的阻尼和比剛度特性，相比于鋁合金結構件，力學響應量級降低40%～50%；具備適應高低溫沖擊的能力。此外，通過真空出氣性能測試，驗證了PMI 泡沫夾層結構所用的PMI泡沫芯材和膠膜能夠滿足航天器非敏感表面附近的使用要求。

本文的研究內容，為空間站電子設備的輕量化設計奠定了基礎，對擴大PMI泡沫材料的應用范圍具有指導意義。