羅玉清, 陸志遠, 王萌, 郝巍

(中航復合材料有限責任公司，北京 101300)

0 前言

PBO紙是由PBO纖維為主要原材料制備的一種特種紙，PBO纖維是聚對苯撐苯并二唑纖維的簡稱，是由苯雜環(huán)組成的剛性共軛體系，有著特殊的大分子鏈結構和超分子微相結構，有著優(yōu)異的耐熱性、難燃性、耐沖擊性和超高的模量與強度[1]，其強度、模量遠勝于鋼纖維，被稱為“超級纖維”[2]。

PBO蜂窩是以PBO紙為主要原材料，依據(jù)仿生學原理制作出結構及外形與蜂窩的巢穴相似的一種非金屬復合材料。與傳統(tǒng)間位芳綸紙蜂窩(如Nomex蜂窩)相比，PBO蜂窩在耐高溫性能上具有顯著優(yōu)勢，300 ℃條件下還能保持較高的性能，PBO蜂窩將蜂窩的耐溫等級提升到了300 ℃，拓寬了蜂窩芯材的應用范圍。

實驗采用新型的PBO紙與新型的聚酰亞胺樹脂制備了耐高溫PBO蜂窩，并且探究了原材料PBO蜂窩紙及浸漬聚酰亞胺樹脂的性能，同時依據(jù)國內(nèi)外的各項性能測試標準，測試了PBO蜂窩芯材的密度、節(jié)點強度等主要物理參數(shù)及室溫和300 ℃高溫下的平面壓縮強度、剪切強度/模量等主要力學性能，并且與相應規(guī)定的各項性能指標進行了比對。

1 實驗過程

1.1 主要原材料

原材料名稱、組成及用途見表1。

表1 主要原材料表

1.2 試樣制備

采用圖1所示過程制備PBO蜂窩(規(guī)格PBO-1-2.75-48)。與傳統(tǒng)大尺寸間位蜂窩制備過程不同的是，壓制后將蜂窩板按照需求的高度T切割后再進行后續(xù)的工序制作，制備出的蜂窩如圖2所示。

圖1 PBO蜂窩制作工藝路線

圖2 PBO蜂窩芯材示意圖

1.3 測試方法

PBO蜂窩的主要物理參數(shù)測試方法如下：密度測試按照ASTM C271/C271M《Standard Test Method for Density of Sandwich Core Meterial》規(guī)定測定；水遷移按照ASTM F1645《Standard Test Method for water Migration inHoneycomb Core Materials》規(guī)定測定；尺寸穩(wěn)定性按照ASTM D6772《Standard Test Method forDimensional Stability of Sandwich Core Materials》規(guī)定測定；燃燒性能測試按照CCAR-25《運輸類飛機適航標準》R4附錄F部分測試方法測試；密度測試設備為電子天平和游標卡尺；孔格尺寸設備為游標卡尺；水遷移為恒溫恒濕箱；尺寸穩(wěn)定性為游標卡尺和高溫烘箱。

PBO蜂窩的主要力學性能測試方法如下：平面壓縮強度按照GB/T 1453—2005《夾層結構或芯子平壓性能試驗方法》規(guī)定測定；平面剪切強度及模量按照GB/T 1455—2005《夾層結構或芯子剪切性能試驗方法》規(guī)定測試。

2 結果與分析

2.1 PBO蜂窩物理性能

2.2.1 密度

對制作的PBO蜂窩進行密度測試，測試標準為ASTM C271/C271M，式樣尺寸大小為60 mm×60 mm×12.7 mm，每批次測試數(shù)量為5個，每批次平均值見表2。由表2中數(shù)據(jù)可知，密度測試值均滿足指標值的要求，且穩(wěn)定性也較好。對于蜂窩而言，其最終密度由浸膠工序中的上膠量決定，從表2中數(shù)據(jù)也可以看出，5塊蜂窩的密度都集中在48 kg/m3左右，說明生產(chǎn)較為穩(wěn)定，工藝性能良好。

表2 PBO蜂窩物理性能表

2.2.2 水遷移性能

按照ASTM F 1645對PBO蜂窩進行水遷移測試，先將PBO蜂窩制備為蜂窩夾層板，面板選擇透明塑料，連接器選擇橡膠管，在夾層板的一側進行打孔操作，孔洞僅連接一個蜂窩孔格，通過連接器向蜂窩孔格注入恒壓為0.009 MPa蒸餾水，測試24 h后的水遷移孔格數(shù)。

圖3 PBO及間位芳綸分子結構式

由于PBO分子結構式與間位芳綸存在不同，由圖3可以看出，間位芳綸分子式中含有大量的酰胺基團，具有較強的極性，導致間位芳綸紙及蜂窩具有一定的吸水性[3]，而PBO分子式結構對稱，無游離極性基團顯露，極性較低，不易于吸水。

由表2數(shù)據(jù)可以看出，PBO蜂窩的水遷移測試值為0，24 h不發(fā)生孔格滲透，測試結果滿足指標值要求。

2.2.3 燃燒性能

燃燒性能一直以來都是蜂窩產(chǎn)品的一項關鍵性指標，按照CCAR-25的測試方法對PBO蜂窩進行燃燒性能的測試，測試結果見表2。從表2的數(shù)據(jù)可以看出，PBO蜂窩的自熄時間、滴落物燃燒時間均為0 s，燒焦長度均在5 mm以內(nèi)，這說明PBO蜂窩的抗燃燒性能優(yōu)異。PBO纖維的熱降解溫度為650 ℃[4]，同時浸漬樹脂也為耐高溫的聚酰亞胺樹脂，協(xié)同增強PBO蜂窩的抗燃燒性能，滿足相應規(guī)范的指標值要求。

2.2.4 尺寸穩(wěn)定性

制備PBO蜂窩試樣457.2 mm×914 mm(L×W)，將試樣放在烘箱里，在(177±5) ℃的條件下保溫90 min，之后取出試樣冷卻至(23±3) ℃，測量記錄試樣的尺寸變化，測試結果見表2。PBO蜂窩經(jīng)過一系列工序加工后，蜂窩孔格在沒有外界應力施加情況下不易發(fā)生變形，但在實際使用的不同溫度環(huán)境下，蜂窩孔格可能會因為殘留的內(nèi)應力導致變形，產(chǎn)生蜂窩整體變形[5]。由表2測試結果看以看出，PBO蜂窩兩個方向的尺寸變化率均在0.05%以下，幾乎不發(fā)生變形，滿足指標值要求。

2.2 PBO蜂窩力學性能

2.2.1 PBO蜂窩非穩(wěn)定型壓縮強度

對制作的PBO蜂窩進行非穩(wěn)定型壓縮強度測試，數(shù)據(jù)見表3，選取的NOMEX蜂窩為相同孔格相同密度，規(guī)格為NH-1-2.75-48。由表3數(shù)據(jù)可得圖4曲線，從圖中曲線可以看出，PBO蜂窩的非穩(wěn)定型壓縮強度要低于NOMEX間位蜂窩，平均值上要比NOMEX蜂窩低11.2%，但PBO蜂窩的非穩(wěn)定型壓縮強度也滿足Q/6S 1948—2005的指標值要求，平均值大于1.5 MPa，最小值大于0.95 MPa。同時，從PBO蜂窩三種不同條件下的非穩(wěn)定型壓縮強度曲線可以看出，隨著溫度的升高，非穩(wěn)定型壓縮強度不斷下降，260 ℃時非穩(wěn)定型壓縮強度為常溫時的70.7%，300 ℃時非穩(wěn)定型壓縮強度為常溫時的58.7%，從PBO蜂窩的非穩(wěn)定型壓縮強度的性能保持率上可以看出，新型PBO蜂窩的耐高溫性能優(yōu)異。

表3 PBO蜂窩非穩(wěn)定型壓縮強度

圖4 PBO蜂窩非穩(wěn)定型壓縮強度

NOMEX蜂窩在180 ℃時的性能保持率在65%以上，長期使用溫度在200 ℃以下，在耐高溫蜂窩方面，Hexcel公司生產(chǎn)的HRH327玻璃布蜂窩長期使用溫度為260 ℃，短期使用溫度可以達到370 ℃，北京航空制造工程研究院制造的玻璃布/聚酰亞胺蜂窩在260 ℃條件下保溫30 min壓縮強度的保持率在70%以上[6]。但上述兩種耐高溫蜂窩的基材均為玻璃布編織物，制備出的蜂窩的密度較大，不適合應用在某些要求輕量化的領域中。

2.2.2 PBO蜂窩剪切強度及模量

對制作的PBO蜂窩進行剪切性能測試，數(shù)據(jù)見表4。由表4數(shù)據(jù)做曲線圖5、圖6，可以看出PBO蜂窩的L向剪切強度及模量均要高于W向。同時PBO蜂窩的剪切強度與模量測試值滿足Q/6S 1948—2005的指標值要求，從圖中曲線能看出測試值的分布較為均勻，可見制作出的PBO蜂窩剪切強度及模量完全能夠滿足使用要求。

表4 PBO蜂窩剪切強度及模量

圖5 PBO蜂窩剪切強度

圖6 PBO蜂窩剪切模量

3 結論

使用新型PBO蜂窩紙、新型芯條膠及聚酰亞胺浸漬樹脂制作PBO蜂窩，并對其進行一系列物理性能及力學性能測試，得出如下結論：

(1)新型PBO蜂窩的耐高溫性能優(yōu)異，260 ℃時非穩(wěn)定型壓縮強度為常溫時的70.7%，300 ℃時非穩(wěn)定型壓縮強度為常溫時的58.7%；PBO蜂窩的剪切強度與模量測試值滿足Q/6S 1948—2005的指標值要求，能夠滿足使用要求。

(2)PBO蜂窩芯材的物理性能及力學性能均能夠達到相應標準規(guī)范的要求，且高溫下的性能保持率良好。同時，PBO蜂窩將蜂窩的耐溫等級提升到了300 ℃，拓寬了蜂窩芯材的應用范圍。