侯鑫 李家增 趙靖 孫超明

摘要：選用自制改性酚醛/玻璃纖維預(yù)浸料制備出滿足性能指標(biāo)的貨艙襯板，研究了織物形式、纖維種類、固化溫度和鋪層工藝對(duì)貨艙襯板相關(guān)力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，選用緞紋織物和S-glass玻纖有利于提高抗沖擊性；固化溫度越高，邊緣承受強(qiáng)度提高，沖擊強(qiáng)度下降，邊緣承受強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度兩性能存在對(duì)立關(guān)系；剝離面和剝離方向是影響滾筒剝離性能的主要因素。最后，按照材料規(guī)范要求對(duì)研制貨艙襯板的力學(xué)、物理和阻燃性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明所研制的貨艙襯板具有優(yōu)異的阻燃性能和高抗沖擊性，實(shí)現(xiàn)了貨艙襯板研制的國產(chǎn)化。

關(guān)鍵詞：耐沖擊；阻燃；貨艙襯板

Keywords：impact resistant；flame retardant；cargo liner

0 引言

貨艙襯板是一種用于覆蓋民機(jī)貨艙地面金屬梁、側(cè)墻、天花板的薄層壓板產(chǎn)品，厚度從0.18mm至1.78mm不等，通常按照厚度來劃分規(guī)格，根據(jù)使用位置的不同有多種厚度規(guī)格[1-3]。貨艙襯板是一種兼具優(yōu)異阻燃性能和高耐沖擊性能的民機(jī)內(nèi)飾板材，多以酚醛樹脂為基體，以玻璃纖維織物為增強(qiáng)材料，表面粘接白色或米色裝飾膜。國內(nèi)飛機(jī)制造商的民用機(jī)型和波音公司的B737、B747、B777、B787等機(jī)型中都應(yīng)用了貨艙襯板。

各飛機(jī)制造商均根據(jù)自己的設(shè)計(jì)需求制定了相應(yīng)的貨艙襯板材料規(guī)范，如波音公司制定了BMS8-223規(guī)范，對(duì)性能指標(biāo)和測(cè)試方法進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定。貨艙襯板需兼具高沖擊和優(yōu)異阻燃性能，傳統(tǒng)酚醛樹脂具有優(yōu)異的阻燃性能，但呈現(xiàn)脆性沖擊性能差，需在保證不降低阻燃性能的條件下對(duì)酚醛樹脂進(jìn)行增韌改性，研發(fā)技術(shù)難度大，資金投入多，周期長，對(duì)襯板的國產(chǎn)化造成很大阻力。國內(nèi)對(duì)貨艙襯板的研制起步較晚，研制基礎(chǔ)薄弱，開展研制的單位較少，公開報(bào)道較少，目前暫無滿足要求的合格制造商[4-10]。國內(nèi)航空維修單位均采購國外制造商生產(chǎn)的貨艙襯板，如美國MC.Gill公司的產(chǎn)品，但存在供貨周期長、價(jià)格高等問題。隨著國內(nèi)市場(chǎng)需求量的增長，彌補(bǔ)國內(nèi)貨艙襯板研發(fā)領(lǐng)域的空白刻不容緩。

本文介紹一種貨艙襯板的研制方法：采用自制改性酚醛/玻璃纖維預(yù)浸料，選用層壓成型工藝。該方法較系統(tǒng)地研究了織物形式、纖維種類、固化溫度、鋪層工藝對(duì)性能的影響，所研制貨艙襯板各項(xiàng)性能達(dá)到飛機(jī)制造商的材料規(guī)范要求，成功解決了研發(fā)中的技術(shù)瓶頸問題，未來可應(yīng)用于國內(nèi)的維修替換和飛機(jī)制造，打破了國外制造商的壟斷。

1 研制內(nèi)容

1.1 主要原材料

選用相同規(guī)格的自制改性酚醛樹脂為基體，相同面重、不同織物形式和纖維種類的玻璃纖維織物為增強(qiáng)材料，自制4種規(guī)格的改性酚醛/玻璃纖維預(yù)浸料，如表1所示。白色表面裝飾膜的規(guī)格為BB-10。

1.2 制備過程

采用層壓成型工藝制備貨艙襯板，工藝流程如圖1所示。

將自制預(yù)浸料和白色表面裝飾膜裁剪為相同的1000mm×1000mm尺寸大小，3層預(yù)浸料按照[0/0/0]鋪貼，最后將1層白色表面裝飾膜鋪貼于預(yù)浸料的經(jīng)緞面。成型工藝參數(shù)：成型壓力0.7MPa，預(yù)壓溫度90℃，保溫時(shí)間30min；固化溫度120℃，保溫時(shí)間90min，升溫速率（2～5）℃/min，自然冷卻至60℃以下脫模，如圖2所示。

1.3 性能測(cè)試

在研制過程中，依據(jù)波音飛機(jī)貨艙襯板材料規(guī)范（規(guī)范號(hào)BMS8-223，下稱材料規(guī)范）的要求進(jìn)行力學(xué)、物理和阻燃性能測(cè)試，如表2 所示。

2 研制結(jié)果

2.1 織物形式和纖維種類對(duì)沖擊性能的影響

常用的玻璃纖維織物有平紋（Plain）、斜紋（Twill）、緞紋三種形式（Satin），選用AR81-G25-35a、AR81-G25-35b、AR81-G25-35c三種規(guī)格預(yù)浸料按照?qǐng)D2所示成型工藝參數(shù)制備貨艙襯板，對(duì)比不同織物形式對(duì)沖擊性能的影響，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。從測(cè)試結(jié)果中可以得出沖擊強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果為緞紋織物>斜紋織物>平紋織物，沖擊測(cè)試時(shí)固定尺寸和重量的錘頭從高處落下，以一定的能量沖擊襯板，當(dāng)受到能量沖擊時(shí)樹脂基體首先發(fā)生開裂，隨著裂紋的擴(kuò)展，纖維與樹脂界面破壞產(chǎn)生分層、纖維拔出和纖維斷裂，由于三種織物的單位面積經(jīng)緯纖維交織點(diǎn)數(shù)有差異，為平紋織物>斜紋織物>緞紋織物，交織點(diǎn)處纖維屈曲受到能量沖擊時(shí)易產(chǎn)生纖維拔出和斷裂，從測(cè)試后破壞形貌照片（見圖4）中可以看出，交織點(diǎn)數(shù)多的平紋織物纖維拔出尺寸較短，纖維斷裂產(chǎn)生的裂紋長度較長，呈十字形破壞形貌；交織點(diǎn)數(shù)較少的斜紋和緞紋織物纖維拔出尺寸較長、纖維斷裂產(chǎn)生的裂紋較短，破壞處凸起呈錐形破壞形貌，因此交織點(diǎn)數(shù)少的緞紋織物較平穩(wěn)和斜紋具有更優(yōu)異的抗沖擊能力。

選用緞紋織物形式的無堿玻璃纖維E-glass和高強(qiáng)玻璃纖維S-glass即AR81-G25-35c和AR81-G25-35兩種規(guī)格預(yù)浸料按照?qǐng)D2所示成型工藝參數(shù)制備貨艙襯板，對(duì)比不同纖維種類對(duì)沖擊性能的影響，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。S-glass比E-glass制備襯板的沖擊強(qiáng)度高出7 FT-LB，提高約77%，由于S-glass與E-glass相比具有拉伸強(qiáng)度高、拉伸模量高、斷裂延伸率高和密度低的優(yōu)勢(shì)，沖擊能量作用時(shí)纖維會(huì)受到軸向拉伸作用力，拉伸性能更高，不易發(fā)生斷裂，同時(shí)較高的斷裂延伸率與增韌改性酚醛的斷裂延伸率有更好的匹配性，承受沖擊能力增強(qiáng)?？椢飭挝幻娣e重量相同條件下，密度較低的S-glass織物比E-glass織物更致密，在一定程度上有利于沖擊強(qiáng)度的提高。

2.2 固化溫度對(duì)沖擊和邊緣承受強(qiáng)度性能的影響

選用AR81-G25-35規(guī)格預(yù)浸料，按照?qǐng)D2所示成型工藝參數(shù)，在其他條件不變的前提下分別選取固化溫度100℃、110℃、120℃、130℃進(jìn)行單一變量試驗(yàn)，對(duì)不同固化溫度襯板的沖擊強(qiáng)度、邊緣承受強(qiáng)度和固化度進(jìn)行測(cè)試，其中固化度的測(cè)試依據(jù)纖維增強(qiáng)塑料樹脂不可溶分含量試驗(yàn)方法（GB/T 2576-2005）。

圖6、圖7和圖8分別為不同固化溫度對(duì)邊緣承受強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度和固化度的影響。從圖中可以看出，經(jīng)向（Warp）和緯向（Fill）的邊緣承受強(qiáng)度隨著固化溫度的升高而提高，沖擊強(qiáng)度隨著固化溫度的升高而降低，固化度隨著固化溫度的升高而提高。由此可見，高固化度有利于邊緣承受強(qiáng)度的提高，但不利于沖擊強(qiáng)度的提高，邊緣承受強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度兩者存在對(duì)立關(guān)系。復(fù)合材料由樹脂和纖維兩相組成，當(dāng)固化度高時(shí)，表明樹脂交聯(lián)程度高，具有更好的強(qiáng)度和剛性，表現(xiàn)為樹脂本身的拉伸強(qiáng)度和模量的提高，因此邊緣承受強(qiáng)度隨之提高；但樹脂剛性的提高導(dǎo)致其斷裂延伸率下降，遠(yuǎn)小于纖維的斷裂延伸率，由于兩者的斷裂延伸率不匹配，在受到能量沖擊時(shí)，樹脂基體發(fā)生開裂現(xiàn)象后裂紋極易擴(kuò)展導(dǎo)致纖維斷裂沖擊試樣被穿透，因此固化度高時(shí)復(fù)合材料整體呈現(xiàn)脆性，不利于抗沖擊能力的提高。

2.3 鋪層工藝對(duì)滾筒剝離性能的影響

AR81-G25-35規(guī)格預(yù)浸料織物形式為8枚三飛緞紋，緞紋組織的相鄰兩根經(jīng)紗或緯紗的組織點(diǎn)相距較遠(yuǎn)，所有組織點(diǎn)規(guī)律分布且不連續(xù)，在織物表面呈現(xiàn)經(jīng)或緯的浮長線，因此緞紋織物一面為經(jīng)面緞（Warp Satin），一面為緯面緞（Fill Satin），織物兩面結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。由于緞紋織物兩面存在差異性，因此鋪層工藝和測(cè)試時(shí)剝離面的不同會(huì)對(duì)滾筒剝離性能產(chǎn)生影響。選用AR81-G25-35規(guī)格預(yù)浸料，按照?qǐng)D2所示成型工藝參數(shù)，2層預(yù)浸料按照表3鋪層工藝鋪貼和指定的剝離面測(cè)試，鋪層[0/0]和[0/90]中的0和90表示預(yù)浸料的方向，粘接面鋪層表示2層預(yù)浸料中間粘接的兩面分別是經(jīng)面緞或緯面緞。

當(dāng)剝離面為經(jīng)面緞時(shí)呈現(xiàn)經(jīng)紗（Warp Yarn）的浮長線，當(dāng)剝離面為緯面緞時(shí)呈現(xiàn)緯紗（Filling Yarn）的浮長線，經(jīng)紗的方向?yàn)榻?jīng)向（Warp Direction），緯紗的方向?yàn)榫曄颍‵ill Direction），如圖9所示。分別沿經(jīng)向和緯向兩個(gè)方向?qū)?#～6#試樣取樣進(jìn)行滾筒剝離測(cè)試，對(duì)比剝離方向與浮長線平行（0°）或垂直（90°）時(shí)性能的變化，圖10為滾筒剝離測(cè)試結(jié)果。從圖中對(duì)比1#～6#試樣可以看出，相同試樣編號(hào)條件下，剝離方向與浮長線垂直（90°）時(shí)的滾筒剝離強(qiáng)度均高于平行（0°）時(shí)的滾筒剝離強(qiáng)度，高出約100%，這是由于前者剝離面中浮長線與樹脂之間線接觸形式的粘接強(qiáng)度大于后者點(diǎn)接觸形式的粘接強(qiáng)度。1#、3#與2#、4#試樣對(duì)比得出2#、4#試樣0°和90°的滾筒剝離強(qiáng)度均高于1#、3#試樣，由此看出剝離面為緯面緞時(shí)，剝離方向與浮長線平行、垂直的兩個(gè)方向上滾筒剝離性能優(yōu)于剝離面為經(jīng)面緞，這是由于緞紋布在編織時(shí)緯向張力小，存在屈曲現(xiàn)象，導(dǎo)致剝離面接觸面積增大，從而提高了滾筒剝離性能。對(duì)比3#、4#與5#、6#試樣得出，3#與5#、4#與6#試樣的滾筒剝離性能相差較小，表明鋪層方向?qū)L筒剝離性能影響較小。

2.4 研制結(jié)論

1）交織點(diǎn)數(shù)較少的緞紋織物和力學(xué)性能更強(qiáng)的S-glass有利于抗沖擊性能的提高。

2）固化溫度高有利于邊緣承受強(qiáng)度的提高，不利于沖擊強(qiáng)度的提高，邊緣承受強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度兩者存在對(duì)立關(guān)系。

3）剝離面和剝離方向是影響滾筒剝離性能的兩個(gè)主要因素，其中剝離面為緯緞面和剝離方向垂直長浮線時(shí)滾筒剝離性能最優(yōu)，鋪層方向?qū)L筒剝離性能無明顯影響。

4）選用酚醛樹脂體系研制出的貨艙襯板力學(xué)、物理和阻燃性能均滿足材料規(guī)范中的指標(biāo)要求。

2.5 貨艙襯板性能測(cè)試結(jié)果和分析

選用AR81-G25-35規(guī)格預(yù)浸料和白色表面裝飾膜為原材料研制的TYPE30型貨艙襯板性能如表4所示。自研襯板各項(xiàng)性能均滿足貨艙襯板材料規(guī)范要求，同時(shí)因選用了酚醛樹脂體系而具有優(yōu)異的燃燒性能、煙密度和毒性。

3 結(jié)束語

目前，研制的TYPE30型貨艙襯板各項(xiàng)性能已滿足材料規(guī)范要求，下一步將進(jìn)行適航認(rèn)證，認(rèn)證通過后可作為波音飛機(jī)的維修替換材料和國內(nèi)飛機(jī)制造商的原廠裝機(jī)材料使用。相較于國外同規(guī)格產(chǎn)品，具有供貨周期短、價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)，在未來國內(nèi)飛機(jī)維修和制造領(lǐng)域?qū)碛袕V闊的市場(chǎng)前景，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊雪梅.酚醛阻燃復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用[J].工程與試驗(yàn)，2015，55（3）：30-34.

[2] 石文靜.復(fù)合材料在航天器結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用與展望[J].宇航材料工藝， 2019（4）：1-6.

[3] 潘先進(jìn).民用飛機(jī)內(nèi)飾材料研究[J].裝備制造技術(shù)，2014（8）：237-238.

[4] 李亞鋒.增韌改性對(duì)玻纖織物增強(qiáng)酚醛復(fù)合材料性能影響研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2015（11）：71-74.

[5] 馮軍.大飛機(jī)系列論壇大飛機(jī)復(fù)合材料制造技術(shù)：復(fù)合材料技術(shù)在當(dāng)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2009（22）：38-42.

[6] 王平.先進(jìn)復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用[C].第17屆全國復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議（復(fù)合材料應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化分論壇）論文集，2012.

[7] 白樹城.高抗沖阻燃酚醛型艙內(nèi)復(fù)合材料研究[J].航空材料學(xué)報(bào)，1995，15（3）：25-32.

[8] 王源.阻燃酚醛型艙內(nèi)材料抗沖擊性的改進(jìn)研究[J].材料工程，1995（1）：36-38.

[9] 張焱.航空領(lǐng)域用特種高性能玻璃纖維材料[J].航空制造技術(shù)，2014，459（15）：130-131.

[10] 韓建祥.酚醛樹脂基復(fù)合材料增韌改性研究進(jìn)展[J]. 中國膠粘劑，2013，22（1）：42-46.

作者簡介

侯鑫，工程師，研究方向：飛機(jī)內(nèi)飾復(fù)合材料。