袁榮 周慧慧 杜永華 孫達(dá)

1. 國營蕪湖機(jī)械廠 安徽 蕪湖 241000

2. 蕪湖創(chuàng)聯(lián)新材料科技有限公司 安徽 蕪湖 241199

引言

芳綸紙蜂窩芯材由于具有比強(qiáng)度和比模量高、容重輕、抗壓性能好、可設(shè)計性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通和新能源車等需要高強(qiáng)度、低重量材料的領(lǐng)域[1-2]。1972年，杜邦公司關(guān)于蜂窩芯材的研究啟發(fā)于蜂巢，蜂巢質(zhì)量輕但是強(qiáng)度高，蜜蜂僅僅用很少量的蜂蠟就可以制造出高強(qiáng)度的蜂窩[3-4]。蜂窩經(jīng)過輕木、金屬蜂窩、玻璃纖維和碳纖維增強(qiáng)熱固性蜂窩以及芳香族聚酰胺蜂窩的發(fā)展逐漸進(jìn)入人們的視野[5-6]。俄羅斯關(guān)于芳綸紙蜂窩芯材的研究幾乎與美國同時開展，其蜂窩成型工藝在涂膠和浸膠順序上與美國有所不同，現(xiàn)在普遍認(rèn)為美國Hexcel蜂窩成型工藝最佳，成型難度小，但成型過程中的浪費(fèi)率高[7]。

芳綸紙涂膠、疊合過程是芳綸紙蜂窩芯材成型的第一步也是關(guān)鍵一步[8]。對涂膠過程中的參數(shù)進(jìn)行控制可以有效避免蜂窩芯材的節(jié)點(diǎn)黏接力差、節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度低、蜂窩孔格不規(guī)整、質(zhì)量不均勻等缺陷[9]。

芳綸紙蜂窩成型過程中涂膠、疊合過程工藝參數(shù)復(fù)雜、控制難度較大，目前芳綸紙蜂窩涂膠工藝還存在較多技術(shù)難題。

1 成型工藝對蜂窩性能影響研究

目前認(rèn)可度較高的芳綸紙蜂窩成型工藝主要來源于美國，過程包括芳綸紙涂膠、鋪疊、疊層板壓制、切割、拉伸展開、定型、浸膠、凈化、固化、去余料、片切、檢測等步驟[10-11]，下圖為芳綸紙蜂窩制造工藝[12]。

圖1 芳綸紙蜂窩制造工藝

蜂窩成型工藝直接影響了蜂窩的性能，通過調(diào)整工藝參數(shù)提升上膠量可以有效提高蜂窩的力學(xué)性能。華南理工大學(xué)王厚林等人[13]驗(yàn)證了Kelsey關(guān)于蜂窩壓縮強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度的力學(xué)模型[14-15]。蜂窩的壓縮模量隨著孔壁材料厚度和彈性模量的乘積（EST）的增大而增大；蜂窩的剪切模量隨著蜂窩孔壁材料厚度和剪切模量的乘積（GST）的增大而增大。并且王厚林等人[16]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到EST和GST均隨著上膠量的增加而增加的結(jié)論。蜂窩彈性模量和剪切模量隨模量和厚度乘積的變化規(guī)律見下式。

中航復(fù)材劉文品等人[17]使用X612N-1.5mil規(guī)格的芳綸紙制造芳綸紙蜂窩，也提出蜂窩壓縮強(qiáng)度與酚醛樹脂增量成正比關(guān)系，比例系數(shù)為0.082。

上交大彭蒙等人提出了蜂窩樹脂上膠厚度的增加也會提高Nomex蜂窩的接觸力峰值和抗穿透能力[18]。

提高芳綸紙蜂窩上膠量可以有效提高EST和GST，進(jìn)而提高蜂窩的壓縮模量和剪切模量，上膠量的提高也會提高蜂窩的接觸力峰值和抗穿透能力。因此在進(jìn)行蜂窩成型工藝設(shè)計時，可以考慮通過提高芳綸紙蜂窩成型時的上膠量增強(qiáng)蜂窩的力學(xué)性能[19]。

2 涂膠工藝對蜂窩性能影響研究

芳綸紙涂膠、鋪疊是蜂窩成型的第一步也是關(guān)鍵一步，對涂膠、鋪疊過程工藝參數(shù)進(jìn)行控制能夠保證芳綸紙蜂窩成型過程的順利進(jìn)行。

芳綸紙涂膠：根據(jù)所需芳綸紙蜂窩芯孔格大小和性能的不同，將芯條膠按照一定方式涂敷在芳綸紙上，芯條膠凝固后將芳綸紙按照一定長度進(jìn)行裁切，裁切后的紙張按照一定方式進(jìn)行疊合。圖2為六邊形蜂窩制造過程中芳綸紙的疊合方式[20]。

圖2 六邊形蜂窩疊合操作示意圖

涂膠的目的主要包括兩個方面：一是將節(jié)點(diǎn)膠轉(zhuǎn)印至芳綸紙上，在節(jié)點(diǎn)膠固化后使疊層板紙張之間具有一定節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，保證后續(xù)工藝順利進(jìn)行和蜂窩強(qiáng)度。二是控制白蜂窩密度，白蜂窩密度影響浸膠時樹脂增量，進(jìn)一步影響蜂窩力學(xué)性能。影響蜂窩涂膠過程和芳綸紙蜂窩芯材性能的參數(shù)有很多，國內(nèi)外針對蜂窩涂膠工藝進(jìn)行了廣泛的研究。

2.1 涂膠速度

涂膠速度過大，蜂窩的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度低。中航復(fù)材劉文品等人展開了節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度與芳綸紙透氣度、涂膠速度、膠液黏度三者關(guān)系的研究[21]。針對國產(chǎn)芳綸紙的特點(diǎn)，通過控制變量，驗(yàn)證了蜂窩節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度與涂膠速度成反比例關(guān)系。在其他條件不變時，降低涂膠速度有利于蜂窩節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的提高。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和理論計算得到下式結(jié)果:

而后針對透氣度不同的芳綸紙對理論模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計，驗(yàn)證了理論結(jié)果的可行性。

2.2 涂膠輥網(wǎng)紋深和寬

涂膠輥的網(wǎng)紋深、寬都會對涂膠工藝產(chǎn)生影響。羅玉清等人研究了涂膠輥深、寬對蜂窩孔格規(guī)整性的影響。針對孔格邊長1.83、2.75mm的蜂窩涂膠輥，在原來網(wǎng)紋深度和寬度的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計和改進(jìn)。

最后選定1#改進(jìn)輥和2#改進(jìn)輥?zhàn)鳛閮煞N規(guī)格最終使用的蜂窩涂膠輥，改進(jìn)前的蜂窩膠接邊邊長偏小，自由邊邊長偏大，呈現(xiàn)不規(guī)整六邊形，改進(jìn)后蜂窩膠接邊和自由邊邊長相當(dāng)，六邊形規(guī)整均勻。

當(dāng)孔格均勻時，輥紋寬，深也會影響芯條膠對芳綸紙的浸潤性和節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度。鄭付來等人研究了芯條膠黏度、輥紋深、寬對芳綸紙浸潤和節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的影響規(guī)律[22]。在研究中發(fā)現(xiàn)：使用網(wǎng)紋寬、網(wǎng)紋深的涂膠輥制作蜂窩時，J80芯條膠對YT822芳綸紙浸潤性更好，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度較高。但是使用網(wǎng)紋寬、網(wǎng)紋深的涂膠輥制作蜂窩時會對后續(xù)工序產(chǎn)生影響，在涂膠后拉伸時，容易出現(xiàn)蜂窩拉伸不開，達(dá)不到正常規(guī)格孔格的尺寸的現(xiàn)象；而網(wǎng)紋窄、網(wǎng)紋淺的涂膠輥制作的蜂窩拉伸時容易出現(xiàn)過拉伸的現(xiàn)象，如圖3所示。最終鄭付來等人根據(jù)涂膠輥紋深、寬對蜂窩力學(xué)性能和加工工藝的影響規(guī)律選擇網(wǎng)紋寬度為2.2mm、網(wǎng)紋深度為0.17mm的涂膠輥用于邊長2.75mm規(guī)格蜂窩的制造。使用該涂膠輥制作出蜂窩孔格規(guī)整性好，孔格尺寸與理論尺寸相差較少，數(shù)值偏差在允許誤差之內(nèi)。

圖3 蜂窩網(wǎng)格照片

2.3 疊合精度

疊合精度直接影響了芯條膠定位的準(zhǔn)確性和蜂窩孔格的規(guī)整性，采用合適的疊合定位方式可以提高芳綸紙蜂窩的疊合精度。

羅玉清等人研究了涂膠工藝對蜂窩孔格規(guī)整性和蜂窩節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的影響。通過對比打孔定位和對膠條定位兩種定位方法的疊合精度研究疊合定位方式對疊層板膠條規(guī)整性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用打孔定位的膠條豎直整齊，疊層板切割拉伸后規(guī)整性好，如圖4所示。而采用對膠條定位時膠條歪斜，孔格規(guī)整性差，如圖4所示。因此相比傳統(tǒng)的膠條定位，打孔定位方式蜂窩規(guī)整性更好，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和蜂窩其他力學(xué)性能也隨著規(guī)整性的提高而提高[23]。選擇合適的定位方式有利于提高芳綸紙蜂窩涂膠時的疊合精度和蜂窩的規(guī)整性。

圖4 采用打孔定位（左）和對膠條定位（右）疊層板橫截面

2.4 其他工藝參數(shù)

除了上述參數(shù)外，環(huán)境溫濕度、芳綸紙前后張力、輥筒攤膠余量、膠輥壓力、除濕溫度、烘干溫度和冷卻溫度等都會芳綸紙蜂窩涂膠過程和蜂窩性能產(chǎn)生影響[24]。

3 結(jié)束語

涂膠輥網(wǎng)紋深度和寬度、涂膠速度、疊合精度等涂膠參數(shù)都會對浸膠時的上膠量、后續(xù)工藝的正常進(jìn)行以及蜂窩的性能產(chǎn)生影響，涂膠、疊合工藝是芳綸紙蜂窩成型工藝的第一步也是關(guān)鍵步驟之一。通過對涂膠工藝進(jìn)行合理設(shè)計和把控可以有效保證后續(xù)工藝的順利進(jìn)行和蜂窩的力學(xué)性能。

芳綸紙蜂窩制造成本較高，且工藝參數(shù)復(fù)雜，在進(jìn)行工藝設(shè)計時可以借助有限元模擬工具，目前國外針對蜂窩工藝和性能模擬的研究較多，國內(nèi)的研究較少。