徐挺 劉星 武海生 靳楠 于帥 楊淇帆

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

文摘 面向航天器對(duì)高性能緩沖材料的設(shè)計(jì)需求，采用重復(fù)壓縮循環(huán)加載、長(zhǎng)時(shí)恒壓強(qiáng)加載、長(zhǎng)時(shí)恒位移加載等多種加載方式，對(duì)三聚氰胺泡沫材料在不同狀態(tài)下的壓縮緩沖性能進(jìn)行了表征。分析了壓潰預(yù)處理、多次抽真空預(yù)處理、長(zhǎng)時(shí)壓縮處理等多種處理方式對(duì)三聚氰胺泡沫壓縮緩沖性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨著60%重復(fù)正壓縮次數(shù)增加，泡沫壓強(qiáng)-位移曲線逐步滯后；重復(fù)正壓50次后，泡沫發(fā)生9.8%永久塑性變形；負(fù)壓壓潰預(yù)處理對(duì)泡沫力學(xué)性能影響較大，6和8 mm泡沫最大壓強(qiáng)分別衰減至64%和66%；長(zhǎng)期恒位移壓縮兩個(gè)月后，泡沫壓強(qiáng)衰減14.88%。三聚氰胺泡沫壓縮試驗(yàn)結(jié)果可為后續(xù)航天器緩沖材料、緩沖結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)提供參考。

0 引言

三聚氰胺泡沫又名密胺泡沫，其分子結(jié)構(gòu)中含有大量的三嗪環(huán)結(jié)構(gòu)，由三聚氰胺樹脂和甲醛樹脂預(yù)聚體經(jīng)過固化發(fā)泡工藝發(fā)泡而成，形成開孔率達(dá)99%的三維網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)。相比傳統(tǒng)泡沫塑料如聚苯乙烯和聚氨酯，三聚氰胺甲醛泡沫具有優(yōu)異的吸音性、絕熱性、耐熱性、保溫性、阻燃性和緩沖性能，因而在公共場(chǎng)所、交通工具、道路隔音、汽車制造、管道保溫、鐵路船運(yùn)、航空航天等領(lǐng)域均具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值［1-6］。國(guó)外BASF 和Illbruck 公司生產(chǎn)的Basotect 和Illtec 系列軟質(zhì)密胺泡沫具有良好的機(jī)械性能、緩沖性能、隔音性能和隔熱性能［7］，占據(jù)了主要的高端市場(chǎng)份額，而國(guó)內(nèi)中原大化等公司生產(chǎn)的密胺泡沫目前還只應(yīng)用于低端的清潔產(chǎn)品及部分隔熱泡棉，在高性能產(chǎn)品方面仍需不斷改進(jìn)，如產(chǎn)品密度的穩(wěn)定控制、高低溫交變尺寸穩(wěn)定化控制以及產(chǎn)品加工尺寸的質(zhì)量控制等。

國(guó)內(nèi)航天器對(duì)高性能緩沖材料有迫切的需求，要求該材料質(zhì)地松軟，結(jié)構(gòu)/機(jī)構(gòu)裝配前可通過負(fù)壓抽真空消除占位，裝配完成卸壓后能自由可控回彈至指定裝配位置，提供適宜的壓縮緩沖回彈力，從而保證航天器機(jī)構(gòu)之間的相互壓緊且結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)。因此泡沫材料成為首選，在力學(xué)性能和緩沖性能方面，國(guó)內(nèi)對(duì)聚酰亞胺泡沫的研究比較深入［8-10］，針對(duì)三聚氰胺泡沫的壓縮緩沖性能，正壓或負(fù)壓處理對(duì)泡沫力學(xué)性能的影響，國(guó)內(nèi)目前未見報(bào)道。

為評(píng)估三聚氰胺泡沫壓縮緩沖性能，本文針對(duì)航天器高性能緩沖材料的需求特點(diǎn)，研制泡沫材料初始狀態(tài)的壓縮緩沖力學(xué)性能，重復(fù)循環(huán)壓縮對(duì)泡沫壓縮緩沖承載及壓縮永久變形的影響，模擬負(fù)壓抽真空處理對(duì)壓縮緩沖承載能力的影響，及長(zhǎng)周期承載狀態(tài)下，泡沫壓縮緩沖性能的穩(wěn)定狀態(tài)及壓強(qiáng)衰減百分比等開展研究，擬為后續(xù)航天器緩沖材料、緩沖結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

采用的三聚氰胺泡沫密度為8 kg/m3，由濮陽(yáng)綠宇新材料科技有限公司生產(chǎn)后，于溫控箱開展-150～200 ℃大梯度高低溫交變循環(huán)-長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定化處理，使溶劑徹底揮發(fā)，小分子完全反應(yīng)，泡沫骨架牢固。試樣規(guī)格為150 mm×150 mm，厚度分別為10、8、6 mm。試驗(yàn)開始前，試樣在溫度（23±5）℃，相對(duì)濕度小于65%的環(huán)境中放置48 h以上。

1.2 測(cè)試方法

1.2.1 初始狀態(tài)力學(xué)性能

為了解三聚氰胺泡沫產(chǎn)品使用過程中由初始自由狀態(tài)壓縮后提供的反向緩沖力的大小，設(shè)計(jì)將泡沫試樣由自由狀態(tài)（10 mm）壓縮至密實(shí)狀態(tài)（為保證試驗(yàn)機(jī)安全，密實(shí)狀態(tài)定為2 mm），測(cè)試該過程中的壓縮緩沖壓強(qiáng)的變化，評(píng)估其力學(xué)性能。參考GB/T 8813—2008，將泡沫試樣水平放置在加載平臺(tái)上，利用Instron 萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)將泡沫試樣由自由狀態(tài)10 mm 壓縮至2 mm，測(cè)試隨壓縮位移變化的壓縮載荷，記錄加載過程中的壓強(qiáng)-位移曲線。

1.2.2 重復(fù)壓縮力學(xué)性能

為模擬三聚氰胺泡沫產(chǎn)品重復(fù)裝配及多次地面試驗(yàn)過程中被裝配產(chǎn)品循環(huán)反復(fù)壓縮約60%厚度對(duì)泡沫材料力學(xué)性能的影響，設(shè)計(jì)50 次重復(fù)循環(huán)壓縮承載過程，測(cè)試過程中壓縮緩沖壓強(qiáng)隨壓縮位移的變化，評(píng)估其力學(xué)性能。參考GB/T 8813—2008，將泡沫試樣水平放置在加載平臺(tái)上，利用Instron 萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)將泡沫試樣由自由狀態(tài)10 mm 壓縮至4 mm（壓縮量60%），重復(fù)循環(huán)壓縮50 次，測(cè)試壓縮位移變化的壓縮承載力，記錄加載過程中的壓強(qiáng)-位移曲線，測(cè)量重復(fù)壓縮前后泡沫試樣的厚度。

1.2.3 負(fù)壓（抽真空）預(yù)處理后力學(xué)性能

為模擬機(jī)構(gòu)產(chǎn)品抽真空負(fù)壓狀態(tài)下裝配及反復(fù)裝/卸載過程對(duì)泡沫材料力學(xué)性能的影響，設(shè)計(jì)負(fù)壓抽真空預(yù)處理試驗(yàn)，測(cè)試多次負(fù)壓預(yù)處理完成后泡沫壓縮緩沖壓強(qiáng)的變化，評(píng)估其力學(xué)性能。機(jī)構(gòu)產(chǎn)品裝配極端工況將緩沖產(chǎn)品封閉抽真空提供裝配空間，抽真空裝配最大時(shí)間極限約為48 h，因此將該工況定位為壓潰預(yù)處理，模擬該產(chǎn)品極端工況，設(shè)計(jì)壓潰預(yù)處理試驗(yàn)，測(cè)試試驗(yàn)完成后泡沫壓縮緩沖壓強(qiáng)的變化，評(píng)估其力學(xué)性能。

（1）壓潰預(yù)處理，圖1為泡沫壓潰預(yù)處理示意圖，利用泡沫壓潰處理工裝，將全部測(cè)試泡沫試樣封裝成一個(gè)密封系統(tǒng)，抽真空，維持48 h 后，卸真空壓，泡沫測(cè)試樣品自由恢復(fù)24 h 后，泡沫樣品取出。參考GB/T 8813—2008，將泡沫試樣水平放置在加載平臺(tái)上，將泡沫由自由狀態(tài)壓縮至1 mm（密實(shí)狀態(tài)），測(cè)量三次重復(fù)壓縮-壓強(qiáng)位移曲線。

（2）多次抽真空預(yù)處理，按圖1所示處理封裝狀態(tài)分別將泡沫進(jìn)行50、100、150、200 次重復(fù)抽真空預(yù)處理，每次處理時(shí)，真空維持1 min，卸壓，維持1 min，處理完成后自由恢復(fù)時(shí)間不小于6 h，泡沫試樣取出，然后參考GB/T 8813—2008，將泡沫試樣由自由狀態(tài)壓縮至1 mm，記錄測(cè)試過程壓強(qiáng)-位移曲線。

圖1 泡沫壓潰預(yù)處理示意圖Fig.1 Schematic diagram of foam crushing pretreatment

1.2.4 長(zhǎng)周期壓縮試驗(yàn)

為模擬機(jī)構(gòu)產(chǎn)品地面試驗(yàn)長(zhǎng)期恒壓承載10 kPa［模擬被裝配產(chǎn)品承受壓強(qiáng)范圍為（10±2.5）kPa，試驗(yàn)取中間值］、地面及在軌試驗(yàn)長(zhǎng)期恒位移（壓強(qiáng)取最大值12.5 kPa 時(shí)）承載工況對(duì)泡沫力學(xué)性能的影響，設(shè)計(jì)長(zhǎng)期壓縮試驗(yàn)，測(cè)試長(zhǎng)時(shí)恒壓承載時(shí)泡沫位移的變化，及長(zhǎng)時(shí)恒位移承載時(shí)泡沫提供緩沖壓強(qiáng)的衰減變化，評(píng)估其性能。

（1）長(zhǎng)時(shí)壓縮力學(xué)性能（恒壓強(qiáng)）如圖2所示，對(duì)負(fù)壓預(yù)處理及連續(xù)壓縮試驗(yàn)后的泡沫開展壓強(qiáng)為10 kPa的長(zhǎng)時(shí)靜壓試驗(yàn)，將泡沫置于平臺(tái)上，根據(jù)壓強(qiáng)-位移曲線，記錄壓強(qiáng)為10 kPa對(duì)應(yīng)的載荷值，將對(duì)應(yīng)載荷等效為相應(yīng)質(zhì)量的重物，利用靜壓輔助工裝將重物置于泡沫上面，靜壓時(shí)間不小于30 d，第1天每3 h測(cè)試一次泡沫厚度，第1周每天測(cè)試一次泡沫厚度，之后每周測(cè)試一次泡沫厚度，記錄泡沫厚度值。厚度值采用高度尺測(cè)量。

圖2 長(zhǎng)期靜壓試驗(yàn)實(shí)物圖Fig.2 Picture of long-term static pressure test

（2）長(zhǎng)時(shí)壓縮力學(xué)性能（恒位移），根據(jù)已有泡沫測(cè)試數(shù)據(jù)及壓縮規(guī)律，首先將規(guī)定壓強(qiáng)的重物置于泡沫試樣的正上方，24 h 后記錄對(duì)應(yīng)的位移，并對(duì)該位移進(jìn)行鎖定，恒位移加載持續(xù)過程2 個(gè)月，并每周對(duì)其卸載一次，泡沫自由恢復(fù)0.5 h 后，緩慢分級(jí)加載，直至泡沫試樣壓縮至鎖定位移時(shí)，記錄重物的質(zhì)量，并計(jì)算對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)及壓強(qiáng)的衰減量。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

壓強(qiáng)：壓強(qiáng)=載荷/試樣受力面積；

壓強(qiáng)衰減量：壓強(qiáng)衰減量=（初始?jí)簭?qiáng)-剩余壓強(qiáng)）/初始?jí)簭?qiáng)×100%；

壓強(qiáng)-位移曲線：通過試驗(yàn)機(jī)軟件逐點(diǎn)記錄壓縮過程中的載荷與位移點(diǎn)，然后導(dǎo)出數(shù)據(jù)換算成壓強(qiáng)與位移點(diǎn)，整體導(dǎo)入Origin 2017 軟件中，設(shè)計(jì)生成壓強(qiáng)-位移曲線；

厚度-時(shí)間曲線：通過高度尺測(cè)量壓縮后泡沫厚度，記錄厚度與時(shí)間點(diǎn)，整體數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin 2017 軟件中，設(shè)計(jì)生成厚度-時(shí)間曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 初始狀態(tài)力學(xué)性能

如圖3 所示為泡沫由自由狀態(tài)10 mm 壓縮至2 mm過程中的壓強(qiáng)-位移的曲線。

圖3 泡沫10 mm壓縮至2 mm的壓強(qiáng)-位移曲線Fig.3 Pressure-displacement curve of foam compressed from 10 mm to 2 mm

由曲線可以看出，隨位移的變化，壓強(qiáng)逐漸變大，呈正相關(guān)。壓強(qiáng)-位移曲線大致可以分為線彈性段、平緩段和密實(shí)段，位移在0～0.7 mm時(shí)，曲線出現(xiàn)短暫的線彈性段，該曲線段壓強(qiáng)最大值為9.94 kPa，模量約為27.13 kPa；位移在2～6 mm過程中，曲線段較為平緩，壓強(qiáng)由11.44 kPa增加至18.35 kPa，模量約為1.58 kPa；位移增至6 mm以后，曲線為密實(shí)段，此時(shí)隨著位移的增加，壓強(qiáng)增加劇烈，而泡沫材料變得致密。

2.2 重復(fù)壓縮力學(xué)性能

圖4為泡沫50次重復(fù)壓縮的壓強(qiáng)-位移曲線，可看出，第一次重復(fù)壓縮時(shí)，泡沫壓強(qiáng)達(dá)到10 kPa時(shí)的壓縮位移為3.53 mm，第50 次重復(fù)壓縮后，泡沫壓強(qiáng)達(dá)到10 kPa時(shí)的壓縮位移為5.72 mm，且壓縮位移從自由狀態(tài)10 mm壓縮至6 mm時(shí)，最大壓強(qiáng)由第1次的16.25 kPa降至第50次的12.95 kPa。表明隨著重復(fù)壓縮次數(shù)的增加，泡沫壓強(qiáng)位移曲線呈現(xiàn)逐步滯后的現(xiàn)象，相同壓強(qiáng)對(duì)應(yīng)的壓縮位移逐漸增加，相同壓縮位移對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)逐漸減小。比較圖4（c），1到5次重復(fù)壓縮壓強(qiáng)-位移曲線和1-10-20-30-40-50次重復(fù)壓縮曲線，可看出泡沫相應(yīng)壓縮位移對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)發(fā)生不同程度的下降，從曲線初始段開始對(duì)比可知，泡沫在重復(fù)壓縮后至下一次壓縮后，泡沫厚度未發(fā)生完全回彈，經(jīng)50 次重復(fù)壓縮后，泡沫由測(cè)試前厚度10.33 mm變?yōu)闇y(cè)試后厚度9.32 mm，泡沫發(fā)生1.01 mm即9.8%的壓縮永久位移?？梢該?jù)此判斷泡沫壓縮位移6 mm，即50 次重復(fù)壓縮60%對(duì)泡沫本身性能產(chǎn)生影響，泡沫發(fā)生永久塑性變形。

圖4 泡沫重復(fù)壓縮50次的壓強(qiáng)-位移曲線Fig.4 Pressure-displacement curves of foam under repeated compression for 50 times

2.3 負(fù)壓預(yù)處理對(duì)泡沫力學(xué)性能的影響

2.3.1 無處理泡沫的壓縮試驗(yàn)

圖5為無處理6、8 mm泡沫壓縮壓強(qiáng)-位移曲線。從圖中可以看出，未經(jīng)過抽真空處理的泡沫壓縮壓強(qiáng)-位移曲線與之前的10 mm 厚度壓縮壓強(qiáng)-位移曲線趨勢(shì)一致，泡沫在壓縮載荷下，壓強(qiáng)-位移曲線大致可以分為線彈性段、平緩段和密實(shí)段，隨位移的變化，壓強(qiáng)逐漸變大，呈正相關(guān)。

圖5 無處理泡沫的壓強(qiáng)-位移曲線Fig.5 Pressure-displacement curves of untreated foam

2.3.2 壓潰預(yù)處理泡沫的壓縮試驗(yàn)

分別對(duì)6、8 mm 泡沫進(jìn)行壓潰預(yù)處理，處理完成后測(cè)試樣品自由恢復(fù)24 h 后進(jìn)行三次連續(xù)壓縮試驗(yàn)，圖6 為壓潰預(yù)處理后泡沫的壓強(qiáng)-位移曲線。從曲線可以看出，6、8 mm 泡沫的最大壓強(qiáng)分別由原來的25、45 kPa 衰減至16、30 kPa，同時(shí)10 kPa 壓強(qiáng)對(duì)應(yīng)的壓縮位移也分別由原來的3.7、5.5 mm 增加至4.5、6.3 mm，由此可見，壓潰預(yù)處理對(duì)泡沫機(jī)械性能的影響較大，6 和8 mm 泡沫能承受的最大壓強(qiáng)分別衰減至64%和66.7%。

圖6 壓潰預(yù)處理泡沫的壓強(qiáng)-位移曲線Fig.6 Pressure-displacement curves of foam after crushing pretreatment

2.3.3 多次抽真空預(yù)處理泡沫的壓縮試驗(yàn)

將經(jīng)過壓潰預(yù)處理后的泡沫試樣，再次封裝抽真空維持1 min，卸壓維持1 min，循環(huán)50、100、150、200次后卸壓，自由恢復(fù)時(shí)間≮6 h后進(jìn)行壓縮性能測(cè)試。圖7為真空預(yù)處理泡沫的壓強(qiáng)-位移曲線，對(duì)比了6、8 mm泡沫經(jīng)過無處理、壓潰預(yù)處理、50次抽真空預(yù)處理、100次抽真空預(yù)處理、150次抽真空預(yù)處理、200 次抽真空預(yù)處理后的壓強(qiáng)-位移曲線。從圖中可以看出，隨著預(yù)處理次數(shù)的增加，6 mm泡沫最大壓強(qiáng)出現(xiàn)了明顯衰減，由未處理的25 kPa衰減至約10 kPa，10 kPa對(duì)應(yīng)的壓縮位移也由初始狀態(tài)的2.4 mm增加至4.8 mm。而對(duì)于8 mm泡沫，最大壓強(qiáng)也出現(xiàn)了同步衰減現(xiàn)象，最大壓強(qiáng)由未處理的45 kPa衰減至25 kPa左右，壓強(qiáng)為10 kPa對(duì)應(yīng)的壓縮位移由初始的0.8 mm增加至5.8 mm。

圖7 抽真空預(yù)處理泡沫的壓強(qiáng)-位移曲線Fig.7 Pressure-displacement curves of vacuum pretreated foam

2.4 長(zhǎng)時(shí)壓縮力學(xué)性能

2.4.1 恒壓強(qiáng)壓縮

35 d長(zhǎng)期壓縮試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，從圖中曲線可以看出，6、8 mm 泡沫經(jīng)過壓潰預(yù)處理、50 次抽真空處理、100 次抽真空處理、150 次抽真空處理、200次抽真空處理后的泡沫試樣在恒定10 kPa 壓強(qiáng)壓縮的第15 d 之后泡沫厚度基本可以保持穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定狀態(tài)厚度為0.5～2 mm 厚度區(qū)間。經(jīng)過壓潰預(yù)處理和抽真空處理后的泡沫可以在2 d 內(nèi)迅速靠近穩(wěn)定泡沫壓縮厚度。

進(jìn)一步分析圖8（a）曲線可以發(fā)現(xiàn)，在壓潰預(yù)處理后，長(zhǎng)期10 kPa 恒壓強(qiáng)壓縮，已超過泡沫線彈性段和泡沫平緩段，而直接到達(dá)泡沫密實(shí)段，此時(shí)載荷工況已超過泡沫的柔性承載區(qū)間，壓潰處理完成后的循環(huán)抽真空處理次數(shù)對(duì)泡沫材料影響不大。

圖8 長(zhǎng)期靜壓試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Long term static pressure test results

2.4.2 恒位移壓縮

表1 為規(guī)定位移下三聚氰胺泡沫長(zhǎng)期恒位移壓縮后的壓強(qiáng)變化。從表1可以看出，隨著測(cè)試次數(shù)的增加，即壓縮時(shí)間的增加，三聚氰胺泡沫規(guī)定的緩沖位移能緩沖的壓強(qiáng)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)（部分?jǐn)?shù)據(jù)的偏差主要是受測(cè)量誤差影響），第9次測(cè)試結(jié)束后，即恒位移壓縮兩個(gè)月后，泡沫自由狀態(tài)壓縮至鎖定位移時(shí)，泡沫壓強(qiáng)由最初的12.5 kPa 衰減至10.64 kPa，衰減14.88%。

表1 規(guī)定位移下三聚氰胺泡沫的壓強(qiáng)變化Tab.1 Pressure change of melamine foam at specified displacement

3 結(jié)論

（1）三聚氰胺泡沫的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以分為初始線彈性段、平緩段和密實(shí)階段，隨位移的變化，壓強(qiáng)逐漸變大，呈正相關(guān)。（2）60%重復(fù)壓縮載荷工況下，隨著重復(fù)壓縮次數(shù)的增加，三聚氰胺泡沫壓強(qiáng)位移曲線呈現(xiàn)逐步滯后現(xiàn)象，相同壓強(qiáng)對(duì)應(yīng)的壓縮位移逐步增加，相同壓縮位移對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)逐步減小。經(jīng)歷50次重復(fù)壓縮后，泡沫發(fā)生9.8%的壓縮永久位移，泡沫發(fā)生永久塑性變形。（3）抽真空壓潰預(yù)處理對(duì)泡沫機(jī)械性能的影響較大，6和8 mm泡沫能承受的最大壓強(qiáng)分別衰減至64%和66%。（4）在壓潰預(yù)處理后，長(zhǎng)期10 kPa恒壓強(qiáng)壓縮，已超過泡沫線彈性段和泡沫平緩段，而直接到達(dá)泡沫密實(shí)段，此時(shí)載荷工況已超過泡沫的柔性承載區(qū)間，壓潰處理完成后的循環(huán)抽真空處理次數(shù)對(duì)泡沫材料影響不大。長(zhǎng)期恒位移壓縮兩個(gè)月后，泡沫自由狀態(tài)壓縮至鎖定位移時(shí)，泡沫壓強(qiáng)衰減14.88%。