芳綸紙蜂窩外觀缺陷分析

劉杰 郝巍

(中航復合材料有限責任公司，北京 101300)

0 引言

復合材料夾層結(jié)構(gòu)是一種優(yōu)異的結(jié)構(gòu)形式，具有比強度高、比剛度高、質(zhì)輕和性能可設計等優(yōu)點，同時還具有隔聲、隔熱、保溫和透波等功能。在航空航天領域，夾層結(jié)構(gòu)主要用于飛行器的次承力結(jié)構(gòu)件，如機身整流罩、雷達罩、起落架艙門、口蓋等部位。近幾年，隨著復合材料制造技術的不斷發(fā)展，夾層結(jié)構(gòu)的應用已逐步擴大到汽車、建筑、船舶、軌道交通、風力發(fā)電葉片等領域，在這些領域得到了廣泛的應用［1］。

芳綸紙蜂窩芯材作為復合材料夾層結(jié)構(gòu)用芯材之一，因其突出的力學性能穩(wěn)定性、耐腐蝕性、阻燃性、耐環(huán)境性和透波性，在航空航天領域的應用最為廣泛［2］。國外對芳綸紙蜂窩的研究工作開展較早，已研制出六邊形、矩形、菱形等多種規(guī)格蜂窩［3］，結(jié)合有限元對蜂窩及其夾層結(jié)構(gòu)的壓縮、剪切和沖擊等性能開展了大量研究［4－6］;國內(nèi)研究人員在芳綸紙蜂窩國產(chǎn)化的過程中研究了國產(chǎn)芳綸紙蜂窩的制備工藝和力學性能［7－9］，并將芳綸紙性能與蜂窩性能結(jié)合后發(fā)現(xiàn)，影響芳綸紙蜂窩模量最重要的紙張性能是浸漬樹脂后紙張模量與厚度的乘積［10］，還有部分研究人員以芳綸紙蜂窩為基礎，開展了蜂窩結(jié)構(gòu)的吸聲、降噪和吸波等功能性研究［11－12］，對于芳綸紙蜂窩制作過程中常見的缺陷，僅美國Hexcel公司、北京航空材料研究院和中航復合材料有限責任公司等部分企業(yè)標準中對芳綸紙蜂窩缺陷的定義、缺陷的示意圖進行了簡單的描述，而針對這些缺陷產(chǎn)生的原因未見相關報道。本文總結(jié)了芳綸紙蜂窩芯材制備過程中常見的外觀缺陷，結(jié)合蜂窩的制備工藝，對這些缺陷產(chǎn)生的可能原因及造成的影響進行了分析，并提出具體的解決措施。

1 芳綸紙蜂窩生產(chǎn)工藝流程

芳綸紙蜂窩主要由芳綸紙、芯條膠和浸漬樹脂制作而成，根據(jù)芳綸紙原料的不同，芳綸紙蜂窩可分為對位芳綸蜂窩和間位芳綸紙蜂窩，因?qū)ξ环季]紙的主要原材料對位芳綸的分子結(jié)構(gòu)中酰胺基團位于苯環(huán)對位(1，4位)，分子鏈的剛性更大，使對位芳綸紙蜂窩較間位芳綸紙及蜂窩具有更優(yōu)異的力學性能;按孔格形狀的不同，又可將芳綸紙蜂窩分為正六邊形、過拉伸、單曲柔性、雙曲柔性、增強正六邊形等。由于正六邊形蜂窩易于自動化生產(chǎn)、節(jié)省材料、強度較高，過拉伸型蜂窩有利于L向單曲面成型，這兩種類型的蜂窩在國內(nèi)市場的應用最為廣泛。芳綸紙蜂窩的生產(chǎn)工序較多，主要分為涂膠、疊合、壓制、拉伸、定型、浸膠、固化和片切8道工序(圖1)，每道工序出現(xiàn)工藝問題均有可能對后一工序造成影響，導致蜂窩產(chǎn)生缺陷。

2 芳綸紙蜂窩常見缺陷及形成原因

2.1 涂膠壓制

芳綸紙蜂窩通常采用凹印涂膠的方式將芯條膠間隔涂印在芳綸紙上，涂膠后將一定長度的芳綸紙交錯疊合，疊合完成后在熱壓機或熱壓罐中加熱加壓固化，制成蜂窩疊板。涂膠壓制工序中，可能造成的缺陷有蜂窩局部拉絲、雙層壁、嵌套孔格、節(jié)點寬/窄等缺陷，部分缺陷示意圖見圖2。

造成這些外觀缺陷的可能原因有以下3點:

(1)芯條膠膠液中存在雜質(zhì)、較大的橡膠顆粒，膠液黏度過大或者涂膠速度過快時，可能造成涂膠過程中芯條膠出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象，絲狀芯條膠固化后會導致拉伸過程中蜂窩出現(xiàn)局部無法拉伸、未浸膠蜂窩壁表面破壞等缺陷;

(2)操作人員或者自動疊合機在進行疊合過程中未進行交錯疊合或者交錯疊合位置不正確，會導致疊板在拉伸后出現(xiàn)雙層壁缺陷、嵌套孔格缺陷和錐型孔格缺陷;

(3)涂膠輥印膠槽的寬度和深度偏大，芯條膠固化壓力過大時，會造成蜂窩節(jié)點寬;涂膠輥印膠槽的寬度和深度偏小，芯條膠固化壓力過小時，會造成蜂窩節(jié)點窄，還可能造成節(jié)點強度不足。

2.2 拉伸定型

拉伸定型工序中，將蜂窩疊板安裝在拉伸機上后，以一定速度對蜂窩疊板進行拉伸，當孔格尺寸達到工藝要求后，將拉伸后蜂窩固定在工裝上，隨后在高溫烘箱中將拉伸后蜂窩加熱至材料的玻璃化溫度，對蜂窩進行定型處理，制成未浸膠蜂窩塊。拉伸定型過程中，可能出現(xiàn)S型孔格、蜂窩局部開裂、人字形孔格等缺陷，部分缺陷示意圖見圖3。

造成這些蜂窩外觀缺陷的可能原因有以下3點:

(1)蜂窩未拉伸到規(guī)定的尺寸時會出現(xiàn)S型孔格缺陷，而拉伸速度過快或者節(jié)點強度不足時，易造成蜂窩局部開裂;

(2)蜂窩拉伸過程中蜂窩局部的展開速度不一致，出現(xiàn)一部分展開，而另一部分未展開的現(xiàn)象，在展開和未展開的交界處，易出現(xiàn)人字形孔格缺陷，而造成蜂窩展開速度不一致的原因可能是拉伸速度過快或者蜂窩局部的粘連;

(3)蜂窩在定型過程中受熱不均勻也會造成蜂窩局部開裂。

2.3 浸膠固化

在浸膠固化工序中，首先將未浸膠蜂窩塊浸泡至樹脂溶液中，將蜂窩以一定速度提升出樹脂溶液，反復多次直至蜂窩達到要求的密度后，在高溫烘箱中加熱固化，制成蜂窩塊。浸膠固化過程中，可能出現(xiàn)蜂窩孔格堵膠、蜂窩孔格氣泡、蜂窩局部缺膠、蜂窩外觀色差等缺陷，部分缺陷示意圖見圖4。造成這些蜂窩外觀缺陷的可能原因有以下5點:

(1)拉伸時因蜂窩疊板局部有芯條膠拉絲、芳綸紙透膠等工藝缺陷，會造成蜂窩孔格無法拉開或拉伸后出現(xiàn)蜂窩壁破壞，破壞部位的芳綸纖維凸起后阻擋樹脂的流動，造成蜂窩孔格堵膠;

(2)蜂窩在拉伸過程中出現(xiàn)表面劃傷且劃傷在浸膠前未去除，會造成浸膠后在劃傷處堵膠;

(3)對于局部蜂窩孔格未拉開或者堵膠的蜂窩，在蜂窩孔格堵膠的背面則易出現(xiàn)蜂窩局部缺膠的現(xiàn)象;

(4)蜂窩孔格出現(xiàn)氣泡缺陷的原因可能是白蜂窩壁破壞部位纖維凸起較少，未引起蜂窩堵膠缺陷，但樹脂在流過凸起的纖維時，會與蜂窩壁形成一個空腔，蜂窩在固化后形成蜂窩孔格氣泡缺陷;也可能是蜂窩固化前溶劑含量較大，在高溫下溶劑揮發(fā)過快，導致蜂窩孔壁出現(xiàn)氣泡缺陷;還有可能是浸漬樹脂(通常為酚醛樹脂)在固化過程中小分子釋放，造成蜂窩孔壁出現(xiàn)氣泡缺陷;

(5)蜂窩外觀色差的主要原因是蜂窩溶劑揮發(fā)不均勻或者烘干固化時風速不均勻。

2.4 片切

片切工序根據(jù)客戶需求將固化后蜂窩塊片切為不同的高度，在片切過程中可能出現(xiàn)蜂窩表面起毛、蜂窩高度公差過大、節(jié)點開膠等缺陷，片切節(jié)點開膠缺陷示意圖見圖5。造成這些蜂窩缺陷的可能原因有以下2點:

(1)片切機帶鋸鋸齒過大，片切速度過快會造成芳綸纖維從蜂窩孔壁中拔出，引起蜂窩的表面起毛，而帶鋸選擇不當、進刀速度和帶鋸線速度設定不當會造成蜂窩高度公差過大;

(2)蜂窩局部的節(jié)點開膠缺陷一般出現(xiàn)在低高度的蜂窩中，主要是由于操作工人在轉(zhuǎn)運蜂窩產(chǎn)品過程中操作不當造成。

3 減少蜂窩外觀缺陷的措施

芳綸紙蜂窩制作的每道工序均有可能使產(chǎn)品出現(xiàn)缺陷，而涂膠壓制工序是各工序中保證蜂窩質(zhì)量最為關鍵的一道工序，在該工序中出現(xiàn)芯條膠拉絲、透膠，疊合位置不正確，芯條膠含膠量不足、壓制壓力不適宜等問題均會對芳綸紙蜂窩的后續(xù)制作造成影響。針對涂膠壓制工序的缺陷，可通過對涂膠機局部隔離后加裝空調(diào)、除濕設備對環(huán)境溫濕度進行控制，降低拉絲現(xiàn)象;通過自動化疊合設備提高疊合精度，減少雙層壁缺陷、嵌套孔格缺陷和錐型孔格缺陷，通過加裝膠液過濾設備，減少膠液中的雜質(zhì)，提高涂膠質(zhì)量;優(yōu)化涂膠輥印膠槽的尺寸，綜合考慮含膠量和壓制擠寬寬度，可保證蜂窩的節(jié)點寬度。

涂膠質(zhì)量的保證可減少蜂窩在拉伸過程中出現(xiàn)人字形孔格缺陷的出現(xiàn)，若拉伸過程中發(fā)現(xiàn)蜂窩局部出現(xiàn)了人字形孔格缺陷，應當降低拉伸速度，同時通過熱水對局部進行加熱，減少或者去除人字形孔格缺陷;蜂窩在定型過程中出現(xiàn)的局部開裂現(xiàn)象除增加節(jié)點強度外，還需要對烘房熱風的均勻性進行控制，使蜂窩均勻受熱，減少受熱不均產(chǎn)生的內(nèi)應力，從而導致蜂窩局部開裂。

同樣，蜂窩的涂膠質(zhì)量得以保證后，可減少蜂窩在固化后出現(xiàn)蜂窩孔格堵膠、蜂窩孔格氣泡和局部缺膠等缺陷，若在浸膠后(樹脂未固化)發(fā)現(xiàn)蜂窩孔格已經(jīng)出現(xiàn)堵膠現(xiàn)象，可采取物理的方法去除蜂窩堵膠;因溶劑揮發(fā)不充分而導致的蜂窩孔格氣泡，可通過延長蜂窩晾置時間來減少缺陷，而因酚醛樹脂反應時小分子釋放而產(chǎn)生的氣泡缺陷，可通過增加固化臺階、減少每次浸膠的上膠量等措施來減少缺陷的產(chǎn)生;在蜂窩凈化和烘干固化時對風速進行有效控制，使溶劑均勻揮發(fā)，整塊蜂窩上的樹脂固化速度保持基本一致，可有效減少蜂窩外觀顏色不均勻的缺陷產(chǎn)生。最后，在片切加工時選擇適合的片切帶鋸，調(diào)整進刀速度和線速度在合理范圍內(nèi)，可解決蜂窩表面纖維毛較多的問題。芳綸紙蜂窩部分外觀缺陷形貌見圖6。

4 結(jié)論與建議

隨著芳綸紙蜂窩國產(chǎn)化研制工作的開展，國內(nèi)現(xiàn)已實現(xiàn)芳綸紙及芳綸紙蜂窩的國產(chǎn)化，國產(chǎn)芳綸紙蜂窩的性能已達到Hexcel公司、歐洲復合材料公司等國外先進芳綸紙蜂窩制造商的性能指標要求，但受國產(chǎn)芳綸紙和芯條膠工藝性的影響，國產(chǎn)芳綸紙蜂窩在制作過程中易出現(xiàn)透膠、節(jié)點膠拉絲等工藝問題，針對這些工藝問題，研究人員提出了部分解決辦法，但還未完全解決這些工藝問題。建議在今后的研究工作中重點關注芳綸紙蜂窩制備過程中的各種缺陷，找出缺陷產(chǎn)生的根本原因，進一步提高國產(chǎn)芳綸紙蜂窩的質(zhì)量，并評估這些外觀缺陷對蜂窩性能的影響程度，確定這些缺陷的可接受范圍。

［1］中國航空工業(yè)集團公司復合材料技術中心.航空復合材料技術［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2013:62－66.

［2］沃丁柱.復合材料大全［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2000.

［3］ HEXCEL Composites.HexWeb Honeycomb Attributes and Properties［S］.

［4］LEE H S，HONG SH，LEE JR，et al.Mechanical behavior and failure process duringcompressive and shear deformationof honeycomb composite at elevatedtemperatures［J］.Journal of Materials Science，2002，37:1265–1272.

［5］KIM DS，LEEJR.Compressive Mechanical properties of the nomex/thermoset honeycomb cores［J］.Polymers for Advanced Technologies，1996，8:1 – 7.

［6］CASTANE B，AMINANDA Y，BARRAU J J，et al.Discrete modeling of the crushing of nomexhoneycomb core and application to impactand post－impact behavior of sandwichstructures［M］.Dynamic Failure of Composite and Sandwich Structures，2013:427－489.

［7］郝巍，羅玉清.國產(chǎn)對位芳綸紙蜂窩性能的研究［J］.高科技纖維與應用，2009，34(6):21－25.

［8］郝巍，羅玉清.國產(chǎn)間位芳綸紙蜂窩與NH－1蜂窩性能的對比研究［J］.高科技纖維與應用，2011，36(4):21－24.

［9］馬科峰，劉杰，王萌，等.三種間位芳綸紙蜂窩力學性能及斷口形貌分析［J］.工程塑料應用，2017，44(2):32－36.

［10］王厚林，王宜，姚運振，等.芳綸紙蜂窩力學性能與紙張性能相關性的研究［J］.功能材料，2013，44(3):349－352.

［11］楊軍偉，蔡俊，邵驄.微穿孔板－蜂窩夾芯復合結(jié)構(gòu)的隔聲性能［J］.噪聲與振動控制，2013，33(4):122－125.

［12］趙宏杰，嵇培軍，胡本慧，等.蜂窩夾層復合材料的吸波性能［J］.宇航材料工藝，2010，40(2):72－76.