鋁蜂窩夾層板熱管區(qū)域平面度控制方法研究

韋璐明 李 玲 沈 輝 邱保強(qiáng)

(1 上海復(fù)合材料科技有限公司，上海 201112)(2 上海航天樹脂基復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心，上海 201112)

鋁蜂窩夾層板熱管區(qū)域平面度控制方法研究

韋璐明1,2李 玲1,2沈 輝1,2邱保強(qiáng)1,2

(1 上海復(fù)合材料科技有限公司，上海 201112)(2 上海航天樹脂基復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心，上海 201112)

文 摘 主要研究蜂窩板熱管區(qū)域局部平面度超差的原因及控制方法。經(jīng)分析，蜂窩疊塊的尺寸精度以及膠膜固化后的厚度不均勻性是導(dǎo)致超差的主要原因，通過提高工裝均壓板的厚度，利用膠膜厚度的自適應(yīng)性彌補(bǔ)零部件尺寸累積偏差，提高平面度，并對(duì)新方法下產(chǎn)品剝離、剪切強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，該工藝方法可以在不影響產(chǎn)品力學(xué)性能的前提下大幅改善產(chǎn)品熱管區(qū)域平面度。

蜂窩結(jié)構(gòu)板，熱管，膠膜，平面度

0 引言

蜂窩結(jié)構(gòu)板是衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的重要組成部分，主要用于組成星體艙段、安裝儀器設(shè)備等[1-2]。衛(wèi)星蜂窩板內(nèi)常埋設(shè)熱管，單機(jī)儀器通過與熱管的貼合進(jìn)行快速散熱，蜂窩板熱管區(qū)域的平面度對(duì)單機(jī)的散熱有著重要的影響。此處平面度有較高的要求，一般為200 mm×200 mm/0.1 mm。蜂窩結(jié)構(gòu)板的基本組成結(jié)構(gòu)為面板、膠膜、蜂窩芯子[3]。面板為0.3 mm厚鋁面板，蜂窩芯子為正六邊形鋁蜂窩芯子，膠膜為環(huán)氧丁腈橡膠型黏合劑，厚度為0.2 mm。

衛(wèi)星用蜂窩板上的單機(jī)數(shù)量多，功率大，單機(jī)散熱的需求也高，且越來越多的熱管需要雙面使用，這就對(duì)蜂窩板上熱管區(qū)域的平面度提出了更高的要求。目前蜂窩板的制造工藝可以有效保證蜂窩板貼平臺(tái)一面的熱管區(qū)域平面度，相應(yīng)的，蜂窩、熱管、膠膜的尺寸公差均累積在均壓板面，當(dāng)蜂窩與熱管匹配高度差距過小，均壓板面的熱管區(qū)域就會(huì)凸起；反之，均壓板面的熱管區(qū)域會(huì)凹陷，如圖1所示。

本文就蜂窩板熱管區(qū)域局部平面度影響因素進(jìn)行簡(jiǎn)要敘述，并就針對(duì)提高工裝均壓板厚度對(duì)于提升平面度的影響進(jìn)行了試驗(yàn)和分析。

圖1 蜂窩、熱管高度匹配導(dǎo)致平面度超差

Fig.1 Flatness error led by height matching

1 影響因素分析

統(tǒng)計(jì)實(shí)際生產(chǎn)中所有出現(xiàn)超差的部位均位于均壓板面，且超差區(qū)域位置、面積無規(guī)律，超差程度不一。固化時(shí)，真空壓力的作用下，蜂窩、熱管都緊貼定位基板、平臺(tái)，因此蜂窩板貼固化平臺(tái)面的平面度取決于固化平臺(tái)的平面度及定位基板、墊板的厚度均一性。經(jīng)實(shí)測(cè)固化平臺(tái)的平面度優(yōu)于200 mm×200 mm/0.01 mm，精度較高；工裝鋁板及鋁面板，厚度偏差小于0.03 mm，局部平面度均優(yōu)于200 mm×200 mm/0.01 mm。因此蜂窩板貼固化平臺(tái)面的平面度能夠可靠的保證。

忽略鋁面板、工裝鋁板厚度偏差，為了保證均壓板面熱管局部平面度，就需要控制固化后蜂窩區(qū)域和熱管區(qū)域高度差，進(jìn)一步提高蜂窩、熱管尺寸精度、膠膜固化后厚度均勻性。

1.1 蜂窩對(duì)于平面度影響

蜂窩疊塊是通過印膠機(jī)在蜂窩芯鋁箔上印刷膠條后通過相應(yīng)設(shè)備疊合固化制成[4]，由于疊塊每層鋁箔較薄，一般為0.03～0.06 mm，疊合層數(shù)較多，一般為600層左右，切割機(jī)圓鋸片切割時(shí)刀片在鋸切割過程中存在受力不均，從而導(dǎo)致疊塊的尺寸不穩(wěn)定，一般控制在±0.1 mm內(nèi)。對(duì)蜂窩疊塊尺寸的切割精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖2所示，橫坐標(biāo)中尺寸偏差0為疊塊尺寸的理論基準(zhǔn)值，在±0.1 mm范圍內(nèi)分割為10個(gè)區(qū)間，縱坐標(biāo)表示各區(qū)間疊塊所占比例。

從圖2中可以看出，蜂窩疊塊高度在±0.1 mm范圍各個(gè)區(qū)間內(nèi)均有分布，且分布比較分散。通過篩選法挑選高精度尺寸疊塊成本過高。

對(duì)熱管統(tǒng)計(jì)精度分布列表，見圖3。橫坐標(biāo)尺寸偏差“0”為熱管尺寸的基準(zhǔn)值，以0.02 mm為橫坐標(biāo)刻度，縱坐標(biāo)表示各區(qū)間尺寸精度熱管所占比例。

從圖3中分析可知，熱管高度尺寸偏差分布在[-0.1，0]區(qū)間占75%，熱管為客戶提供件，為鋁型材拉擠成型，進(jìn)一步提高尺寸精度比較困難。

忽略膠膜厚度的不均勻，按照蜂窩疊塊與熱管理論高度尺寸階差0.2 mm為理想匹配，則當(dāng)兩種高度偏差累積超過0.1 mm記為超差。計(jì)算理論超差概率：

記Ai(i=1,2……12)，分別對(duì)應(yīng)熱管尺寸偏差[-0.12，+0.12]之間12個(gè)區(qū)間，各自區(qū)間概率記為P(Ai)；

記Bi(i=1,2……10)，分別對(duì)應(yīng)疊塊[-0.1，+0.1]之間10個(gè)區(qū)間，各自區(qū)間概率為P(Bi)；

熱管A1區(qū)間[-0.12,-0.10]超差，需對(duì)應(yīng)蜂窩(0，+0.1]區(qū)間，即B6～B10區(qū)間，則熱管尺寸位于A1區(qū)間超差概率為：記Ai(i=1,2……12)，分別對(duì)應(yīng)熱管尺寸偏差[-0.12，+0.12]之間12個(gè)區(qū)間，各自區(qū)間概率記為P(Ai)；

記Bi(i=1,2……10)，分別對(duì)應(yīng)疊塊[-0.1，+0.1]之間10個(gè)區(qū)間，各自區(qū)間概率為P(Bi)；

熱管A1區(qū)間[-0.12,-0.10]超差，需對(duì)應(yīng)蜂窩(0，+0.1]區(qū)間，即B6～B10區(qū)間，則熱管尺寸位于A1區(qū)間超差概率為：

(1)

根據(jù)公式(1)依次計(jì)算熱管A2～A12區(qū)間各概率分別為：

則理論超差概率為：

(2)

由此可見，忽略膠膜、工裝等因素的情況下，僅蜂窩與熱管零件狀態(tài)下的尺寸精度配合，就會(huì)導(dǎo)致蜂窩板熱管區(qū)域平面度存在一定超差風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)前蜂窩疊塊尺寸精度為±0.1mm，理論平面度超差概率為19.09%。若將精度提高至±0.05mm，經(jīng)計(jì)算，理論超差概率為11.55%，降低7.54%。因此將蜂窩尺寸精度提升至±0.05mm，可以提高熱管區(qū)域雙面平面度合格率，但生產(chǎn)成本會(huì)顯著提高，并且會(huì)延長(zhǎng)生產(chǎn)周期。

疊塊拉伸后形狀、面積變化較大，需進(jìn)一步研究拉伸后的蜂窩芯子對(duì)于熱管區(qū)域平面度的影響。將疊塊拉伸后，裁剪成200mm×200mm小塊，分別測(cè)量每件小塊高度差，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)所有蜂窩芯小塊高度差位于0.02～0.05mm，偏差很小且非常穩(wěn)定。

從本節(jié)中可以排除由于蜂窩芯自身的高度尺寸波動(dòng)導(dǎo)致的蜂窩區(qū)域自身局部平面度超差，但無法排除蜂窩高度偏差對(duì)熱管區(qū)域平面度的影響。

1.2 膠膜對(duì)于平面度影響

通過測(cè)量發(fā)現(xiàn)，膠膜固化后在熱管區(qū)域和蜂窩區(qū)域上的厚度存在較大差異：由于熱管接觸面大，膠膜固化時(shí)在熱管上的厚度變化小，在蜂窩區(qū)域，由于蜂窩格芯壁薄鋒利，固化時(shí)嵌入膠膜之中，膠膜固化前后厚度變化較大。從切割出熱管區(qū)域的蜂窩板試樣可以清楚的看到，膠膜均勻的黏覆在熱管面板，而蜂窩格芯則深沒在膠膜之中，剝離面板時(shí)可以明顯看到面板上的膠膜帶著蜂窩芯材，因此需要測(cè)定膠膜在熱管區(qū)域和蜂窩區(qū)域固化后厚度的值。

首先測(cè)試熱管區(qū)域膠膜固化后厚度，在60mm×60mm等高試塊上貼覆膠膜、面板進(jìn)行固化，測(cè)量試件高度確定膠膜殘余厚度。試件照片如圖4所示，試樣采用0.3mm厚鋁面板，0.2mm膠膜，固化后，每種類型試件等高試塊各兩件：固化后的試樣及高度變化統(tǒng)計(jì)見表1。

從表1中可看出,膠膜在面-面接觸區(qū)域固化后殘余厚度均勻，固化前后膠膜厚度變化不大。0.2mm厚膠膜在板-面接觸區(qū)域固化后殘余厚度為0.15～0.22mm。

表1 面-面區(qū)域試樣膠膜固化厚度

測(cè)定蜂窩區(qū)域膠膜固化后厚度采用在蜂窩上雙面貼覆膠膜、面板，各個(gè)試件單獨(dú)放置均壓板進(jìn)行固化，脫模后測(cè)量試件高度確定膠膜殘余厚度。試樣采用0.3 mm厚鋁面板，0.2 mm膠膜，蜂窩高度為24.30～24.36 mm，固化后試樣高度為24.90～25.00 mm，由此可知膠膜在蜂窩-面板接觸區(qū)域剩余厚度極小，固化前后膠膜厚度變化很大，蜂窩區(qū)域單面膠膜固化后殘余厚度在0～0.05 mm之間。

表2 固化后熱管區(qū)域/蜂窩區(qū)域高度偏差

表3可以看出，按照現(xiàn)行成型工藝方法，存在膠膜固化后不均勻?qū)е聼峁軈^(qū)域平面度超差的可能。極限偏差可達(dá)0.3 mm以上。

如將蜂窩疊塊的切割精度提高至±0.05 mm，固化后產(chǎn)品平面度超差極限程度會(huì)有所減輕，降為-0.15～+0.29 mm，但平面度依然存在超差的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，導(dǎo)致蜂窩板非貼平臺(tái)面熱管區(qū)域局部平面度超差的原因主要有：熱管高度尺寸偏差、蜂窩高度尺寸偏差以及膠膜在不同區(qū)域固化后厚度的不均勻。

2 工藝優(yōu)化試驗(yàn)

2.1 優(yōu)化方案及制作試驗(yàn)件

綜合分析，膠膜在熱管區(qū)域、蜂窩區(qū)域的固化后厚度不均勻 、蜂窩與熱管高度尺寸存在偏差，在固化真空壓力下，偏差全部累積在非貼平臺(tái)面，使得蜂窩板產(chǎn)品非貼平臺(tái)面的熱管區(qū)域平面度存在超差的風(fēng)險(xiǎn)。此外，技術(shù)水平及成本限制導(dǎo)致無法通過提高各零部件的尺寸精度來實(shí)現(xiàn)熱管區(qū)域雙面平面度的控制?？紤]到膠膜厚度的“可變動(dòng)”，通過提高均壓板的厚度即提高該側(cè)的剛度，用膠膜彌補(bǔ)該側(cè)的累積高度差。

提高均壓板厚度，可以提高工裝上表面的剛度，但也會(huì)對(duì)蜂窩膠接性能產(chǎn)生影響，因此試驗(yàn)采用公司常用的4、3、1.5 mm厚均壓板制作對(duì)比試驗(yàn)。

分別采用1.5、3、4均壓板進(jìn)行試驗(yàn)，每種均壓板分別制作2件試樣，試件外形尺寸1 200 mm×900 mm。采用200 mm刀口實(shí)測(cè)熱管區(qū)域平面度見表3。

表3 試樣平面度統(tǒng)計(jì)

4 mm均壓板平面度無超差，3 mm均壓板熱管區(qū)域只有局部小區(qū)域存在超差，且超差程度較小，1.5 mm均壓板超差區(qū)域較大，且超差程度大?？梢钥闯?，提高均壓板厚度可以明顯提高熱管區(qū)域的平面度。

2.2 力學(xué)性能測(cè)試

試件按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行無損檢測(cè)合格，所有試驗(yàn)件均無脫粘。

在試驗(yàn)件本體中截取試件，進(jìn)行力學(xué)性能驗(yàn)證，主要測(cè)試夾層剪切強(qiáng)度和90°剝離強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 力學(xué)性能測(cè)試統(tǒng)計(jì)

從表中可以看出，均壓板厚度的提高對(duì)于夾層的剪切強(qiáng)度影響較小，對(duì)于夾層90°剝離強(qiáng)度的影響是隨著厚度的增大，呈下降的趨勢(shì)。均壓板厚度從1.5 mm增大到3 mm，90°剝離強(qiáng)度平均值僅下降5%，并且遠(yuǎn)大于指標(biāo)值15 N/cm。相對(duì)于均壓板從1.5 mm增大到4 mm，剝離強(qiáng)度下降32%，明顯下降。因此采用3 mm均壓板可以在不影響產(chǎn)品膠接性能的前提下有效提高蜂窩板均壓板面熱管區(qū)域局部平面度。

3 結(jié)論

通過蜂窩板熱管區(qū)域平面度合格情況、蜂窩疊塊及膠膜對(duì)于熱管區(qū)域的影響，完成了對(duì)熱管區(qū)域平面度超差原因的分析，測(cè)定了不同膠膜在不同固化制度下的厚度。并通過提高均壓板厚度提升平面度，并用工藝試驗(yàn)驗(yàn)證了3 mm厚度均壓板的工藝可行性。

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[4] 蔣文革,蔣元興,付剛.鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)蜂窩拼接工藝研究究[C].全國復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議, 2000.

Analysis and Solution on Heat Pipe Area Flatness Tolerance for Honeycomb Sandwich Panel

WEI Luming1,2LI Ning1,2SHEN Hui1,2QIU Baoqiang1,2

(Shanghai Composite Material Science & Technology Co., Ltd, Shanghai 201112)(Shanghai Engineering Technology & Research Center of Aerospace Resin Based Composites, Shanghai 201112)

Apparatus losing heat by fitting with heat pipe embedded in honeycomb sandwich panel.This article aimed to analyze the factors affecting the heat pipe area flatness in honeycomb sandwich panel.The dimensional precision of honeycomb core and the uneven thickness of adhesive film panel after curing are the main causes. The main solution carried out is increasing the thickness of average pressure tooling board, which can compensate the parts’ cumulative dimensional deviation by adhesive film. The results showed that method could be applied to practical production.

Honeycomb sandwich panel, Heat pipe, Adhesive film, Flatness

2016-12-03

韋璐明，1989年出生，工程師，主要從事復(fù)合材料構(gòu)件的膠接裝配成型工藝工作。E-mail：roolmi@sohu.com

TB33DOI：10.12044/j.issn.1007-2330.2017.02.012