芳綸紙蜂窩芯材的制備技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展

張建明 黨曉娟

夾層結(jié)構(gòu)作為復(fù)合材料領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)形式之一，它由上下2層較薄的面板和較厚的輕質(zhì)芯材組成，芯材連接上下面板使之成為一種整體結(jié)構(gòu)，讓面板在承擔(dān)較高的拉壓應(yīng)力時(shí)不發(fā)生屈曲，同時(shí)將剪切應(yīng)力從面板層傳遞到芯材內(nèi)層，因此，夾層結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、彎曲剛度和強(qiáng)度大、抗失穩(wěn)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1，2]。該結(jié)構(gòu)形式首先在航空航天領(lǐng)域得到應(yīng)用，如英國的“蚊式”轟炸機(jī)上就采用了全木質(zhì)的夾層結(jié)構(gòu)[3]。

芳綸紙蜂窩芯材作為夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料用芯材之一，其具有天然蜂巢的六邊形結(jié)構(gòu)，用其制備成的夾層結(jié)構(gòu)具有比強(qiáng)度高、比剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)、隔音、隔熱、阻燃、燃燒時(shí)煙量少且毒性小等優(yōu)點(diǎn)。芳綸紙蜂窩芯材按照孔格形狀，主要分為六邊形蜂窩、過拉伸型蜂窩、增強(qiáng)六邊形蜂窩和柔性蜂窩[4]；按照芳綸紙的類型又可將芳綸紙蜂窩分為間位芳綸紙蜂窩芯材和對位芳綸紙蜂窩芯材（分子式見圖1所示）。間位芳綸是由間苯二甲酰氯和間苯二胺進(jìn)行界面縮聚或者低溫溶液縮聚制得，美國杜邦公司的Nomex@間位芳綸紙為其代表之一，國內(nèi)煙臺民士達(dá)特種紙業(yè)股份有限公司（以下簡稱“煙臺民士達(dá)”）、超美斯新材料等公司股份有限公司（以下簡稱“超美斯新材料”）也已形成間位芳綸紙的商業(yè)化生產(chǎn)；對位芳綸是由對苯二甲酰氯和間苯二胺縮聚制得，美國杜邦公司商品名為Kevlar@的芳綸紙就采用對位芳綸制作而成，國內(nèi)華南理工大學(xué)、深圳昊天龍邦復(fù)合材料有限公司及煙臺民士達(dá)也可生產(chǎn)與杜邦Kevlar@對位芳綸紙性能接近的產(chǎn)品。目前，間位芳綸紙蜂窩芯材應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域?yàn)楹娇蘸教臁④壍澜煌按暗取?/p>

1 芳綸紙蜂窩芯材制備技術(shù)

1.1 生產(chǎn)工藝流程

國內(nèi)外芳綸紙蜂窩芯材的常用生產(chǎn)工藝流程見圖2。該工藝最初源自美國，將芳綸紙開卷后經(jīng)過“涂芯條膠→疊合→芯條膠固化→拉伸→定型→浸膠→烘干固化→片切加工”等工序后制得芳綸紙蜂窩產(chǎn)品。與美國的生產(chǎn)工藝流程不同，俄羅斯應(yīng)技術(shù)封鎖的原因自行研究出了一套新的工藝流程，該工藝通過“在芳綸紙上浸膠→浸漬膠半固化→涂芯條膠→疊合→芯條膠固化→拉伸→定型→片切加工”等制得芳綸紙蜂窩產(chǎn)品[5]。這套工藝與美國的工藝流程相比，可有效提高芳綸紙蜂窩的密度均勻性，但其工藝控制難度大，需要芳綸紙、芯條膠及浸漬樹脂這些主要原材料與設(shè)備之間具有良好的匹配性。

1.2 具體工藝過程

涂芯條膠工序采用涂膠機(jī)將芯條膠涂印在芳綸紙上，常用的涂膠方式為凹印涂膠法。涂膠過程中涂膠輥依靠輥?zhàn)拥膲毫⑿緱l膠涂印到芳綸紙上，涂膠輥上凹槽的寬度和間距根據(jù)蜂窩的孔格邊長來確定。以正六邊形蜂窩芯材為例，膠條的理論寬度若為A，2條凹槽之間的中心距為4A；涂膠機(jī)將芳綸紙表面均勻的涂印上膠條后，根據(jù)需求將涂膠后芳綸紙裁切成一定的長度，按照錯(cuò)位疊合的方式進(jìn)行疊合操作：即上一張芳綸紙的膠條對應(yīng)下一張芳綸紙2個(gè)膠條的正中間，見示意圖3。

完成疊合工作后，進(jìn)行芳綸紙蜂窩疊板的壓制工作，壓制過程可在熱壓機(jī)或者熱壓罐中進(jìn)行，芯條膠在壓制過程完成固化，使蜂窩孔格的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度滿足后續(xù)拉伸及定型工序的工藝要求。對芳綸紙蜂窩疊板（疊條）進(jìn)行拉伸，拉伸前可將疊板（疊條）放入自來水中浸泡一定時(shí)間，降低拉伸過程中應(yīng)力，隨后將拉伸后的蜂窩放入烘房中進(jìn)行定型處理，定型溫度一般在芳綸紙玻璃化溫度附近，定型處理后可釋放芳綸紙的回彈應(yīng)力，使蜂窩孔格形狀固定，保證蜂窩產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性。定型完成后的芳綸紙蜂窩需要在浸膠機(jī)的膠槽中進(jìn)行浸膠處理，浸膠過程中應(yīng)將蜂窩孔格的軸向與水平面保持垂直，通過膠液密度、提升速度對蜂窩的上膠量進(jìn)行控制，可反復(fù)多次浸膠直到蜂窩密度達(dá)標(biāo)，2次浸膠之間一般會對蜂窩進(jìn)行烘干處理，烘干處理可避免蜂窩表面的樹脂在后續(xù)多次浸膠過程中再次溶于膠液中，降低蜂窩密度的控制難度。由于芳綸紙蜂窩的使用環(huán)境一般都有阻燃的要求，故芳綸紙蜂窩芯材的浸漬液一般選用熱固性酚醛樹脂，蜂窩固化后便可根據(jù)需要進(jìn)行加工制得成品。

1.3 芳綸紙蜂窩常見缺陷

芳綸紙蜂窩芯材與其他復(fù)合材料產(chǎn)品一樣，芳綸紙蜂窩芯材在制造過程中同樣會產(chǎn)生缺陷，常見的缺陷有雙層壁、嵌套孔格、堵膠、蜂窩表面氣泡、蜂窩節(jié)點(diǎn)寬/窄、s型孔格、人字形孔格等，各常見缺陷見圖4。

2 芳綸紙蜂窩芯材的應(yīng)用研究

2.1 航空航天領(lǐng)域

芳綸紙蜂窩芯材與面板結(jié)合制成夾層結(jié)構(gòu)后，可作為理想的結(jié)構(gòu)形式之一，在航空航天領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用（見圖5），在航空領(lǐng)域，芳綸紙蜂窩芯材的主要應(yīng)用部位包括襟翼、副翼、垂尾前緣、方向舵、鴨翼、機(jī)身、槳葉等部位，芳綸紙蜂窩芯材在國內(nèi)外部分機(jī)型上的具體應(yīng)用部位見表1[6，7]。近些年，國內(nèi)外研究人員針對芳綸紙蜂窩及其夾層結(jié)構(gòu)制備工藝開展了大量研究。袁超等[8，9]分析某型復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)方向舵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝路線得出，采用二次膠接工藝可保證復(fù)合材料零件表面質(zhì)量及內(nèi)部質(zhì)量；同時(shí)還分析了復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)J形梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝難點(diǎn)，通過組合工裝的設(shè)計(jì)，工藝參數(shù)的優(yōu)化和鋪疊過程多次抽真空預(yù)處理操作提高零件成型質(zhì)量。陳靜[10]對不同類型的復(fù)合材料面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同速度下的鳥撞試驗(yàn)，得出了以下結(jié)論：在較低鳥撞速度下，玻璃布面板的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)均比碳布面板的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)抗鳥撞能力強(qiáng)，且玻璃布面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)重量較低；在較高的鳥撞速度下，玻璃布面板的厚度越高，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的抗鳥撞能力越強(qiáng)、相同鋪層信息下的高溫碳布面板的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)抗鳥撞性能比中溫碳布面板的結(jié)構(gòu)弱。該試驗(yàn)為后續(xù)的抗鳥撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元數(shù)值模擬起到了非常有價(jià)值的指導(dǎo)意義。吳利敏等人[11]對U性夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料蒙皮制造技術(shù)進(jìn)行了研究，研究中從芳綸紙蜂窩芯局部穩(wěn)定輔助手工倒角、蜂窩外形控制等方面進(jìn)行工藝改進(jìn)，改善了過拉伸型芳綸紙蜂窩芯材手工修邊過程中倒角表面質(zhì)量，同時(shí)通過對蒙皮鋪層的交叉固持，有效地解決了蜂窩芯材收縮的問題。陳蔚等人[12]針對間位芳綸紙蜂窩與雙馬樹脂基復(fù)合材料制備夾層結(jié)構(gòu)時(shí)易出現(xiàn)蜂窩邊緣塌陷的問題，采用分步成型、蜂窩先膠接后修型的方法有效地解決了蜂窩塌陷的問題。

航空發(fā)動機(jī)作為飛機(jī)的心臟，其進(jìn)氣道聲襯、反推裝置中均使用了芳綸紙蜂窩芯材，如A320上所使用的國際航空發(fā)動機(jī)公司的V2500進(jìn)氣道聲襯中就使用了雙層結(jié)構(gòu)的芳綸紙蜂窩芯材，針對發(fā)動機(jī)中蜂窩結(jié)構(gòu)件的磨損故障，研究人員對環(huán)形結(jié)構(gòu)的蜂窩更換及修理工藝進(jìn)行了研究，分析確定了常見蜂窩更換修理質(zhì)量問題的形成原因[13]。

而在航天領(lǐng)域，針對新一代運(yùn)載火箭衛(wèi)星整流罩透波和減重的要求，設(shè)計(jì)人員提出玻璃纖維—芳綸紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的整流罩方案，通過透波試驗(yàn)和等效橫梁載荷靜力試驗(yàn)，對該結(jié)構(gòu)的透波承載性能進(jìn)行了考核，并在實(shí)際飛行中驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星整流罩[14]。另外，陳平等人[15，16]研制出Kevlar/Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)微帶陣天線電器板，發(fā)現(xiàn)采用Kevlar/Nomex雙層蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，可使微帶陣天線具有高增益、高功率、低旁瓣等特性，該結(jié)構(gòu)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)衛(wèi)星電氣板。

2.2 軌道交通領(lǐng)域

隨著國內(nèi)外高鐵技術(shù)的不斷發(fā)展，軌道交通已成為人們出現(xiàn)的主要交通工具之一，其在帶來生活和出行諸多便利的同時(shí)，本身的安全性和環(huán)保性現(xiàn)已成為關(guān)注的焦點(diǎn)，從節(jié)能減排的角度來講，軌道交通車輛的輕量化是衡量的主要標(biāo)志之一。芳綸紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)不僅可以減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，同時(shí)還具有隔音、阻燃、減震等優(yōu)異性能，該結(jié)構(gòu)現(xiàn)已在高鐵車輛的車廂側(cè)板、頂板、座椅、隔板、行李架以及天窗板等部位上得到應(yīng)用（見圖6）。芳綸紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的使用可降低車廂的重心以及車軸、軌道的負(fù)荷，減輕車輛質(zhì)量同時(shí)提高列車的速度[16]。國外高速列車上芳綸紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用已非常廣泛，如意大利ETR500高速列車、法國TGV高速列車、美國BART地鐵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)邊墻、天花板和行李架，歐洲隧道旅游車內(nèi)飾件上均采用了芳綸紙蜂窩—酚醛層壓板夾層結(jié)構(gòu)[17]。國內(nèi)CHR5型動車組是以意大利ETR500高速列車為原型，現(xiàn)在CHR5型動車的墻板、頂板、車窗、行李架、通過平臺頂板等均為芳綸紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)[18，19]。除了這些非承力件，芳綸紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)還在車頂、車身等主承力件上得到了應(yīng)用，如意大利ETR500列車車頂就采用密度為48kg/m3芳綸紙蜂窩與玻璃纖維增強(qiáng)酚醛樹脂預(yù)浸料，經(jīng)熱壓罐成型制備而成，該車頂不僅滿足列車車頂彎曲剛度、阻燃及耐老化性能的要求，還將車頂質(zhì)量由1 080k g降低至512k g[20]。未來芳綸紙蜂窩芯材在高鐵、輕軌等軌道交通上的批量應(yīng)用將成為必然。

2.3 其他領(lǐng)域

芳綸紙蜂窩芯材因其突出的各項(xiàng)性能，還被廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)葉片、船舶游艇、賽艇、滑雪板、房車等的制造（圖7）。

3 結(jié)語

隨著復(fù)合材料制備技術(shù)的不斷發(fā)展，未來芳綸紙蜂窩芯材在各領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛，但芳綸紙蜂窩芯材還存在著制造成本較高、主要原材料芳綸紙依靠進(jìn)口等問題。國內(nèi)芳綸紙生產(chǎn)廠家應(yīng)將重點(diǎn)放在紙張抄造、熱壓等關(guān)鍵工藝上，攻克芳綸紙蜂窩主要原材料芳綸紙制造關(guān)鍵技術(shù)，讓國產(chǎn)芳綸紙能用且好用，替代現(xiàn)有杜邦Nomex@芳綸紙，降低芳綸紙蜂窩制造成本，滿足不同領(lǐng)域?qū)Ψ季]紙蜂窩的需求。

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