芳綸紙蜂窩涂膠工藝的現(xiàn)狀及發(fā)展

袁榮 周慧慧 杜永華 孫達(dá)

1. 國(guó)營(yíng)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(jì)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(guò)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(guó)同時(shí)開(kāi)展，其蜂窩成型工藝在涂膠和浸膠順序上與美國(guó)有所不同，現(xiàn)在普遍認(rèn)為美國(guó)Hexcel蜂窩成型工藝最佳，成型難度小，但成型過(guò)程中的浪費(fèi)率高[7]。

芳綸紙涂膠、疊合過(guò)程是芳綸紙蜂窩芯材成型的第一步也是關(guān)鍵一步[8]。對(duì)涂膠過(guò)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(guò)程中涂膠、疊合過(guò)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(duì)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(lái)源于美國(guó)，過(guò)程包括芳綸紙涂膠、鋪疊、疊層板壓制、切割、拉伸展開(kāi)、定型、浸膠、凈化、固化、去余料、片切、檢測(cè)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(shù)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(shù)脂上膠厚度的增加也會(huì)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(huì)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(jì)時(shí)，可以考慮通過(guò)提高芳綸紙蜂窩成型時(shí)的上膠量增強(qiáng)蜂窩的力學(xué)性能[19]。

2 涂膠工藝對(duì)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(duì)涂膠、鋪疊過(guò)程工藝參數(shù)進(jìn)行控制能夠保證芳綸紙蜂窩成型過(guò)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(zhǎng)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(guò)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(gè)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(shí)樹(shù)脂增量，進(jìn)一步影響蜂窩力學(xué)性能。影響蜂窩涂膠過(guò)程和芳綸紙蜂窩芯材性能的參數(shù)有很多，國(guó)內(nèi)外針對(duì)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(guò)大，蜂窩的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度低。中航復(fù)材劉文品等人展開(kāi)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(duì)國(guó)產(chǎn)芳綸紙的特點(diǎn)，通過(guò)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(shí)，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(jì)算得到下式結(jié)果:

而后針對(duì)透氣度不同的芳綸紙對(duì)理論模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，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(huì)對(duì)涂膠工藝產(chǎn)生影響。羅玉清等人研究了涂膠輥深、寬對(duì)蜂窩孔格規(guī)整性的影響。針對(duì)孔格邊長(zhǎng)1.83、2.75mm的蜂窩涂膠輥，在原來(lái)網(wǎng)紋深度和寬度的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)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(zhǎng)偏小，自由邊邊長(zhǎng)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(zhǎng)相當(dāng)，六邊形規(guī)整均勻。

當(dāng)孔格均勻時(shí)，輥紋寬，深也會(huì)影響芯條膠對(duì)芳綸紙的浸潤(rùn)性和節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度。鄭付來(lái)等人研究了芯條膠黏度、輥紋深、寬對(duì)芳綸紙浸潤(rùn)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(shí)，J80芯條膠對(duì)YT822芳綸紙浸潤(rùn)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(shí)會(huì)對(duì)后續(xù)工序產(chǎn)生影響，在涂膠后拉伸時(shí)，容易出現(xiàn)蜂窩拉伸不開(kāi)，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(shí)容易出現(xiàn)過(guò)拉伸的現(xiàn)象，如圖3所示。最終鄭付來(lái)等人根據(jù)涂膠輥紋深、寬對(duì)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(zhǎng)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(duì)蜂窩孔格規(guī)整性和蜂窩節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的影響。通過(guò)對(duì)比打孔定位和對(duì)膠條定位兩種定位方法的疊合精度研究疊合定位方式對(duì)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(duì)膠條定位時(shí)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(shí)的疊合精度和蜂窩的規(guī)整性。

圖4 采用打孔定位（左）和對(duì)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(huì)芳綸紙蜂窩涂膠過(guò)程和蜂窩性能產(chǎn)生影響[24]。

3 結(jié)束語(yǔ)

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(huì)對(duì)浸膠時(shí)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(guò)對(duì)涂膠工藝進(jìn)行合理設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)可以借助有限元模擬工具，目前國(guó)外針對(duì)蜂窩工藝和性能模擬的研究較多，國(guó)內(nèi)的研究較少。