PMI泡沫材料在航天器结构中应用的可行性研究

PMI(2023-9-2714:03:31) 关键词：泡沫材料夹层构造性能比较应用前景参加保藏>> 阅读(731)┆评论(0)┆保藏(0)PMIPMI1目前，航天器夹层构造所用的芯材主要有铝蜂窝、Nomex蜂窝，其中铝蜂窝航天器的构造上使用泡沫夹层构造，如Delta火箭的整流罩、鼻锥、隔热屏等沫材料中，聚甲基丙烯酰亚胺〔简称PMI〕是在一样密度的条件下，比强度和比模量最高的泡沫材料。目前已商品化的PMI泡沫有德国赢创德固赛〔EvonikDegussa〕ROHACELL®FORMAC®。泡沫夹层构造的争论和应用才刚刚起步【1】【2】【3】，无论是在材料性能、还是工艺争论方面，都还需广泛、深入地开展工作。本文针对ROHACELL®51WFPMI材料性能本文通过试验争论了作为航天器材料的几个重要性能，包括物理性能、力学〔NASA〕等争论机构的试验报告。物理性能151WF71XT1性能单位51WF71XT密度kg/m35275热膨胀系数〔20℃〕1/K3.11x10-53.13x10-5热导率W/m*K0.028～0.034－热变形温度℃205240〔2.0GHz～26.5GHz〕1.05～1.11－〔2.0GHz～26.5GHz〕3~61x10-4－力学性能作为夹层构造的芯材，PMI2给出了试验测得的51WF和71XT的各项力学性能。2力学性能Table2Mechanicalproperties性能单位51WF71XT试验方法压缩强度MPa0.81.7ISO844拉伸强度MPa1.62.2ISO527-2剪切强度MPa0.81.4DIN53294弹性模量MPa75105ISO527-2剪切模量MPa2442DIN53294断裂延长率%34ISO527-2吸湿性能51WF71XT23℃，3.7%50d注：1)51WF71XT测试前经过枯燥处理：130℃/2h；2)HT表示经过高温热处理:130℃/2h;180℃/48h〔以下HT此一样〕1吸湿量与存放时间的关系压缩蠕变性能除了物理性能、力学性能、吸湿性能以外，作为芯材还需要确认泡沫能不能满足夹层构造的成型工艺要求。通常在固化过程中，泡沫必需能够在一段时间内，承受温度和压力的产生的形变。作为聚合物泡沫材料，PMI通过热压罐试验测得未经枯燥处理的51WF71XT的质量损失率和压缩蠕变率，结果见表3。在试验条件1下，两种泡沫材料均发生了严峻的收缩，横截面由原来的矩形变成了梯形。3质量损失与压缩蠕变12牌号165℃，0.55MPa，2h质量损失率〔%〕 压缩蠕变率〔%〕130℃，0.12MPa，2h质量损失率〔%〕 压缩蠕变率〔%〕51WF1.72 ——1.97 3.4671XT2.92 ——1.08 3.98针对51WF进展枯燥〔或枯燥＋高温处理后，测试了三个试验条件下的压缩蠕变率，结4。表4 51WF的压缩蠕变率125℃，0.3MPa，2h180℃，0.7MPa，2hRTM牌号51WF1.5%牌号51WF-HT3.5%牌号51WF1.5%针对71XT进展枯燥〔或枯燥＋高温〕处理后，测试了在不同外压条件下的压缩蠕变率，2是压缩蠕变率与压力的关系曲线。注：1〕71XT的试验条件180℃/2h；2〕71XT-HT的试验条件190℃/4h。图2 71XT的压缩蠕变率与压力的关系热真空性能51WF71XT3时间的关系曲线。热真空试验条件如下：1)真空度≤1.3x-0Pa2)温度-20℃～+80℃升降温速率0.5℃/min6h4.5h循环次数：6.5次3热真空试验条件551WF、71XT试样的体积变化和质量损失。5热真空试验后的体积、质量变化编号体积变化率〔％〕质量损失率〔％〕51WF-10.981.4851WF-20.871.2571XT-10.942.1370XT-20.902.01注：全部试样未经预处理。在真空环境下，材料释放出的物质在热控面板、太阳电池阵、光学部件等敏感外表上沉少太阳电池片的光吸取率。因此，很有必要争论泡沫材料的真空放气性能。依据ASTME-595标准，针对三种不同预处理的51WF试样做了真空放气试验，试验结6。6放气性能编号〔TML〕水蒸气回吸量〔WVR〕挥发物分散量(CVCM)(%)(%)(%)51WF-HT1〕2.092.050.0251WF2〕3.642.160.0351WF-HT3〕2.731.890.008注：1〕预处理方法：121℃/2h，160℃/20h，182℃/48h2〕预处理方法：121℃/2h3〕预处理方法：121℃/2h，82℃/16h物理性能目前，航天器夹层构造常用的铝蜂窝芯材的密度为27kg/m3~52kg/m3，51WF71XT两种泡沫芯材的密度与之相比较高。1的热膨胀系数可知，常温条件下51WF71XT的热膨胀系数与铝合金接近，在同一数量级内，较复合材料的热膨胀系数要高一个数量级。在全部传统的非真空隔热体中，闭孔泡沫材料PMI的热导率是最低的。51WF71XT200℃以上，能够耐受常用夹层构造的固化温度。51WF2.0GHz～26.5GHz的频率范围内，表现出低的、稳定的介电常数和低输电磁波的构造。力学性能选取了航天器夹层构造常用的两种铝蜂窝芯材HC-1、HC-2，以及另一种密度和71XT相近的铝蜂窝芯材HC-351WF、71XT比照了构造设计所关心的压缩强度和剪切强度，具体74。编号密度容重压缩强度剪切强度〔编号密度容重压缩强度剪切强度〔MPa〕(kg/m3)〔pcf〕〔MPa〕纵向(L)横向(W)HC-1271.690.450.440.24HC-2523.251.501.150.67HC-3774.812.882.181.2551WF523.250.800.8071XT754.691.701.404泡沫芯材与铝蜂窝芯材力学性能的比较51W71XT〔或容重的铝蜂窝芯材压缩强度低40～50%；剪切强度介于铝蜂窝芯材横向剪切强度和纵向剪切强度之间，泡沫材料无方向性，这与铝蜂窝芯材不同。为了提高泡沫夹层构造的压缩性能和剪切性能，近年来消灭了几种的工艺方法：利用Z向纤维增加夹层构造这种方法包括缝合法和穿刺法。缝合法是指借助专用的4】对全厚度缝合泡沫夹层构造的力学性能进展了争论。穿刺法是借助特别的针具将面板增加材料李地红、王兵等人【5】【6利用Z向销钉增加复合材料面板的夹层构造Aztex公司利用Z-Fiber®(完全固化的纤维/树脂针)X-CorTMK-CorTMAztex公司的容限提高【7】。吸湿与压缩蠕变性能由吸湿性能争论结果得知PMI泡沫的吸湿率较高，假设不对泡沫材料进展枯燥〔或枯燥＋高温〕处理，经过热压罐工艺试验条件后，质量损失较大〔1%～3%〕、压缩蠕变率也较大〔>3%〕，有些甚至严峻收缩。因此在使用前，泡沫芯材必需经过枯燥〔或枯燥＋高温〕处理。一般认为，压缩蠕变率<2%是可承受的。使用泡沫材料前，需通过试验找出压缩蠕变率与〔见图2〕，在夹层构造固化成型过程中，有两个因素影响着尺寸稳定性，尤其是厚度方向。一个是厚度，需通过工艺试验来确定泡沫芯材的过盈量。热真空性能为了避开材料在真空环境下放气对航天器某些部位造成污染，一般对航天器用构造材料的放气性能要求如下【8】：总质量损失(TML)<1%挥发物分散量(CVCM)<0.1%由热真空性能试验结果得知PMI泡沫的总质量损失为1%～4%，但通过比较水蒸气回吸量〔WVR〕觉察，其质量损失主要是泡沫内部水气蒸发的结果，除去水蒸气的量，TML根本1%以内，CVCM满足<0.1%的要求。可行性及应用前景分析可行性分析假设仅作为承力构造考虑，一般的泡沫芯夹层构造和铝蜂窝芯夹层构造相比在构造效率方面处于劣势。但是，假设承受Z向纤维或Z向销钉增加的方法，则可以使力学性能到达甚至超过一样容重的铝蜂窝夹层构造【9】，而且这种增加方法具有可设计性，能依据力学性能要求设计Z向纤维或销钉的角度、密度等。应用前景PMI泡沫材料具有独特的物理性能和优良的加工工艺性能，使得它在航天器的一些构造中有望得到应用，包括：多功能构造/件。利用优异的介电性能和隔热性能，制造微带阵单元。微带阵单元不仅可用于天线，也可作为卫星/飞船的构造板。3〕利用优异的介电性能，可制造夹层构造的集成电路板。此种夹层构造既可以作为构造件使用，也同时具备电路板的功能。变截面构造其传递载荷的端部渐渐缩减，使内、外面板最终合在一起，不仅能使载荷能直接传递到夹层构造的内、外面板上，而且可以简化连接处的设计。此设计可以提高构造承载效率，还保证，而使用泡沫芯材则可以有效地解决上述问题。杆、梁构造分析说明，在杆件内填充轻质芯材可以提高壳构造的抗屈曲承载力量和承载效率。特别连接接口。天线构造1〕对于固定反射面的天线，利用热成型+机加的工艺可以最大限度地削减泡沫芯材的内应力，从而提高反射面的精度。2〕对于平面螺旋天线和阵面天线安装板，构造的主要要求为：除螺旋线外，其余构造材料的介电常数要尽可能低，而PMI泡沫极低且稳定的介电常数刚好满足这一要求。3〕对于微带阵SAR天线，PMI泡沫的作用是不行替代的。结论通过争论觉察，PMI构造、杆、梁构造、天线构造等方面得到应用，给航天器构造设计、制造供给了更多的选择。参考文献〔References〕.2023,21,(2):3-6唐妹红，居建国.PMI高性能泡沫夹层材料在航天产品中的应用争论，第十五届全国复合材料学术会谈论文集〔上〕，2023：434-436孙春方，李文晓等.高速列车用PMI泡沫力学性能争论，玻璃钢/复合材料，2023,(4):13-15郑锡涛，孙秦等.全厚度缝合复合材料泡沫芯夹层构造力学性能争论与损伤容限评定，复合材料学报，2023,23，(6):29-36王兵，吴林志等.纤维柱增加泡沫复合材料夹芯板的力学性能争论，第十五届全国复合材料学术会谈论文集〔上〕，2023:169-173.2023,16,(1):76-78FreitasG.,Frusco,T.etal.Z-Fibertechnologyandproductsforenhancingcompositedesign,Proc,ofthe83rdMeetingoftheAGARDSMPon“Bolted/BondedJo