? PMI泡沫材料在航天器结构中应用的可行性研究(2010-9-27 14:03:31) ? ? 关键词：泡沫材料 夹层结构 性能 比较 应用前景 加入收藏>> ? ? 阅读(731)┆评论(0)┆收藏(0)
? 本文通过试验研究了两个牌号的PMI泡沫材料的物理性能、力学性能、吸湿性能、压缩蠕变性能和热真空性能，并与航天器结构常用的铝蜂窝芯材作了比较，分析了PMI泡沫材料用于航天器结构上的优势与劣势。
? 1 引言
目前，航天器夹层结构所用的芯材主要有铝蜂窝、Nomex蜂窝，其中铝蜂窝的用量最大，用于主承力结构和次承力结构。近年来，欧美航天领域开始在一些航天 器的结构上使用泡沫夹层结构，如Delta火箭的整流罩、鼻锥、隔热屏等结构，SAR天线的多边形夹层结构板、探测器桁架结构的支撑杆等。在众多的泡沫材 料中，聚甲基丙烯酰亚胺（简称PMI）是在相同密度的条件下，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（ Evonik Degussa ）公司生产的ROHACELL?和日本积水化学公司生产的FORMAC?。
虽然，泡沫夹层结构在国外的航天器上已使用多年，但国内航天领域对这种泡沫夹层结构的研究和应用才刚刚起步【1】【2】【3】，无论是在材料性能、还是工 艺研究方面，都还需广泛、深入地开展工作。本文针对ROHACELL?51WF（以下简称51WF）和ROHACELL?71XT(以下简称71XT)两 个牌号的泡沫材料进行了研究，得到了一些试验数据，并将其与常用的铝蜂窝芯材性能作了比较，分析了PMI泡沫材料用于航天器结构上的优势与劣势，展望了其 应用前景。 2 材料性能
本文通过试验研究了作为航天器材料的几个重要性能，包括物理性能、力学性能、吸湿性能、压缩蠕变性能和热真空性能，试验数据来源于中国空间技术研究院、德国赢创德固赛公司和美国航空航天局（NASA）等研究机构的试验报告。 2.1 物理性能
作为一般夹层结构的芯材，人们关注的物理性能指标，包括密度、热膨胀系数等；作为功能结构的芯材，除了这两个指标外，热性能和电性能也是重点考虑的因素。表1列出51WF和71XT的主要物理性能。 表1 物理性能
性能 密度 热膨胀系数（20℃） 热导率 热变形温度 介电常数（2.0GHz～26.5GHz） 单位 kg/m3 1 / K W/m*K ℃ 51WF 52 3.11x 10 -5 0.028～0.034 205 1.05～1.11 71XT 75 3.13x10 -5 － 240 － 损耗角正切值（2.0GHz～26.5GHz） 3~61 x 10-4 － 2.2 力学性能
作为夹层结构的芯材，PMI泡沫的基本力学性能是结构设计所需要的，表2给出了试验测得的51WF和71XT的各项力学性能。
表2 力学性能
Table 2 Mechanical properties
性能 压缩强度 拉伸强度 剪切强度 弹性模量 剪切模量 断裂延伸率 单位 MPa MPa MPa MPa MPa % 51WF 0.8 1.6 0.8 75 24 3 71XT 1.7 2.2 1.4 105 42 4 试验方法 ISO 844 ISO 527-2 DIN 53294 ISO 527-2 DIN 53294 ISO 527-2 2.3 吸湿性能
虽然，PMI是闭孔泡沫，但由于加工的原因，表面还是有开放性的微孔存在，在空气中会吸收水分子。吸湿会带来两方面不利的影响，一是降低了压缩蠕变性能， 使得泡沫夹层结构的尺寸稳定性变差；二是可能造成夹层结构的面板与芯材脱粘。因此，通过试验测试了51WF和71XT的吸湿性能。
图1是泡沫材料的吸湿量与存放时间的关系曲线，试验环境条件为温度23℃，相对湿度50%。由图1可以看出，51WF的饱和吸湿量为2.6%左右、 71XT的饱和吸湿量约为5%，而经过180℃，48h的干燥后，其吸湿量明显降低，饱和吸湿量约为3.7%。这两个牌号的泡沫材料均在约50d后吸湿达 到饱和。
注：1) 51WF和71XT测试前经过干燥处理：130℃ / 2h；
2) HT 表示经过高温热处理: 130℃ / 2h; 180℃ / 48h （以下HT如未特殊说明，其含义与此相同）
图1 吸湿量与存放时间的关系
2.4 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结构的成型工艺要求。通常在固化过程中，泡沫必须能够在一段时间内，承受温 度和压力的综合作用。所谓的蠕变性能是指材料在一定的温度情况下，经过一定的时间，在特定压力下产生的形变。作为聚合物泡沫材料，PMI具有一定的蠕变性 能。
通过热压罐试验测得未经干燥处理的51WF和71XT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重的收缩，横截面由原来的矩形变成了梯形。
表3 质量损失与压缩蠕变
热压罐试验条件1 牌号 51WF 71XT 165℃，0.55MPa，2h 质量损失率（%） 1.72 2.92 压缩蠕变率（%） —— —— 热压罐试验条件2 130℃，0.12MPa，2h 质量损失率（%） 1.97 1.08 压缩蠕变率（%） 3.46 3.98 针对51WF进行干燥（或干燥＋高温）处理后，测试了三个试验条件下的压缩蠕变率，结果见表4。
表4 51WF的压缩蠕变率
热压罐试验条件3 125℃，0.3MPa，2h 牌号 51WF 压缩蠕变率 1.5% 热压罐试验条件4 180℃，0.7MPa，2h 牌号 51WF-HT 压缩蠕变率 3.5% RTM试验条件 注射压力0.6MPa，固化温度180℃ 牌号 51WF 压缩蠕变率 1.5% 针对71XT进行干燥（或干燥＋高温）处理后，测试了在不同外压条件下的压缩蠕变率，图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
2.5 热真空性能
航天器运行在空间环境中，其材料必须能耐受真空和冷热交变的考验，为此测试了51WF和71XT在热真空条件下的体积变化率和质量损失率。图3给出试验过程中温度、真空度与时间的关系曲线。 热真空试验条件如下： 1) 真空度 ≤ 1.3x10-3 Pa 2) 温度 -20℃ ～ +80℃ 3) 升降温速率 0.5℃ / min
4) 保温时间 首末循环6h，中间循环4.5h 5) 循环次数： 6.5次
图3 热真空试验条件
表5给出了热真空试验后51WF、71XT试样的体积变化和质量损失。
表5 热真空试验后的体积、质量变化
编号 51WF-1 51WF-2 71XT-1 70XT-2 体积变化率（％） 0.98 0.87 0.94 0.90 质量损失率（％） 1.48 1.25 2.13 2.01 注：所有试样未经预处理。
在真空环境下，材料释放出的物质在热控面板、太阳电池阵、光学部件等敏感表面上沉积造成污染，严重的表面污染会降低观测窗和光学镜头的透明度、改变热控涂层的性能、减少太阳电池片的光吸收率。因此，很有必要研究泡沫材料的真空放气性能。
按照ASTM E-595标准，针对三种不同预处理的51WF试样做了真空放气试验，试验结果见表6。
表6 放气性能