牌號	熱壓罐試驗(yàn)條件1 165℃，0.55MPa，2h		熱壓罐試驗(yàn)條件2 130℃，0.12MPa，2h
	質(zhì)量損失率（%）	壓縮蠕變率（%）	質(zhì)量損失率（%）	壓縮蠕變率（%）
51WF	1.72	——	1.97	3.46
71XT	2.92	——	1.08	3.98

熱壓罐試驗(yàn)條件3 125℃，0.3MPa，2h		熱壓罐試驗(yàn)條件4 180℃，0.7MPa，2h		RTM試驗(yàn)條件 注射壓力0.6MPa，固化溫度180℃
牌號	壓縮蠕變率	牌號	壓縮蠕變率	牌號	壓縮蠕變率
51WF	1.5%	51WF-HT	3.5%	51WF	1.5%

       針對71XT進(jìn)行干燥（或干燥＋高溫）處理后，測試了在不同外壓條件下的壓縮蠕變率，圖2是壓縮蠕變率與壓力的關(guān)系曲線。

 

             注：1）71XT的試驗(yàn)條件180℃ / 2h；2）71XT-HT的試驗(yàn)條件190℃ / 4h。
             圖2  71XT的壓縮蠕變率與壓力的關(guān)系

 2.5 熱真空性能

       航天器運(yùn)行在空間環(huán)境中，其材料必須能耐受真空和冷熱交變的考驗(yàn)，為此測試了51WF和71XT在熱真空條件下的體積變化率和質(zhì)量損失率。圖3給出試驗(yàn)過程中溫度、真空度與時(shí)間的關(guān)系曲線。
熱真空試驗(yàn)條件如下：
1) 真空度 ≤ 1.3x10-3 Pa
2) 溫度  -20℃ ～ +80℃
3) 升降溫速率  0.5℃ / min
4) 保溫時(shí)間 首末循環(huán)6h，中間循環(huán)4.5h
5) 循環(huán)次數(shù)： 6.5次

                                                              

                                                                          圖3 熱真空試驗(yàn)條件

表5給出了熱真空試驗(yàn)后51WF、71XT試樣的體積變化和質(zhì)量損失。

表5 熱真空試驗(yàn)后的體積、質(zhì)量變化

編號	體積變化率（％）	質(zhì)量損失率（％）
51WF-1	0.98	1.48
51WF-2	0.87	1.25
71XT-1	0.94	2.13
70XT-2	0.90	2.01

                                注：所有試樣未經(jīng)預(yù)處理。

        在真空環(huán)境下，材料釋放出的物質(zhì)在熱控面板、太陽電池陣、光學(xué)部件等敏感表面上沉積造成污染，嚴(yán)重的表面污染會(huì)降低觀測窗和光學(xué)鏡頭的透明度、改變熱控涂層的性能、減少太陽電池片的光吸收率。因此，很有必要研究泡沫材料的真空放氣性能。   

        按照ASTM E-595標(biāo)準(zhǔn)，針對三種不同預(yù)處理的51WF試樣做了真空放氣試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。
                                                                                表6 放氣性能

編號	總質(zhì)量損失（TML） (%)	水蒸氣回吸量（WVR） (%)	揮發(fā)物凝聚量(CVCM) (%)
51 WF-HT 1）	2.09	2.05	0.02
51 WF 2）	3.64	2.16	0.03
51 WF-HT 3）	2.73	1.89	0.008

    注：1） 預(yù)處理方法：121℃ / 2h，160℃ / 20h，182℃ / 48h
    2） 預(yù)處理方法：121℃ / 2h
    3） 預(yù)處理方法： 121℃ / 2h， 82℃ / 16h

   
3.1 物理性能

       目前，航天器夾層結(jié)構(gòu)常用的鋁蜂窩芯材的密度為27kg/m3~52kg/m3，51WF和71XT兩種泡沫芯材的密度與之相比較高。
 

       由表1的熱膨脹系數(shù)可知，常溫條件下51WF和71XT的熱膨脹系數(shù)與鋁合金接近，在同一數(shù)量級內(nèi)，較復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)要高一個(gè)數(shù)量級。

     在所有傳統(tǒng)的非真空隔熱體中，閉孔泡沫材料PMI的熱導(dǎo)率是最低的。

     51WF和71XT的熱變形溫度均在200℃以上，能夠耐受常用夾層結(jié)構(gòu)的固化溫度。

     51WF泡沫材料在2.0GHz～26.5GHz的頻率范圍內(nèi)，表現(xiàn)出低的、穩(wěn)定的介電常數(shù)和低的損耗角正切值，意味著它是一種適合寬頻域應(yīng)用的高性能透波材料，適用于制造發(fā)射和傳輸電磁波的結(jié)構(gòu)。

   3.2 力學(xué)性能 

    選取了航天器夾層結(jié)構(gòu)常用的兩種鋁蜂窩芯材HC-1、HC-2，以及另一種密度和71XT相近的鋁蜂窩芯材HC-3與51WF、71XT對比了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所關(guān)心的壓縮強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，具體情況見表7和圖4。

表7 泡沫芯材與鋁蜂窩芯材的比較

編號	密度 (kg/m3)	容重 （pcf）	壓縮強(qiáng)度 （MPa）	剪切強(qiáng)度（MPa）
				縱向(L)	橫向(W)
HC-1	27	1.69	0.45	0.44	0.24
HC-2	52	3.25	1.50	1.15	0.67
HC-3	77	4.81	2.88	2.18	1.25
51WF	52	3.25	0.80	0.80
71XT	75	4.69	1.70	1.40

  

                            圖4 泡沫芯材與鋁蜂窩芯材力學(xué)性能的比較

       由以上數(shù)據(jù)看出，51WF、71XT相對于同等密度（或容重）的鋁蜂窩芯材壓縮強(qiáng)度低40%～50%；剪切強(qiáng)度介于鋁蜂窩芯材橫向剪切強(qiáng)度和縱向剪切強(qiáng)度之間，泡沫材料無方向性，這與鋁蜂窩芯材不同。

       為了提高泡沫夾層結(jié)構(gòu)的壓縮性能和剪切性能，近年來出現(xiàn)了幾種新的工藝方法：
 

      1）利用Z向纖維增強(qiáng)夾層結(jié)構(gòu)  這種方法包括縫合法和穿刺法?？p合法是指借助專用的縫合設(shè)備，通過縫線將面板與泡沫芯材縫合在一起，西北工業(yè)大學(xué)的鄭錫濤等人對全厚度縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。穿刺法是借助特殊的針具將面板增強(qiáng)材料中的部分短纖維植入泡沫芯材，在夾層結(jié)構(gòu)成型過程中，樹脂流入芯材的孔洞并浸漬其中的短纖維，固化后成為復(fù)合材料柱，使得面板與芯材聯(lián)為一體。國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張劍、李地紅、王兵等人研制出這種新型的泡沫夾層結(jié)構(gòu)并研究了其力學(xué)性能。
 

       2）利用Z向銷釘增強(qiáng)復(fù)合材料面板的夾層結(jié)構(gòu)  Aztex公司利用Z-Fiber®(完全固化的纖維/樹脂針)在厚度方向增強(qiáng)夾層結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)品包括X-CorTM和K-CorTM ，據(jù)Aztex公司的資料介紹，和未加強(qiáng)的泡沫材料相比較，剪切強(qiáng)度提高四倍以上，壓縮強(qiáng)度十倍以上，損傷容限提高。
 

3.3 吸濕與壓縮蠕變性能

       由吸濕性能研究結(jié)果得知PMI泡沫的吸濕率較高，如果不對泡沫材料進(jìn)行干燥（或干燥＋高溫）處理，經(jīng)過熱壓罐工藝試驗(yàn)條件后，質(zhì)量損失較大（1%～3%）、壓縮蠕變率也較大（>3%），有些甚至嚴(yán)重收縮。因此在使用前，泡沫芯材必須經(jīng)過干燥（或干燥＋高溫）處理。
    
       一般認(rèn)為，壓縮蠕變率< 2%是可接受的。使用泡沫材料前，需通過試驗(yàn)找出壓縮蠕變率與壓力的關(guān)系（見圖2），從而掌握泡沫材料所能承受的最高溫度、最大外壓以及保溫時(shí)間。
 

       在夾層結(jié)構(gòu)固化成型過程中，有兩個(gè)因素影響著尺寸穩(wěn)定性，尤其是厚度方向。一個(gè)是壓縮蠕變；另一個(gè)是泡沫材料受熱膨脹而產(chǎn)生反壓力。所以為了準(zhǔn)確地控制泡沫夾層結(jié)構(gòu)的厚度，需通過工藝試驗(yàn)來確定泡沫芯材的過盈量。
 

3.4 熱真空性能

      為了避免材料在真空環(huán)境下放氣對航天器某些部位造成污染，一般對航天器用結(jié)構(gòu)材料的放氣性能要求如下：
      1）總質(zhì)量損失 (TML) < 1%
      2）揮發(fā)物凝聚量 (CVCM) < 0.1%
    
       由熱真空性能試驗(yàn)結(jié)果得知PMI泡沫的總質(zhì)量損失為1%～4%，但通過比較水蒸氣回吸量（WVR）發(fā)現(xiàn)，其質(zhì)量損失主要是泡沫內(nèi)部水氣蒸發(fā)的結(jié)果，除去水蒸氣的量，TML基本在1%以內(nèi)，CVCM滿足 < 0.1%的要求。
 

4 可行性及應(yīng)用前景分析

4.1 可行性分析

       如果僅作為承力結(jié)構(gòu)考慮，一般的泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)和鋁蜂窩芯夾層結(jié)構(gòu)相比在結(jié)構(gòu)效率方面處于劣勢。但是，如果采用Z向纖維或Z向銷釘增強(qiáng)的方法，則可以使力學(xué)性能達(dá)到甚至超過相同容重的鋁蜂窩夾層結(jié)，而且這種增強(qiáng)方法具有可設(shè)計(jì)性，能根據(jù)力學(xué)性能要求設(shè)計(jì)Z向纖維或銷釘?shù)慕嵌?、密度等?br />  

4.2 應(yīng)用前景

      PMI泡沫材料具有獨(dú)特的物理性能和優(yōu)良的加工工藝性能，使得它在航天器的一些結(jié)構(gòu)中有望得到應(yīng)用，包括：

      （1）多功能結(jié)構(gòu)
      1）利用低熱導(dǎo)率的特性，可以設(shè)計(jì)出既有一定承載能力，又能有效隔熱的結(jié)構(gòu)艙/件。
      2）利用優(yōu)異的介電性能和隔熱性能，制造微帶陣單元。微帶陣單元不僅可用于天線，也可作為衛(wèi)星/飛船的結(jié)構(gòu)板。
      3）利用優(yōu)異的介電性能，可制造夾層結(jié)構(gòu)的集成電路板。此種夾層結(jié)構(gòu)既可以作為結(jié)構(gòu)件使用，也同時(shí)具備電路板的功能。

     （2）變截面結(jié)構(gòu)
       航天器使用夾層結(jié)構(gòu)的主要目的是提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。對于封閉結(jié)構(gòu)件來說，芯材如能在其傳遞載荷的端部逐漸縮減，使內(nèi)、外面板最終合在一起，不僅能使載荷能直接傳遞到夾層結(jié)構(gòu)的內(nèi)、外面板上，而且可以簡化連接處的設(shè)計(jì)。此設(shè)計(jì)可以提高結(jié)構(gòu)承載效率，還可以大量減少金屬連接件和泡沫膠的使用。加工變截面的鋁蜂窩芯材難度較大，且精度不易保證，而使用泡沫芯材則可以有效地解決上述問題。

     （3）桿、梁結(jié)構(gòu)
       分析表明，在桿件內(nèi)填充輕質(zhì)芯材可以提高殼結(jié)構(gòu)的抗屈曲承載能力和承載效率。特別是復(fù)雜截面梁，泡沫夾層結(jié)構(gòu)還可以通過共固化降低制造成本和周期，并且可以方便地設(shè)置連接接口。

      （4）天線結(jié)構(gòu)
        1）對于固定反射面的天線，利用熱成型+機(jī)加的工藝可以最大限度地減少泡沫芯材的內(nèi)應(yīng)力，從而提高反射面的精度。
        2）對于平面螺旋天線和陣面天線安裝板，結(jié)構(gòu)的主要要求為：除螺旋線外，其余結(jié)構(gòu)材料的介電常數(shù)要盡可能低，而PMI泡沫極低且穩(wěn)定的介電常數(shù)剛好滿足這一要求。
        3）對于微帶陣SAR天線，PMI泡沫的作用是不可替代的。

5 結(jié)論

       通過研究發(fā)現(xiàn)，PMI泡沫材料在結(jié)構(gòu)承載方面有一定的局限性，但由于它具有優(yōu)良的介電性能、低的熱導(dǎo)率、易于加工復(fù)雜外形和可設(shè)計(jì)性等特點(diǎn)，使得它有望在多功能結(jié)構(gòu)、變截面結(jié)構(gòu)、桿、梁結(jié)構(gòu)、天線結(jié)構(gòu)等方面得到應(yīng)用，給航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造提供了更多的選擇。
 

參考文獻(xiàn)（References）
[1] 曹明法，胡培. 船用玻璃鋼/復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)中的泡沫芯材，江蘇船舶，2004, 21, (2): 3-6
[2] 唐妹紅，居建國. PMI高性能泡沫夾層材料在航天產(chǎn)品中的應(yīng)用研究，第十五屆全國復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（上），2008：434-436
[3] 孫春方，李文曉等. 高速列車用PMI泡沫力學(xué)性能研究，玻璃鋼/復(fù)合材料，2006, (4): 13-15
[4] 鄭錫濤，孫秦等. 全厚度縫合復(fù)合材料泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究與損傷容限評定，復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2006, 23，(6): 29-36
[5] 王兵，吳林志等. 纖維柱增強(qiáng)泡沫復(fù)合材料夾芯板的力學(xué)性能研究，第十五屆全國復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（上），2008: 169-173
[6] 張劍，李地紅等. 復(fù)合芯材夾芯結(jié)構(gòu)成型工藝研究，材料科學(xué)與工藝，2008, 16, (1): 76-78
[7] Freitas G., Frusco, T. et al. Z-Fiber technology and products for enhancing composite design, Proc, of the 83rd Meeting of the AGARDSMP on “Bolted / Bonded Joints in Polymeric Composites”, 1996, Sept. 2-3, Florence, Italy: 17-1~17-8
[8] 譚維熾，胡金剛. 航天器系統(tǒng)工程，北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2009：19
[9] Thomas Carstensen，David Cournoyer et al. X-CorTM Advanced Sandwich Core Material, Advancing Affordable Materials Technology, 2001: 452-466