第22卷󰀁第2期2002年6月航󰀁空󰀁材󰀁料󰀁学󰀁报JOURNALOFAERONAUTICALMATERIALSVol.22,No.2June2002

中、高密度Nomex蜂窝力学性能研究

郝󰀁巍,李󰀁勇,罗玉清

(北京航空材料研究院,北京100095)

摘要:研究了航空用三种中、高密度Nomex蜂窝的力学性能,并讨论了纸的厚度、浸渍溶液浓度、环境湿度和渗

透剂对Nomex蜂窝力学性能的影响。结果表明,选择厚度合适的Nomex纸,严格控制湿度,并在浓度为35%~

50%范围内浸渍胶液中加入适量的渗透剂可以制作出与国外同类产品性能相当的高性能中、高密度Nomex蜂窝。

关键词:中、高密度;力学性能;Nomex蜂窝

中图分类号:TB383󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁文章编号:1005󰀁5053(2002)02󰀁0041󰀁05

󰀁󰀁Nomex蜂窝具有密度低,比强度、比刚度高,

抗冲击,耐腐蚀性,阻燃且具有回弹性,可吸收振

动能量,良好的高温稳定性和介电性能等优点,是

飞机夹层结构件首选芯材。密度小于48kg󰀁m3的

蜂窝属于低密度蜂窝,这类蜂窝在亚音速飞机上

具有广阔的使用前景,民机、直升机等普遍采用这

类蜂窝。密度48~80kg󰀁m3的蜂窝称为中、高密

度蜂窝,因具有较高强度及刚度,广泛应用于某些

有特殊力学性能要求的部位,如歼击机的平尾、鸭

翼及方向舵等。因为中、高密度蜂窝密度较大,制

造工艺相对复杂,需要多次浸胶,所以密度公差控

制相对困难得多。另外,由于用纸相对较厚,环境

湿度对蜂窝最终力学性能也有较大影响。因此,

选择合适原材料,确定最佳工艺参数和环境条件

是研制高性能中、高密度Nomex蜂窝的三个关

键。本研究针对某型飞机机尾的受力部件用No󰀁

mex蜂窝的具体要求,研制了NH󰀁1󰀁3󰀁48,NH󰀁1󰀁

3󰀁64和NH󰀁1󰀁3󰀁80三种规格中、高密度蜂窝,并重点研究了上述三个因素对力学性能的影响。

1󰀁试󰀁验

1.1󰀁主要原材料

󰀁󰀁Nomex纸,T󰀁412,Dopont公司产品,技术标

准HB5435󰀁89。芯条胶,SY󰀁13环氧体系,北京航

空材料研究院产品,技术标准Q󰀁6S315󰀁82。酚醛

清漆,F01󰀁36,灯塔油漆有限公司产品,技术标准

HG2󰀁574󰀁85。

1.2󰀁工艺试验󰀁󰀁采用图1所示工艺路线制作出三种规格中、

高密度Nomex蜂窝:NH󰀁1󰀁3󰀁48,NH󰀁1󰀁3󰀁64和

NH󰀁1󰀁3󰀁80。

1.3󰀁试验方法󰀁󰀁按GB1453进行Nomex蜂窝芯材平面压缩

试验,设备为万能力学试验机。按GB1455进行

Nomex蜂窝芯材平面剪切试验,设备为万能力学

图1󰀁工艺路线图

Fig.1󰀁Processflowdiagram

收稿日期:2001󰀁10󰀁05;修订日期:2002󰀁01󰀁21

作者简介:郝巍(1968󰀁),男,工程师。试验机。按GB1464进行Nomex蜂窝芯材密度

测试,仪器为电子天平。根据GJB1874󰀁94进行

Nomex蜂窝芯材外观检验。采用扫描电镜进行Nomex蜂窝微观结构研究。

2󰀁结果与讨论

󰀁󰀁Nomex纸厚度、浸胶胶液浓度、湿度及渗透

剂的添加都对Nomex蜂窝力学性能产生影响,因

此探讨这些因素如何影响Nomex蜂窝力学性能,

对研制满足设计要求的中、高密度Nomex蜂窝有

重要的意义。

2.1󰀁Nomex纸厚度对蜂窝力学性能的影响

󰀁󰀁本文选用了0.05mm,0.078mm,0.10mm三种厚度的Nomex纸,在相同条件下,按照同一工

艺路线制作密度均为64kg󰀁m3,孔格边长为3mm

的蜂窝,然后进行力学性能测试,结果列于表1。

从表1中可以发现,平面压缩性能值由大到小顺

序为:0.078mm>0.05mm>0.10mm,平面剪切

性能值由大到小顺序为0.10mm>0.078mm>

0.05mm,综合力学性能最好的是0.078mm厚度

纸制作的Nomex蜂窝。其余两种纸制作的蜂窝

均有一项力学性能不能满足使用要求。

表1󰀁纸的厚度对蜂窝力学性能的影响

Table1󰀁Effectofthicknessofpaperonmechanicalpropertiesofhoneycomb󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Thicknessofpaper󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁mm󰀁󰀁Property0.050.0780.10

Avg.Min.Avg.Min.Avg.Min.

CompressiveStrength

MPa3.533.093.723.393.122.85

Modulus

MPa168157240210189168

Ldirection

shearStrength

MPa1.751.742.171.932.292.23

Modulus

MPa68.366.676.069.886.076.3

Wdirection

shearStrength

MPa0.9370.8981.141.051.351.27

Modulus

MPa29.628.533.931.340.836.0

󰀁󰀁Note:Thedensityofspecimenis64kg󰀁m3.

󰀁󰀁用厚度为0.05mm,0.078mm和0.10mm三

种纸制作的蜂窝未浸胶前,即白蜂窝密度分别为

20kg󰀁m3,36kg󰀁m3和45kg󰀁m3,而Nomex纸实际

是由

Nomex纤维制成的,因此可以计算出三种

Nomex蜂窝中纤维与树脂含量百分比分别为31󰀁

69,56󰀁44,70󰀁30。通常认为复合材料中纤维与树

脂含量比为60󰀁40左右时综合力学性能最好[1]。

用0.078mm厚的Nomex纸浸制成密度为64kg󰀁

m3的蜂窝,其纤维与树脂含量之比为56󰀁44,接近

60󰀁40,所以用这种厚度纸浸制密度为64kg󰀁m3蜂

窝的综合力学性能好于其他两种蜂窝。对于密度

为48kg󰀁m3和80kg󰀁m3的蜂窝也存在同样规律。

这说明增加纸的厚度并不是提高Nomex蜂窝综

合力学性能的最佳途径。只有根据蜂窝密度规格选择合适厚度的Nomex纸才能获得综合力学性能良好的蜂窝。

2.2󰀁浸渍胶液浓度对蜂窝力学性能的影响

󰀁󰀁浸渍工艺不变,用不同浓度的胶液浸渍No󰀁

mex蜂窝,然后测试平面压缩强度和L向剪切强

度,得到浓度󰀁压缩强度曲线和浓度󰀁L向剪切强

度曲线(图2和图3)。从图中可以发现,无论是

压缩强度还是剪切强度都随浓度增加而达到一个

最大值,又随浓度进一步增加而迅速下降,强度最

大值出现在35%~50%浓度范围内。󰀁󰀁图4是浸渍胶液浓度󰀁粘度曲线,从图中可以

发现,胶液粘度在浓度为55%~60%范围内有一

拐点,粘度急骤上升,这说明分子链柔性很差,胶

液流动性不好,使胶液的工艺性能下降,这时酚醛

树脂分子很难扩散到Nomex纸中并均匀分布,因

此,造成蜂窝的力学性能强度迅速下降。浓度为42󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁航󰀁空󰀁材󰀁料󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第22卷

图2󰀁浓度󰀁压缩强度

Fig.2󰀁Theconcentrationvsthecompressivestrength35%~50%时,胶液工艺性能最佳,向Nomex纸

中扩散也较容易,并能与Nomex纸中的纤维很好

地结合,保证了Nomex蜂窝的力学性能,所以在

这个浓度范围内,强度出现了峰值。对于浓度小

于35%的胶液,由于这时酚醛树脂分子链团较疏

松,溶剂可以自由穿透分子链团而不随分子链团

共同运动,并且溶剂分子运动速度较快,因此No󰀁

mex纸孔隙中,在树脂分子填充前,先充填了大量

溶剂分子,在第二次浸胶前未及时挥发掉,被一层

新的酚醛胶液覆盖,因此蜂窝加热固化时,这些

遗留的溶剂分子要挥发,会在蜂窝中产生气泡和

空洞,影响蜂窝的力学性能。

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁图3󰀁浓度󰀁L向剪切强度曲线󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁图4󰀁浓度󰀁粘度曲线

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Fig.3󰀁Theconcentrationvstheshear󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Fig.4󰀁Theconcentration

strengthin󰀂L directionvstheviscosity

2.3󰀁湿度对Nomex蜂窝外观及力学性能的影响󰀁󰀁美国杜邦公司生产的Nomex󰀁T󰀁412纸是一

种芳纶纤维纸,化学结构为聚间苯二甲基甲酰胺,

其中的酰胺基具有很强的极性,易吸水,因此在相

对湿度95%时,常温下的Nomex纸的含湿率上

升为7.7%[2]。这时,纸的经向和纬向的膨胀率

分别达到0.9%和1.6%[2],因此,涂胶时胶条的

位置势必产生变化,而胶条位置的较小变化会使

蜂窝的孔格规整性发生很大变化,出现鱼骨形等

异常形状,影响Nomex蜂窝外观质量及尺寸公

差。由于湿度大引起纸的尺寸发生变化,必须调

节纸的张力及带胶辊与涂胶辊的缝隙,因此胶条

宽度改变,导致Nomex蜂窝节点强度下降,影响

平面剪切性能。因此,涂胶时必须严格控制湿度,

以保证蜂窝力学性能。

2.4󰀁加入渗透剂对Nomex蜂窝力学性能的影响

󰀁󰀁从表2中发现,浸渍液加入5%渗透剂制作

的蜂窝比加入10%的和未加的整体性能好,原因在于胶液中添加了适量的渗透剂,可以改善胶液对Nomex纸的渗透性。图5、图6是加入5%渗

透剂和未加渗透剂的蜂窝断面扫描电镜照片。从

照片中可以发现未加入渗透剂时,树脂在纸中分

布不均匀,呈团状,会造成应力集中,使蜂窝产生

微裂纹,影响蜂窝力学性能。加入5%渗透剂后,

树脂在Nomex纸中分布均匀,无团状物,外力由

树脂均匀地传递到蜂窝各个部分,有利于提高蜂

窝力学性能。加入10%的渗透剂后,此物质与乙

醇不同,加的过多,不易完全挥发,固化时容易破

坏聚合结构,降低蜂窝力学性能,所以渗透剂只能

适量加入。

2.5󰀁力学性能测试结果

󰀁󰀁根据GB1453和GB1455进行了三种规格中、

高密度Nomex蜂窝力学性能测试,测试结果列于

表3。从表3中可以看出,本文研究的NH󰀁1󰀁3󰀁48

规格的蜂窝无论是压缩性能还是剪切性能与

Hexcel公司和Ciba󰀁Geigy同种规格的性能水平相

当,除去工艺上的因素外,其中重要原因在于三者

都使用厚度0.05mm纸制作蜂窝,而这种纸是浸43第2期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁中、高密度Nomex蜂窝力学性能研究󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁