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

熱壓罐試驗條件3 125℃，0.3MPa，2h		熱壓罐試驗條件4 180℃，0.7MPa，2h		RTM試驗條件 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系曲線。

 

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

 2.5 熱真空性能

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

                                                              

                                                                          圖3 熱真空試驗條件

表5給出了熱真空試驗后51WF、71XT試樣的體積變化和質量損失。

表5 熱真空試驗后的體積、質量變化

編號	體積變化率（％）	質量損失率（％）
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：所有試樣未經預處理。

        在真空環境下，材料釋放出的物質在熱控面板、太陽電池陣、光學部件等敏感表面上沉積造成污染，嚴重的表面污染會降低觀測窗和光學鏡頭的透明度、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標準，針對三種不同預處理的51WF試樣做了真空放氣試驗，試驗結果見表6。
                                                                                表6 放氣性能

編號	總質量損失（TML） (%)	水蒸氣回吸量（WVR） (%)	揮發物凝聚量(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） 預處理方法：121℃ / 2h，160℃ / 20h，182℃ / 48h
    2） 預處理方法：121℃ / 2h
    3） 預處理方法： 121℃ / 2h， 82℃ / 16h

   
3.1 物理性能

       目前，航天器夾層結構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的熱膨脹系數可知，常溫條件下51WF和71XT的熱膨脹系數與鋁合金接近，在同一數量級內，較復合材料的熱膨脹系數要高一個數量級。

     在所有傳統的非真空隔熱體中，閉孔泡沫材料PMI的熱導率是最低的。

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

     51WF泡沫材料在2.0GHz～26.5GHz的頻率范圍內，表現出低的、穩定的介電常數和低的損耗角正切值，意味著它是一種適合寬頻域應用的高性能透波材料，適用于制造發射和傳輸電磁波的結構。

   3.2 力學性能 

    選取了航天器夾層結構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對比了結構設計所關心的壓縮強度和剪切強度，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）	壓縮強度 （MPa）	剪切強度（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性能的比較

       由以上數據看出，51WF、71XT相對于同等密度（或容重）的鋁蜂窩芯材壓縮強度低40%～50%；剪切強度介于鋁蜂窩芯材橫向剪切強度和縱向剪切強度之間，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構的壓縮性能和剪切性能，近年來出現了幾種新的工藝方法：
 

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

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

3.3 吸濕與壓縮蠕變性能

       由吸濕性能研究結果得知PMI泡沫的吸濕率較高，如果不對泡沫材料進行干燥（或干燥＋高溫）處理，經過熱壓罐工藝試驗條件后，質量損失較大（1%～3%）、壓縮蠕變率也較大（>3%），有些甚至嚴重收縮。因此在使用前，泡沫芯材必須經過干燥（或干燥＋高溫）處理。
    
       一般認為，壓縮蠕變率< 2%是可接受的。使用泡沫材料前，需通過試驗找出壓縮蠕變率與壓力的關系（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間。
 

       在夾層結構固化成型過程中，有兩個因素影響著尺寸穩定性，尤其是厚度方向。一個是壓縮蠕變；另一個是泡沫材料受熱膨脹而產生反壓力。所以為了準確地控制泡沫夾層結構的厚度，需通過工藝試驗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境下放氣對航天器某些部位造成污染，一般對航天器用結構材料的放氣性能要求如下：
      1）總質量損失 (TML) < 1%
      2）揮發物凝聚量 (CVCM) < 0.1%
    
       由熱真空性能試驗結果得知PMI泡沫的總質量損失為1%～4%，但通過比較水蒸氣回吸量（WVR）發現，其質量損失主要是泡沫內部水氣蒸發的結果，除去水蒸氣的量，TML基本在1%以內，CVCM滿足 < 0.1%的要求。
 

4 可行性及應用前景分析

4.1 可行性分析

       如果僅作為承力結構考慮，一般的泡沫芯夾層結構和鋁蜂窩芯夾層結構相比在結構效率方面處于劣勢。但是，如果采用Z向纖維或Z向銷釘增強的方法，則可以使力學性能達到甚至超過相同容重的鋁蜂窩夾層結，而且這種增強方法具有可設計性，能根據力學性能要求設計Z向纖維或銷釘的角度、密度等。
 

4.2 應用前景

      PMI泡沫材料具有獨特的物理性能和優良的加工工藝性能，使得它在航天器的一些結構中有望得到應用，包括：

      （1）多功能結構
      1）利用低熱導率的特性，可以設計出既有一定承載能力，又能有效隔熱的結構艙/件。
      2）利用優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，也可作為衛星/飛船的結構板。
      3）利用優異的介電性能，可制造夾層結構的集成電路板。此種夾層結構既可以作為結構件使用，也同時具備電路板的功能。

     （2）變截面結構
       航天器使用夾層結構的主要目的是提高結構的穩定性。對于封閉結構件來說，芯材如能在其傳遞載荷的端部逐漸縮減，使內、外面板最終合在一起，不僅能使載荷能直接傳遞到夾層結構的內、外面板上，而且可以簡化連接處的設計。此設計可以提高結構承載效率，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、梁結構
       分析表明，在桿件內填充輕質芯材可以提高殼結構的抗屈曲承載能力和承載效率。特別是復雜截面梁，泡沫夾層結構還可以通過共固化降低制造成本和周期，并且可以方便地設置連接接口。

      （4）天線結構
        1）對于固定反射面的天線，利用熱成型+機加的工藝可以最大限度地減少泡沫芯材的內應力，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，結構的主要要求為：除螺旋線外，其余結構材料的介電常數要盡可能低，而PMI泡沫極低且穩定的介電常數剛好滿足這一要求。
        3）對于微帶陣SAR天線，PMI泡沫的作用是不可替代的。

5 結論

       通過研究發現，PMI泡沫材料在結構承載方面有一定的局限性，但由于它具有優良的介電性能、低的熱導率、易于加工復雜外形和可設計性等特點，使得它有望在多功能結構、變截面結構、桿、梁結構、天線結構等方面得到應用，給航天器結構設計、制造提供了更多的選擇。
 

參考文獻（References）
[1] 曹明法，胡培. 船用玻璃鋼/復合材料夾層結構中的泡沫芯材，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品中的應用研究，第十五屆全國復合材料學術會議論文集（上），2008：434-436
[3] 孫春方，李文曉等. 高速列車用PMI泡沫力學性能研究，玻璃鋼/復合材料，2006, (4): 13-15
[4] 鄭錫濤，孫秦等. 全厚度縫合復合材料泡沫芯夾層結構力學性能研究與損傷容限評定，復合材料學報，2006, 23，(6): 29-36
[5] 王兵，吳林志等. 纖維柱增強泡沫復合材料夾芯板的力學性能研究，第十五屆全國復合材料學術會議論文集（上），2008: 169-173
[6] 張劍，李地紅等. 復合芯材夾芯結構成型工藝研究，材料科學與工藝，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. 航天器系統工程，北京：中國科學技術出版社，2009：19
[9] Thomas Carstensen，David Cournoyer et al. X-CorTM Advanced Sandwich Core Material, Advancing Affordable Materials Technology, 2001: 452-466