高膨脹比發(fā)泡膠視比重測試技術(shù)的研究

左 洋，謝玉萍，馬 寧，陳 怡，王 哲，祁俊峰

（1.北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094；2.國家蛋白質(zhì)中心，北京 102206）

0 引言

隨著航天器載荷輕量化需求的不斷加大，航天器結(jié)構(gòu)在滿足一定強度和尺寸穩(wěn)定性的前提下，通過應(yīng)用不同的航天材料，盡量減輕質(zhì)量。為適應(yīng)新材料和輕量化結(jié)構(gòu)的需求，一方面，采用輕質(zhì)高強的有色金屬材料和復(fù)合材料，如鎂合金、鈦合金、碳纖維復(fù)合材料等；另一方面，采用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，如泡沫夾層結(jié)構(gòu)、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、整體壁板結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)等。發(fā)泡膠因密度小、質(zhì)量輕、比強度高等優(yōu)勢，適應(yīng)新材料和輕量化結(jié)構(gòu)的需求，廣泛應(yīng)用到航天器用結(jié)構(gòu)材料中[1-2]。

發(fā)泡膠屬于膠粘劑的一種，但是必須在模具里加熱才能成型，加熱時像海綿，能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)承受機械應(yīng)力，在較苛刻的物理化學(xué)環(huán)境中使用的高性能高分子材料。一般能承受一定的外力作用，有良好的機械性能和尺寸穩(wěn)定性，在高、低溫下能保持其優(yōu)良性能[3-4]。隨著星、船等航天器研制任務(wù)的快速增長和航天器減重的迫切需求，高膨脹比發(fā)泡膠以密度小、質(zhì)量輕、強度高、良好的穩(wěn)定性等優(yōu)勢被應(yīng)用，但視比重（發(fā)泡膠在標(biāo)準(zhǔn)體積中固化后的質(zhì)量）一項制約著發(fā)泡膠的使用，現(xiàn)有檢測條件不能滿足視比重的測試要求，外協(xié)測試周期長并且產(chǎn)生大量費用。為了解決高膨脹比發(fā)泡膠視比重測試準(zhǔn)確度和測試精度的難題，滿足航天器減重要求，更好地適應(yīng)復(fù)合材料的工藝成型過程要求，對現(xiàn)有的測試方法進行改進，是非常現(xiàn)實和必要的。

1 難點分析

發(fā)泡膠因其良好的固化和填充效果，起到支承增強材料的良好效果，廣泛應(yīng)用到航天器復(fù)合材料中。復(fù)合材料的性能與發(fā)泡膠的類型、取向和用量、發(fā)泡膠的種類、成形工藝及其相容性有關(guān)。在發(fā)泡膠的使用過程中，視比重制約著發(fā)泡膠的減重效果，在保證復(fù)合材料強度和尺寸穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，影響后續(xù)的加工和成型工藝、發(fā)泡膠的用量[4]。

發(fā)泡膠在升溫固化過程中能自動發(fā)泡，引起體積膨脹，充滿所處部件的不規(guī)則空間，使其黏接在一起，形成一個完整的受力體系。J-78D2發(fā)泡膠因其高膨脹比，溫度升高到一定程度時，會出現(xiàn)大面積、無規(guī)則的膨脹性流動現(xiàn)象，在保溫階段固化成型的過程中流動性最強，膨脹的過程中會出現(xiàn)受力變形的現(xiàn)象。發(fā)泡膠的這些固有特性制約著視比重的測試過程和測試結(jié)果。

通常采用的測試工藝為：將一定質(zhì)量的發(fā)泡膠裝入具有固定尺寸的鋁管中，加熱、保溫使其固化，然后稱質(zhì)量，鋁管兩邊采用普通施壓物進行施壓，用質(zhì)量除以管間體積，計算得到視比重。圖1為施壓測試時發(fā)泡膠固化照片，可以看到，施壓不均勻造成發(fā)泡膠膨脹并無規(guī)則流動，一些固化后的發(fā)泡膠流到鋁管口的外圍，固化后的發(fā)泡膠強度高，不容易去除，這些固有特性影響到視比重測試時標(biāo)準(zhǔn)體積參與計算的發(fā)泡膠質(zhì)量，不僅造成測試結(jié)果不準(zhǔn)確，而且制約著測試效率的提高。

圖1 施壓測試時發(fā)泡膠固化照片F(xiàn)ig.1 The diagram of foaming adhesive solidification during pressure test

表1為施壓固化的六次試驗數(shù)據(jù)，可以看出，試驗結(jié)果均超出了標(biāo)準(zhǔn)中J-78D2發(fā)泡膠視比重的理論范圍0.45±0.05 g/cm，呈現(xiàn)規(guī)律性偏高的試驗現(xiàn)象。在發(fā)泡膠的視比重試驗過程中的技術(shù)難點主要包括四個方面：

（1）如何控制發(fā)泡膠發(fā)泡過程中因施壓不均勻造成發(fā)泡膠的膨脹并無規(guī)則流動的現(xiàn)象；

（2）如何解決固化過程中發(fā)泡膠流到鋁管口的外圍，極不容易去除，造成測試結(jié)果偏高的現(xiàn)象；

（3）如何控制發(fā)泡工藝，使發(fā)泡膠能夠一次脫模，減少鋁管過多消耗的難題；

（4）如何改進測試工藝，在保證測試準(zhǔn)確性的前提下，提高測試效率。

表1 發(fā)泡膠測試數(shù)據(jù)Table1 Test data of foam rubber

2 解決方案

為了解決發(fā)泡膠在受熱固化成型保溫階段的無規(guī)則膨脹流動現(xiàn)象，以保證發(fā)泡膠測試階段的穩(wěn)定性，提高測試精度。根據(jù)Q/HSY157-2010標(biāo)準(zhǔn)中對J-78D2高膨脹比發(fā)泡膠膜視比重測試要求，分別設(shè)計了測試裝置的上、下蓋板和膠樣發(fā)泡柱體，完成了發(fā)泡膠測試裝置的功能性設(shè)計和機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。圖2、3分別為發(fā)泡膠測試裝置組合、分解示意圖。可以看出，通過規(guī)則尺寸的鋁管（內(nèi)徑為25 mm，高為30 mm）限定了一定量的高膨脹比發(fā)泡膠固化成型的容積；通過工裝鋁管上蓋板均勻分布的5 mm小孔和工裝上、下蓋板圍繞發(fā)泡小孔周圍螺栓的緊固作用，保證了鋁管內(nèi)發(fā)泡膠在升溫和保溫階段均勻出泡；通過鋁管四周沿著小孔方向的內(nèi)穿螺栓均勻施力和緊固作用，抵消了發(fā)泡膠發(fā)泡過程中的作用力，不僅確保發(fā)泡的均勻性和有序性，而且確保固化成型效果和脫模效果。

圖2 發(fā)泡膠測試裝置組合示意圖Fig.2 The combination schematic diagram of foaming adhesive test device

基于發(fā)泡膠工裝的基礎(chǔ)，根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求又做了大量試驗，從工藝上解決發(fā)泡膠發(fā)泡過程中的技術(shù)難點。經(jīng)過反復(fù)的對比，最終確定了一套測試工藝：

（1）取內(nèi)徑為25 mm、高為30 mm的鋁管，在鋁管內(nèi)壁均勻貼上聚酰亞胺脫模劑，將發(fā)泡膠8～10 g緊密而均勻地帖敷在鋁管內(nèi)壁，然后裝入工裝的凹槽中，再用內(nèi)穿螺栓緊固；

（2）將樣品放置在烘箱中，從室溫開始升溫，升溫速度為1～3℃/min，加熱到85～90℃，保溫4～5 h；

（3）固化完畢后關(guān)閉電源，試件隨著烘箱自然冷卻到50℃以下時方可取出。根據(jù)管間體積及存在于管間的膠量，可以計算出固化后發(fā)泡膠的比重。

圖4為發(fā)泡膠測試裝置工作示意圖，圖5為發(fā)泡膠一次發(fā)泡、出膜示意圖。可以看出發(fā)泡膠測試裝置的工作狀態(tài)和發(fā)泡膠在鋁管內(nèi)一次發(fā)泡、固化、脫模、出樣的全過程。改進后，發(fā)泡膠均勻在管間成型，能夠有規(guī)則的一次出膜，這樣為視比重地定量計算提供了準(zhǔn)確的參數(shù)。測試一組發(fā)泡膠的工作時間從6 h以上降為4 h左右，工作效率提升了50%。表2為試驗后的六組測試數(shù)據(jù)。對比表1和表2，可以看出，改進后，試驗結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)中J-78D2發(fā)泡膠視比重的理論范圍吻合性較好。

相對誤差能夠反映測試結(jié)果的準(zhǔn)確度，標(biāo)準(zhǔn)偏差能夠反映測試結(jié)果的精密度，計算如式（1）和式（2）。為了進一步對比改進前后的試驗數(shù)據(jù)，將表1和表2的數(shù)據(jù)分別進行了分析，求出六組試驗的相對誤差和標(biāo)準(zhǔn)偏差，如表3和表4。

式中：xi為試樣第i次視比重測試結(jié)果，g/cm3；μ為n次試樣測試結(jié)果的平均值，g/cm3。

圖4 發(fā)泡膠測試裝置工作示意圖Fig.4 The working schematic diagram of foaming adhesive test device

圖5 發(fā)泡膠一次發(fā)泡、出膜示意圖Fig.5 Foaming adhesive once foaming，film out schematic diagram

表2 發(fā)泡膠測試數(shù)據(jù)Table2 Test data of foaming adhesive

表3 改進前發(fā)泡膠試驗數(shù)據(jù)Table3 Test data of foamed adhesive before improvement

表4 改進后發(fā)泡膠試驗數(shù)據(jù)Table4 Test data of foaming adhesive after improvement

圖6、7為改進前后發(fā)泡膠視比重測試數(shù)據(jù)圖，圖8為改進前后發(fā)泡膠視比重相對誤差、標(biāo)準(zhǔn)偏差柱狀圖。

圖6 發(fā)泡膠視比重測試數(shù)據(jù)圖Fig.6 Test data of tap density of foaming adhesive

結(jié)合表3、4和圖6、7結(jié)果可以明顯看出：

（1）改進前，發(fā)泡膠的測試數(shù)據(jù)均高于理論測試值的上限（0.50 g/cm3），最大相對誤差達到21.11%；

（2）改進后，發(fā)泡膠的測試數(shù)據(jù)均下降到理論上限以內(nèi)，最大相對誤差在4%以內(nèi)；

（3）改進前，發(fā)泡膠的測試數(shù)據(jù)明顯高于理論中間值（0.45 g/cm3）；

（4）改進后，發(fā)泡膠的測試數(shù)據(jù)與理論中間值基本保持一致。

圖7 發(fā)泡膠視比重相對誤差測試數(shù)據(jù)圖Fig.7 Test data of the relative error of foaming adhesive’s tap density

圖8 發(fā)泡膠視比重相對誤差、標(biāo)準(zhǔn)偏差柱狀圖Fig.8 The histogram of the relative error and standard deviation of foaming adhesive’s tap density

以上數(shù)據(jù)說明在受力均勻的前提下，管間的發(fā)泡膠固化充分、發(fā)泡規(guī)整，參與計算的發(fā)泡膠量能夠準(zhǔn)確限定于標(biāo)準(zhǔn)體積中。改進后視比重測試數(shù)據(jù)的相對誤差出現(xiàn)大幅度下降，六組數(shù)據(jù)的相對誤差均下降到4%以下，平均相對偏差從16.52%降為2.45%，標(biāo)準(zhǔn)偏差從3.67下降到0.57。這說明改進后的六組測試數(shù)據(jù)更接近真實值，與標(biāo)準(zhǔn)中J-78D2發(fā)泡膠視比重的理論范圍吻合性很好，數(shù)據(jù)分布較均勻、離散性較好。這一點從圖8的相對誤差、標(biāo)準(zhǔn)偏差柱狀圖中能夠明顯體現(xiàn)出來。

3 結(jié)論

基于以上測試數(shù)據(jù)，視比重測試的技術(shù)改進成果主要包括以下幾個方面：

（1）視比重測試數(shù)據(jù)與理論值的平均相對誤差從16.52%降為2.45%，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度明顯提高，測試結(jié)果與理論值吻合程度高；

（2）視比重測試數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差從3.67降為0.57，數(shù)據(jù)離散性較好；

（3）發(fā)泡膠發(fā)泡、固化、脫模、出樣一次完成，自動化程度高，檢測效率提高50%以上；

（4）提升了的檢測能力和水平，能夠大幅節(jié)省生產(chǎn)成本和外協(xié)費用。

改進后，視比重測試數(shù)據(jù)平均相對誤差和標(biāo)準(zhǔn)偏差大幅度下降，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度明顯提高，這些指標(biāo)證明了改進后的測試工藝夠滿足發(fā)泡膠的測試精度要求。試驗過程中發(fā)泡膠發(fā)泡、固化、脫模、出樣一次完成，脫模后的鋁管可以重復(fù)利用，在減小生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上提高生產(chǎn)效率。針對重要型號蜂窩夾層結(jié)構(gòu)上使用的高膨脹比發(fā)泡膠，形成了一項發(fā)泡膠視比重檢測技術(shù)，該技術(shù)方法在保證型號測量任務(wù)完成的同時，從經(jīng)濟、技術(shù)水平上都達到了很好的效果。

運用此套工裝和測試工藝，不僅提高此種牌號發(fā)泡膠視比重的測試能力，解決了發(fā)泡膠發(fā)泡過程中因為施壓不均勻造成發(fā)泡膠膨脹并無規(guī)則流動的難題，提高了測試準(zhǔn)確度，完善了發(fā)泡膠的發(fā)泡、固化工藝，在減小生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上生產(chǎn)效率提高了50%。而且能夠為后續(xù)多個牌號發(fā)泡膠的固化、使用、測試（如固化時間、發(fā)泡率等測試）提供技術(shù)上的準(zhǔn)備，通用性和實用性強。