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(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(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(guān)系

 2.5 熱真空性能

       航天器運行在空間環(huán)境中，其材料必須能耐受真空和冷熱交變的考驗，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給出試驗過程中溫度、真空度與時間的關(guān)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(huán)6h，中間循環(huán)4.5h
5) 循環(huán)次數(shù)： 6.5次

                                                              

                                                                          圖3 熱真空試驗條件

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

表5 熱真空試驗后的體積、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，試驗結(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)計所關(guān)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(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(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向纖維增強夾層結(jié)構(gòu)  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(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(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間。
 

       在夾層結(jié)構(gòu)固化成型過程中，有兩個因素影響著尺寸穩(wěn)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(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)，而且這種增強方法具有可設(shè)計性，能根據(jù)力學(xué)性能要求設(shè)計Z向纖維或銷釘?shù)慕嵌取⒚芏鹊取?br />  

4.2 應(yīng)用前景

      PMI泡沫材料具有獨特的物理性能和優(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。此設(shè)計可以提高結(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)計性等特點，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、制造提供了更多的選擇。
 

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