鋁蜂窩夾層板熱管區域平面度控制方法研究

韋璐明 李 玲 沈 輝 邱保強

(1 上海復合材料科技有限公司，上海 201112)(2 上海航天樹脂基復合材料工程技術研究中心，上海 201112)

鋁蜂窩夾層板熱管區域平面度控制方法研究

韋璐明1,2李 玲1,2沈 輝1,2邱保強1,2

(1 上海復合材料科技有限公司，上海 201112)(2 上海航天樹脂基復合材料工程技術研究中心，上海 201112)

文 摘 主要研究蜂窩板熱管區域局部平面度超差的原因及控制方法。經分析，蜂窩疊塊的尺寸精度以及膠膜固化后的厚度不均勻性是導致超差的主要原因，通過提高工裝均壓板的厚度，利用膠膜厚度的自適應性彌補零部件尺寸累積偏差，提高平面度，并對新方法下產品剝離、剪切強度進行測試，結果表明，該工藝方法可以在不影響產品力學性能的前提下大幅改善產品熱管區域平面度。

蜂窩結構板，熱管，膠膜，平面度

0 引言

蜂窩結構板是衛星結構的重要組成部分，主要用于組成星體艙段、安裝儀器設備等[1-2]。衛星蜂窩板內常埋設熱管，單機儀器通過與熱管的貼合進行快速散熱，蜂窩板熱管區域的平面度對單機的散熱有著重要的影響。此處平面度有較高的要求，一般為200 mm×200 mm/0.1 mm。蜂窩結構板的基本組成結構為面板、膠膜、蜂窩芯子[3]。面板為0.3 mm厚鋁面板，蜂窩芯子為正六邊形鋁蜂窩芯子，膠膜為環氧丁腈橡膠型黏合劑，厚度為0.2 mm。

衛星用蜂窩板上的單機數量多，功率大，單機散熱的需求也高，且越來越多的熱管需要雙面使用，這就對蜂窩板上熱管區域的平面度提出了更高的要求。目前蜂窩板的制造工藝可以有效保證蜂窩板貼平臺一面的熱管區域平面度，相應的，蜂窩、熱管、膠膜的尺寸公差均累積在均壓板面，當蜂窩與熱管匹配高度差距過小，均壓板面的熱管區域就會凸起；反之，均壓板面的熱管區域會凹陷，如圖1所示。

本文就蜂窩板熱管區域局部平面度影響因素進行簡要敘述，并就針對提高工裝均壓板厚度對于提升平面度的影響進行了試驗和分析。

圖1 蜂窩、熱管高度匹配導致平面度超差

Fig.1 Flatness error led by height matching

1 影響因素分析

統計實際生產中所有出現超差的部位均位于均壓板面，且超差區域位置、面積無規律，超差程度不一。固化時，真空壓力的作用下，蜂窩、熱管都緊貼定位基板、平臺，因此蜂窩板貼固化平臺面的平面度取決于固化平臺的平面度及定位基板、墊板的厚度均一性。經實測固化平臺的平面度優于200 mm×200 mm/0.01 mm，精度較高；工裝鋁板及鋁面板，厚度偏差小于0.03 mm，局部平面度均優于200 mm×200 mm/0.01 mm。因此蜂窩板貼固化平臺面的平面度能夠可靠的保證。

忽略鋁面板、工裝鋁板厚度偏差，為了保證均壓板面熱管局部平面度，就需要控制固化后蜂窩區域和熱管區域高度差，進一步提高蜂窩、熱管尺寸精度、膠膜固化后厚度均勻性。

1.1 蜂窩對于平面度影響

蜂窩疊塊是通過印膠機在蜂窩芯鋁箔上印刷膠條后通過相應設備疊合固化制成[4]，由于疊塊每層鋁箔較薄，一般為0.03～0.06 mm，疊合層數較多，一般為600層左右，切割機圓鋸片切割時刀片在鋸切割過程中存在受力不均，從而導致疊塊的尺寸不穩定，一般控制在±0.1 mm內。對蜂窩疊塊尺寸的切割精度進行統計，如圖2所示，橫坐標中尺寸偏差0為疊塊尺寸的理論基準值，在±0.1 mm范圍內分割為10個區間，縱坐標表示各區間疊塊所占比例。

從圖2中可以看出，蜂窩疊塊高度在±0.1 mm范圍各個區間內均有分布，且分布比較分散。通過篩選法挑選高精度尺寸疊塊成本過高。

對熱管統計精度分布列表，見圖3。橫坐標尺寸偏差“0”為熱管尺寸的基準值，以0.02 mm為橫坐標刻度，縱坐標表示各區間尺寸精度熱管所占比例。

從圖3中分析可知，熱管高度尺寸偏差分布在[-0.1，0]區間占75%，熱管為客戶提供件，為鋁型材拉擠成型，進一步提高尺寸精度比較困難。

忽略膠膜厚度的不均勻，按照蜂窩疊塊與熱管理論高度尺寸階差0.2 mm為理想匹配，則當兩種高度偏差累積超過0.1 mm記為超差。計算理論超差概率：

記Ai(i=1,2……12)，分別對應熱管尺寸偏差[-0.12，+0.12]之間12個區間，各自區間概率記為P(Ai)；

記Bi(i=1,2……10)，分別對應疊塊[-0.1，+0.1]之間10個區間，各自區間概率為P(Bi)；

熱管A1區間[-0.12,-0.10]超差，需對應蜂窩(0，+0.1]區間，即B6～B10區間，則熱管尺寸位于A1區間超差概率為：記Ai(i=1,2……12)，分別對應熱管尺寸偏差[-0.12，+0.12]之間12個區間，各自區間概率記為P(Ai)；

記Bi(i=1,2……10)，分別對應疊塊[-0.1，+0.1]之間10個區間，各自區間概率為P(Bi)；

熱管A1區間[-0.12,-0.10]超差，需對應蜂窩(0，+0.1]區間，即B6～B10區間，則熱管尺寸位于A1區間超差概率為：

(1)

根據公式(1)依次計算熱管A2～A12區間各概率分別為：

則理論超差概率為：

(2)

由此可見，忽略膠膜、工裝等因素的情況下，僅蜂窩與熱管零件狀態下的尺寸精度配合，就會導致蜂窩板熱管區域平面度存在一定超差風險。

當前蜂窩疊塊尺寸精度為±0.1mm，理論平面度超差概率為19.09%。若將精度提高至±0.05mm，經計算，理論超差概率為11.55%，降低7.54%。因此將蜂窩尺寸精度提升至±0.05mm，可以提高熱管區域雙面平面度合格率，但生產成本會顯著提高，并且會延長生產周期。

疊塊拉伸后形狀、面積變化較大，需進一步研究拉伸后的蜂窩芯子對于熱管區域平面度的影響。將疊塊拉伸后，裁剪成200mm×200mm小塊，分別測量每件小塊高度差，統計發現所有蜂窩芯小塊高度差位于0.02～0.05mm，偏差很小且非常穩定。

從本節中可以排除由于蜂窩芯自身的高度尺寸波動導致的蜂窩區域自身局部平面度超差，但無法排除蜂窩高度偏差對熱管區域平面度的影響。

1.2 膠膜對于平面度影響

通過測量發現，膠膜固化后在熱管區域和蜂窩區域上的厚度存在較大差異：由于熱管接觸面大，膠膜固化時在熱管上的厚度變化小，在蜂窩區域，由于蜂窩格芯壁薄鋒利，固化時嵌入膠膜之中，膠膜固化前后厚度變化較大。從切割出熱管區域的蜂窩板試樣可以清楚的看到，膠膜均勻的黏覆在熱管面板，而蜂窩格芯則深沒在膠膜之中，剝離面板時可以明顯看到面板上的膠膜帶著蜂窩芯材，因此需要測定膠膜在熱管區域和蜂窩區域固化后厚度的值。

首先測試熱管區域膠膜固化后厚度，在60mm×60mm等高試塊上貼覆膠膜、面板進行固化，測量試件高度確定膠膜殘余厚度。試件照片如圖4所示，試樣采用0.3mm厚鋁面板，0.2mm膠膜，固化后，每種類型試件等高試塊各兩件：固化后的試樣及高度變化統計見表1。

從表1中可看出,膠膜在面-面接觸區域固化后殘余厚度均勻，固化前后膠膜厚度變化不大。0.2mm厚膠膜在板-面接觸區域固化后殘余厚度為0.15～0.22mm。

表1 面-面區域試樣膠膜固化厚度

測定蜂窩區域膠膜固化后厚度采用在蜂窩上雙面貼覆膠膜、面板，各個試件單獨放置均壓板進行固化，脫模后測量試件高度確定膠膜殘余厚度。試樣采用0.3 mm厚鋁面板，0.2 mm膠膜，蜂窩高度為24.30～24.36 mm，固化后試樣高度為24.90～25.00 mm，由此可知膠膜在蜂窩-面板接觸區域剩余厚度極小，固化前后膠膜厚度變化很大，蜂窩區域單面膠膜固化后殘余厚度在0～0.05 mm之間。

表2 固化后熱管區域/蜂窩區域高度偏差

表3可以看出，按照現行成型工藝方法，存在膠膜固化后不均勻導致熱管區域平面度超差的可能。極限偏差可達0.3 mm以上。

如將蜂窩疊塊的切割精度提高至±0.05 mm，固化后產品平面度超差極限程度會有所減輕，降為-0.15～+0.29 mm，但平面度依然存在超差的風險。

因此，導致蜂窩板非貼平臺面熱管區域局部平面度超差的原因主要有：熱管高度尺寸偏差、蜂窩高度尺寸偏差以及膠膜在不同區域固化后厚度的不均勻。

2 工藝優化試驗

2.1 優化方案及制作試驗件

綜合分析，膠膜在熱管區域、蜂窩區域的固化后厚度不均勻 、蜂窩與熱管高度尺寸存在偏差，在固化真空壓力下，偏差全部累積在非貼平臺面，使得蜂窩板產品非貼平臺面的熱管區域平面度存在超差的風險。此外，技術水平及成本限制導致無法通過提高各零部件的尺寸精度來實現熱管區域雙面平面度的控制。考慮到膠膜厚度的“可變動”，通過提高均壓板的厚度即提高該側的剛度，用膠膜彌補該側的累積高度差。

提高均壓板厚度，可以提高工裝上表面的剛度，但也會對蜂窩膠接性能產生影響，因此試驗采用公司常用的4、3、1.5 mm厚均壓板制作對比試驗。

分別采用1.5、3、4均壓板進行試驗，每種均壓板分別制作2件試樣，試件外形尺寸1 200 mm×900 mm。采用200 mm刀口實測熱管區域平面度見表3。

表3 試樣平面度統計

4 mm均壓板平面度無超差，3 mm均壓板熱管區域只有局部小區域存在超差，且超差程度較小，1.5 mm均壓板超差區域較大，且超差程度大。可以看出，提高均壓板厚度可以明顯提高熱管區域的平面度。

2.2 力學性能測試

試件按照有關標準進行無損檢測合格，所有試驗件均無脫粘。

在試驗件本體中截取試件，進行力學性能驗證，主要測試夾層剪切強度和90°剝離強度，測試結果見表4。

表4 力學性能測試統計

從表中可以看出，均壓板厚度的提高對于夾層的剪切強度影響較小，對于夾層90°剝離強度的影響是隨著厚度的增大，呈下降的趨勢。均壓板厚度從1.5 mm增大到3 mm，90°剝離強度平均值僅下降5%，并且遠大于指標值15 N/cm。相對于均壓板從1.5 mm增大到4 mm，剝離強度下降32%，明顯下降。因此采用3 mm均壓板可以在不影響產品膠接性能的前提下有效提高蜂窩板均壓板面熱管區域局部平面度。

3 結論

通過蜂窩板熱管區域平面度合格情況、蜂窩疊塊及膠膜對于熱管區域的影響，完成了對熱管區域平面度超差原因的分析，測定了不同膠膜在不同固化制度下的厚度。并通過提高均壓板厚度提升平面度，并用工藝試驗驗證了3 mm厚度均壓板的工藝可行性。

[1] 章令輝,等.蜂窩夾層結構常見制造缺陷分析[J]. 航天返回與遙感, 2006.27(1):58.

[2] 高慎斌,等.衛星制造技術(下)[M].北京:宇航出版社, 1998:32-47.

[3] 岳喜山,歐陽小龍,侯金保.鈦合金蜂窩壁板結構制造技術研究[C].第十六屆全國釬焊及特種連接技術交流會, 2008.

[4] 蔣文革,蔣元興,付剛.鋁蜂窩夾層結構蜂窩拼接工藝研究究[C].全國復合材料學術會議, 2000.

Analysis and Solution on Heat Pipe Area Flatness Tolerance for Honeycomb Sandwich Panel

WEI Luming1,2LI Ning1,2SHEN Hui1,2QIU Baoqiang1,2

(Shanghai Composite Material Science & Technology Co., Ltd, Shanghai 201112)(Shanghai Engineering Technology & Research Center of Aerospace Resin Based Composites, Shanghai 201112)

Apparatus losing heat by fitting with heat pipe embedded in honeycomb sandwich panel.This article aimed to analyze the factors affecting the heat pipe area flatness in honeycomb sandwich panel.The dimensional precision of honeycomb core and the uneven thickness of adhesive film panel after curing are the main causes. The main solution carried out is increasing the thickness of average pressure tooling board, which can compensate the parts’ cumulative dimensional deviation by adhesive film. The results showed that method could be applied to practical production.

Honeycomb sandwich panel, Heat pipe, Adhesive film, Flatness

2016-12-03

韋璐明，1989年出生，工程師，主要從事復合材料構件的膠接裝配成型工藝工作。E-mail：roolmi@sohu.com

TB33DOI：10.12044/j.issn.1007-2330.2017.02.012