一種蜂窩芯材料透氣速率檢測系統

李君三

一種蜂窩芯材料透氣速率檢測系統

李君三1，2

（1. 國防科技大學系統工程學院，長沙 410073；2. 中國空間技術研究院，北京 100094）

本文設計了一套蜂窩芯材料在真空環境下的透氣速率檢測裝置，用于模擬星體在發射過程中，蜂窩芯腔體內空氣逸散情況。采用壓差法測試了不同真空度下蜂窩芯的透氣速率，同時制備了有色氣體使得整個實驗過程可視化，可以判斷出蜂窩芯板的透氣死點。實驗結果為蜂窩芯材料的工程應用提供了一定的數據支持。

透氣速率；蜂窩材料；真空度；密封

1 引言

蜂窩芯材料由于其具有較好的比剛度和承載效能，因此被廣泛應用于航天領域。由于內部存在蜂窩狀孔隙，在航天器發射之前，其孔隙中完全浸潤有空氣，當航天器進入太空過程中，存在于孔隙中的空氣需要通過蜂窩芯材料的小孔逸散出來，逸散速率是衡量材料性能的一個重要指標。因此，有必要設計一種試驗裝置，模擬航天器進入太空后的環境，得出氣體逸散速率，為實際工程提供有價值的參考依據。

蜂窩芯材料的宏觀結構及芯層細觀結構性能的研究自50年代以來就得到了充分發展，研究范圍不斷拓廣。目前國內外學者針對蜂窩芯材料的研究重點主要集中在力學效能方面。Allen[1]最早使用有限元的方法模擬蜂窩芯材料的力學性能。Gibson[2]提出胞元模型理論，忽略胞壁在和方向厚度不同，采用材料力學公式推導出等蜂窩結構的二維等效彈性參數的解析式。馮旭等[3]通過工程實例做出對比驗證，進而探討了對于剛度理論的理解，并闡述了如何合理布置構件提高結構剛度。Jody W. C. Pang 等[4，5]通過對復合材料層壓板的彈性預應力研究，利用彈性預應力減少翹曲，提高剛度，進而提高機械性能。H. T. Corten 等[6]致力于研究如何有效改善復合材料的剛度，發現用少量高模量纖維取代玻璃纖維能夠有效改善其剛度，隨后對其進行深層次研究。趙志敏等[7]設計了實驗，論證了光纖埋入能夠有效改善結構剛度性能，并且發現了光線埋入與剛度性能之間的相互關系。而關于蜂窩芯材料氣體逸散速率相關的研究，目前尚未見報道。

2 蜂窩材料透氣速率檢測系統

2.1 蜂窩芯試件制作

為了使實驗數據具有一定的參照性，實驗需要采用同種規格的蜂窩芯板。被測的蜂窩芯試件大小為500mm×500mm×25mm，上下兩面采用有機玻璃板密封，左右兩側采用鋁合金條密封，前后兩側不做處理，為了后續透氣速率檢測提供氣體逸散通道，試件如圖1所示。

圖1 蜂窩芯試件制作

2.2 檢測原理

采用壓差法檢測蜂窩芯材料的透氣速率，用兩個氣體緩沖腔，一個腔體保持一定的真空狀態，另一個腔體保持一定的氣壓，然后計算固定量的氣體通過蜂窩芯板的時間，得到氣體的逸散速率，原理如圖2所示。

1—控制器 2，3，4，5—真空傳感器 6，7—測試腔體 8，10，11，14—電磁閥 9—壓力表 12—氣缸 13—煙霧發生器 15—真空泵

用真空泵將蜂窩芯板和兩個緩沖腔體抽到一定的真空度，為了增加氣體的供應量，系統中采用了一個氣罐，同時為了將整個測試流程可視化，采用煙霧發生器將煙霧充入氣罐。采用4個真空計記錄兩側腔體的實時壓力，當系統的真空度到達目標位時，通過切斷電磁閥與氣源的通道保持一定的壓力，然后接通氣罐和緩沖腔，氣體充入，啟動計時器，到兩個緩沖腔氣壓達到平衡的時候，停止計時，計算透氣速率和透氣時間。

2.3 檢測系統設計

保持整個系統的真空度是確保檢測結果準確的重要前提，方案中真空腔體上的密封圈采用非封閉式的，此種情況會在兩個密封圈結合處存在縫隙，此縫隙需要采用膠粘的方式密封，并且由于壓蓋的壓力，會導致橡膠密封圈輕微變性，擠壓涂膠表面，達到更好的密封效果。腔體的密封如圖3所示。

圖3 左右兩側腔體密封示意圖

此試驗中需要制備有色氣體，整個試驗裝置可以分為有色氣體制備模塊、真空腔體模塊以及抽真空裝置模塊。有色氣體制備模塊包括煙霧發生器、儲氣罐、電磁通斷閥、壓力表以及一些管路附件，真空腔體模塊包括真空腔主體、待測試件、橡膠密封圈、壓蓋、真空計、壓力表以及相關附件。

3 測試結果及討論

為了保證試驗數據的可靠性，試驗過程中應保證真空腔體部分良好的密封性，其漏率應該在蜂窩芯材料透氣速率允許的誤差范圍內，本實驗中采用的是保壓狀態下測試不同時間段的真空度，從而間接反映出試驗裝置的密封性。

將整個測試腔體用真空泵抽到測試的真空度，真空泵停止工作，開始進入保壓狀態，通過查看不同時間下四個通道的氣壓值檢測真空腔體的密封性，對比結果如表1所示。

表1 檢測裝置密封性能

由表1中的數據可知，蜂窩芯材料透氣速率檢測裝置腔體密封性良好，其對蜂窩芯材料的透氣速率造成的影響值遠小于允許的誤差，證明本透氣速率檢測裝置得出的數據真實可靠，誤差在允許的范圍內。分別對同一塊蜂窩芯材料在不同初始真空度下進行透氣速率測試，透氣時間及透氣速率結果如表2所示。

表2 不同真空度下透氣速率檢測

同時在實驗中不允許蜂窩芯板存在透氣死點現象，本實驗裝置中采用有色氣體測試，其透氣死點可以很直觀地反應出來，由于有色氣體存在細小的顆粒，為了驗證煙霧的細小顆粒不會堵塞蜂窩芯板的透氣小孔，實驗中分別比較了有煙和無煙兩種情況下透氣速率的快慢，結果如表3所示。可以看出，在有煙和無煙的狀況下，蜂窩芯材料的透氣速率幾乎一致，說明煙霧中的小顆粒不會堵塞蜂窩芯板的透氣小孔，本實驗中采用的煙霧氣體完全符合試驗要求。

表3 有無煙霧透氣速率對比

4 結束語

論文設計了一套用于檢測蜂窩材料透氣速率的系統，在滿足密封條件的前提下，測試了給定蜂窩芯板設計的透氣時間和透氣速率，從得到數據結果可知，試驗結果重復性較好；同時采用煙霧氣體檢測蜂窩芯材料的透氣死點，并分別通過有煙和無煙兩種狀態下得到透氣速率結果可知，煙霧不會堵塞蜂窩芯材料的透氣小孔，表明蜂窩芯材料具有較好的氣體逸散性能，實驗為蜂窩芯材料的工程應用提供了一定的數據支持。

1 Allen H G. Analysis and Design of Structural Sandwich Panel[M]. Pergamon Press, 1969

2 Gibson L J, Ashby M F. Cellular solid: Structure and Properties[M]. Pergamon Press, 1988

3 馮旭，孫玚，趙申. 剛度及力的傳遞路徑對剛度的影響[J]. 山西建筑，2011 (4)：20～21

4 Tuttle M E. A mechanical/thermal analysis of prestressed composite laminates[J]. J Compos Mater, 1988, 22(8): 780～786

5 Tuttle M E, Koehler R T, Keren D. Controlling thermal stresses in composites by means of fiber prestress[J]. J Compos Mater, 1996, 30(4): 486～502

6 Corten H T. Composite Materials: Testing and Design[M]. ASTM, 2012.2

7 趙志敏，邱振芳，林有義. 光纖埋入對復合材料剛度的影響[J]. 航空學報，1998，19(1)：99～103

Detection System of Honeycomb Core Material Air Permeability Rate

Li Junsan1，2

(1.School of Systems Engineering, National University of Defense Technology, Changsha410073; 2.China Academy of Space Technology, Beijing 100094)

In this paper, through the design of the permeability detection device of the honeycomb core material, using the pressure difference method to test the air permeability rate under different initial vacuum degrees. At the same time, the colored gas was prepared to visualize the entire experiment process, and could be used to detect the air permeable dead point of the honeycomb core board. The experimental results of the paper provide data support for the engineering application of honeycomb core materials.

air permeability rate；honeycomb core material；vacuum；sealing

李君三（1975），碩士，航天工商管理專業；研究方向：空間飛行器制造質量管理、生產線建設、軍品研制能力結構調整等。

2020-06-05