耐沖擊阻燃貨艙襯板的研制

2021-09-05 09:25:29侯鑫李家增趙靖孫超明

航空維修與工程 2021年5期

侯鑫李家增趙靖孫超明

摘要：選用自制改性酚醛/玻璃纖維預浸料制備出滿足性能指標的貨艙襯板，研究了織物形式、纖維種類、固化溫度和鋪層工藝對貨艙襯板相關力學性能的影響。結果表明，選用緞紋織物和S-glass玻纖有利于提高抗沖擊性；固化溫度越高，邊緣承受強度提高，沖擊強度下降，邊緣承受強度與沖擊強度兩性能存在對立關系；剝離面和剝離方向是影響滾筒剝離性能的主要因素。最后，按照材料規范要求對研制貨艙襯板的力學、物理和阻燃性能進行了測試，結果表明所研制的貨艙襯板具有優異的阻燃性能和高抗沖擊性，實現了貨艙襯板研制的國產化。

關鍵詞：耐沖擊；阻燃；貨艙襯板

Keywords：impact resistant；flame retardant；cargo liner

0 引言

貨艙襯板是一種用于覆蓋民機貨艙地面金屬梁、側墻、天花板的薄層壓板產品，厚度從0.18mm至1.78mm不等，通常按照厚度來劃分規格，根據使用位置的不同有多種厚度規格[1-3]。貨艙襯板是一種兼具優異阻燃性能和高耐沖擊性能的民機內飾板材，多以酚醛樹脂為基體，以玻璃纖維織物為增強材料，表面粘接白色或米色裝飾膜。國內飛機制造商的民用機型和波音公司的B737、B747、B777、B787等機型中都應用了貨艙襯板。

各飛機制造商均根據自己的設計需求制定了相應的貨艙襯板材料規范，如波音公司制定了BMS8-223規范，對性能指標和測試方法進行了詳細的規定。貨艙襯板需兼具高沖擊和優異阻燃性能，傳統酚醛樹脂具有優異的阻燃性能，但呈現脆性沖擊性能差，需在保證不降低阻燃性能的條件下對酚醛樹脂進行增韌改性，研發技術難度大，資金投入多，周期長，對襯板的國產化造成很大阻力。國內對貨艙襯板的研制起步較晚，研制基礎薄弱，開展研制的單位較少，公開報道較少，目前暫無滿足要求的合格制造商[4-10]。國內航空維修單位均采購國外制造商生產的貨艙襯板，如美國MC.Gill公司的產品，但存在供貨周期長、價格高等問題。隨著國內市場需求量的增長，彌補國內貨艙襯板研發領域的空白刻不容緩。

本文介紹一種貨艙襯板的研制方法：采用自制改性酚醛/玻璃纖維預浸料，選用層壓成型工藝。該方法較系統地研究了織物形式、纖維種類、固化溫度、鋪層工藝對性能的影響，所研制貨艙襯板各項性能達到飛機制造商的材料規范要求，成功解決了研發中的技術瓶頸問題，未來可應用于國內的維修替換和飛機制造，打破了國外制造商的壟斷。

1 研制內容

1.1 主要原材料

選用相同規格的自制改性酚醛樹脂為基體，相同面重、不同織物形式和纖維種類的玻璃纖維織物為增強材料，自制4種規格的改性酚醛/玻璃纖維預浸料，如表1所示。白色表面裝飾膜的規格為BB-10。

1.2 制備過程

采用層壓成型工藝制備貨艙襯板，工藝流程如圖1所示。

將自制預浸料和白色表面裝飾膜裁剪為相同的1000mm×1000mm尺寸大小，3層預浸料按照[0/0/0]鋪貼，最后將1層白色表面裝飾膜鋪貼于預浸料的經緞面。成型工藝參數：成型壓力0.7MPa，預壓溫度90℃，保溫時間30min；固化溫度120℃，保溫時間90min，升溫速率（2～5）℃/min，自然冷卻至60℃以下脫模，如圖2所示。

1.3 性能測試

在研制過程中，依據波音飛機貨艙襯板材料規范（規范號BMS8-223，下稱材料規范）的要求進行力學、物理和阻燃性能測試，如表2 所示。

2 研制結果

2.1 織物形式和纖維種類對沖擊性能的影響

常用的玻璃纖維織物有平紋（Plain）、斜紋（Twill）、緞紋三種形式（Satin），選用AR81-G25-35a、AR81-G25-35b、AR81-G25-35c三種規格預浸料按照圖2所示成型工藝參數制備貨艙襯板，對比不同織物形式對沖擊性能的影響，測試結果如圖3所示。從測試結果中可以得出沖擊強度對比結果為緞紋織物>斜紋織物>平紋織物，沖擊測試時固定尺寸和重量的錘頭從高處落下，以一定的能量沖擊襯板，當受到能量沖擊時樹脂基體首先發生開裂，隨著裂紋的擴展，纖維與樹脂界面破壞產生分層、纖維拔出和纖維斷裂，由于三種織物的單位面積經緯纖維交織點數有差異，為平紋織物>斜紋織物>緞紋織物，交織點處纖維屈曲受到能量沖擊時易產生纖維拔出和斷裂，從測試后破壞形貌照片（見圖4）中可以看出，交織點數多的平紋織物纖維拔出尺寸較短，纖維斷裂產生的裂紋長度較長，呈十字形破壞形貌；交織點數較少的斜紋和緞紋織物纖維拔出尺寸較長、纖維斷裂產生的裂紋較短，破壞處凸起呈錐形破壞形貌，因此交織點數少的緞紋織物較平穩和斜紋具有更優異的抗沖擊能力。

選用緞紋織物形式的無堿玻璃纖維E-glass和高強玻璃纖維S-glass即AR81-G25-35c和AR81-G25-35兩種規格預浸料按照圖2所示成型工藝參數制備貨艙襯板，對比不同纖維種類對沖擊性能的影響，測試結果如圖5所示。S-glass比E-glass制備襯板的沖擊強度高出7 FT-LB，提高約77%，由于S-glass與E-glass相比具有拉伸強度高、拉伸模量高、斷裂延伸率高和密度低的優勢，沖擊能量作用時纖維會受到軸向拉伸作用力，拉伸性能更高，不易發生斷裂，同時較高的斷裂延伸率與增韌改性酚醛的斷裂延伸率有更好的匹配性，承受沖擊能力增強。織物單位面積重量相同條件下，密度較低的S-glass織物比E-glass織物更致密，在一定程度上有利于沖擊強度的提高。

2.2 固化溫度對沖擊和邊緣承受強度性能的影響

選用AR81-G25-35規格預浸料，按照圖2所示成型工藝參數，在其他條件不變的前提下分別選取固化溫度100℃、110℃、120℃、130℃進行單一變量試驗，對不同固化溫度襯板的沖擊強度、邊緣承受強度和固化度進行測試，其中固化度的測試依據纖維增強塑料樹脂不可溶分含量試驗方法（GB/T 2576-2005）。

圖6、圖7和圖8分別為不同固化溫度對邊緣承受強度、沖擊強度和固化度的影響。從圖中可以看出，經向（Warp）和緯向（Fill）的邊緣承受強度隨著固化溫度的升高而提高，沖擊強度隨著固化溫度的升高而降低，固化度隨著固化溫度的升高而提高。由此可見，高固化度有利于邊緣承受強度的提高，但不利于沖擊強度的提高，邊緣承受強度與沖擊強度兩者存在對立關系。復合材料由樹脂和纖維兩相組成，當固化度高時，表明樹脂交聯程度高，具有更好的強度和剛性，表現為樹脂本身的拉伸強度和模量的提高，因此邊緣承受強度隨之提高；但樹脂剛性的提高導致其斷裂延伸率下降，遠小于纖維的斷裂延伸率，由于兩者的斷裂延伸率不匹配，在受到能量沖擊時，樹脂基體發生開裂現象后裂紋極易擴展導致纖維斷裂沖擊試樣被穿透，因此固化度高時復合材料整體呈現脆性，不利于抗沖擊能力的提高。

2.3 鋪層工藝對滾筒剝離性能的影響

AR81-G25-35規格預浸料織物形式為8枚三飛緞紋，緞紋組織的相鄰兩根經紗或緯紗的組織點相距較遠，所有組織點規律分布且不連續，在織物表面呈現經或緯的浮長線，因此緞紋織物一面為經面緞（Warp Satin），一面為緯面緞（Fill Satin），織物兩面結構圖如圖9所示。由于緞紋織物兩面存在差異性，因此鋪層工藝和測試時剝離面的不同會對滾筒剝離性能產生影響。選用AR81-G25-35規格預浸料，按照圖2所示成型工藝參數，2層預浸料按照表3鋪層工藝鋪貼和指定的剝離面測試，鋪層[0/0]和[0/90]中的0和90表示預浸料的方向，粘接面鋪層表示2層預浸料中間粘接的兩面分別是經面緞或緯面緞。

當剝離面為經面緞時呈現經紗（Warp Yarn）的浮長線，當剝離面為緯面緞時呈現緯紗（Filling Yarn）的浮長線，經紗的方向為經向（Warp Direction），緯紗的方向為緯向（Fill Direction），如圖9所示。分別沿經向和緯向兩個方向對1#～6#試樣取樣進行滾筒剝離測試，對比剝離方向與浮長線平行（0°）或垂直（90°）時性能的變化，圖10為滾筒剝離測試結果。從圖中對比1#～6#試樣可以看出，相同試樣編號條件下，剝離方向與浮長線垂直（90°）時的滾筒剝離強度均高于平行（0°）時的滾筒剝離強度，高出約100%，這是由于前者剝離面中浮長線與樹脂之間線接觸形式的粘接強度大于后者點接觸形式的粘接強度。1#、3#與2#、4#試樣對比得出2#、4#試樣0°和90°的滾筒剝離強度均高于1#、3#試樣，由此看出剝離面為緯面緞時，剝離方向與浮長線平行、垂直的兩個方向上滾筒剝離性能優于剝離面為經面緞，這是由于緞紋布在編織時緯向張力小，存在屈曲現象，導致剝離面接觸面積增大，從而提高了滾筒剝離性能。對比3#、4#與5#、6#試樣得出，3#與5#、4#與6#試樣的滾筒剝離性能相差較小，表明鋪層方向對滾筒剝離性能影響較小。

2.4 研制結論

1）交織點數較少的緞紋織物和力學性能更強的S-glass有利于抗沖擊性能的提高。

2）固化溫度高有利于邊緣承受強度的提高，不利于沖擊強度的提高，邊緣承受強度與沖擊強度兩者存在對立關系。

3）剝離面和剝離方向是影響滾筒剝離性能的兩個主要因素，其中剝離面為緯緞面和剝離方向垂直長浮線時滾筒剝離性能最優，鋪層方向對滾筒剝離性能無明顯影響。

4）選用酚醛樹脂體系研制出的貨艙襯板力學、物理和阻燃性能均滿足材料規范中的指標要求。

2.5 貨艙襯板性能測試結果和分析

選用AR81-G25-35規格預浸料和白色表面裝飾膜為原材料研制的TYPE30型貨艙襯板性能如表4所示。自研襯板各項性能均滿足貨艙襯板材料規范要求，同時因選用了酚醛樹脂體系而具有優異的燃燒性能、煙密度和毒性。

3 結束語

目前，研制的TYPE30型貨艙襯板各項性能已滿足材料規范要求，下一步將進行適航認證，認證通過后可作為波音飛機的維修替換材料和國內飛機制造商的原廠裝機材料使用。相較于國外同規格產品，具有供貨周期短、價格低等優勢，在未來國內飛機維修和制造領域將擁有廣闊的市場前景，經濟效益明顯。