國產5056鋁蜂窩芯的制備與性能評價

徐挺 劉星 武海生 黎昱 呂琦 榮健

（北京衛星制造廠有限公司，北京 100094）

文摘 針對太陽翼基板用高性能低密度5056 鋁蜂窩芯的需求，開展了國產5056 超薄鋁箔制備及配套陽極氧化表面處理、國產5056鋁蜂窩的制備和性能評價。研制的國產5056鋁蜂窩芯公稱密度17.28 kg/m3，節點強度為1.87 kN/m，蜂窩芯裸壓縮、平面壓縮、L 向剪切、W 向剪切強度分別達到了0.29、0.31、0.38、0.27 MPa，力學性能均達到了進口蜂窩芯的水平。蜂窩芯膠膜熱破工藝性能較好，網格夾層結構節點無脫開，彎曲剛度和強度測試值均達到了進口蜂窩測試值的水平，可以滿足使用需求。試驗結果可為后續高性能低密度鋁蜂窩芯的型號應用及原材料國內自主保障提供數據基礎及技術基礎。

0 引言

針對衛星、飛船等航天器的發射環境、長期在軌服役環境等，要求其結構具有輕量化、高比強度、高比剛度的特性。蜂窩夾層結構是由蜂窩芯和上下面板通過膠黏劑連接形成的一種“三明治”構型，具有較高的強度/質量比、較優的剛度/質量比、較好的抗疲勞性能、良好的阻尼減振、吸/隔聲降噪等優異綜合性能，在航天器結構中得到了廣泛使用［1-3］。太陽翼是衛星在軌服役時將太陽光轉換為電能的重要結構，通常由多塊太陽翼基板及其表面承載的太陽能電池/電路、連接結構、連接機構組成，對基本結構的輕量化以及比強度、比剛度、耐空間環境性能提出了更加苛刻的要求［4-6］。目前，國內外主要采用美國Hexcel 公司生產的、規格為 CR Ⅲ-3/8-5056-.0007P-1.0 的超低密度鋁蜂窩芯解決這一難題。該型鋁蜂窩芯采用厚度僅為18 μm 的超薄5056鋁箔制備，芯格尺寸（芯格內切圓直徑）達到9.52 mm，體密度16 kg/m3，是目前世界上商品化供應最輕的鋁蜂窩芯之一，具有超輕、耐高低溫交變、耐鹽霧腐蝕、耐空間環境、良好導電性、良好側壁透氣性等特性［7-10］。

目前國產普通鋁蜂窩芯，主要采用5 系（5052、5A02 等，面向軍品及航空航天應用）和3 系（3003，面向民用）鋁合金箔，最小厚度30 μm，通過“拉伸法”制備而成，而國內高性能國產鋁蜂窩芯尚處于研究階段，未實現型號應用。因此，國產太陽翼基板現完全依賴于進口Hexcel 和Plascore 超低密度5056 鋁蜂窩芯，本文針對國產5056 鋁蜂窩芯開展制備實驗研究與性能評價，實現高性能鋁蜂窩芯國產化替代，擬提升我國航天器關鍵材料的自主保障能力。

1 實驗

1.1 原材料

（1）5056 鋁箔，北京衛星制造廠有限公司聯合西南鋁業（集團）有限責任公司研制；

（2）鋁蜂窩芯，規格3/8-5056-0.000 7P-1.0，北京衛星制造廠有限公司聯合河北東恒宇功能材料新技術有限公司研制；

（3）BS-2環氧樹脂，自制；

（4）CCM40J碳纖維，威海拓展纖維有限公司；

（5）J-312L熱破膠膜，黑龍江石油化工研究院。

1.2 實驗方法

（1）重鉻酸鉀點滴測試

采用重鉻酸鉀點滴測試來檢測封孔涂層的耐蝕性，耐蝕標準為樣品表面顏色出現綠色時間。操作流程：用滴管蘸取重鉻酸鉀溶液對特殊表面處理完成后的50 mm×50 mm 樣品選取不同部位、正反兩面進行重鉻酸鉀滴定［環境溫度（23±5）℃，濕度58 %］，每隔1 min 拍照記錄滴定實驗后樣品形貌，直至樣品表面顏色變綠。

（2）鹽霧實驗

按照HB5443—1990 夾層結構用耐久鋁蜂窩芯規范進行鹽霧實驗，測試鋁蜂窩芯材鹽霧實驗30 d后樣品平均失重；試驗前將測試樣品置于（175±5）℃的烘箱中加熱6 h±10 min，取出放入干燥器中冷卻至室溫；試驗時利用鹽霧環境箱連續噴霧開展試驗，鹽霧沉降率1.0～2.0 mL/（80 cm2·h），鹽霧環境箱中環境溫度（35±1）℃。

（3）接觸角測試

在測試環境溫度（23±5）℃，濕度58%條件下，利用表面接觸角-張力測定儀將特殊表面處理完成后的試驗鋁箔樣品置于固定試驗平臺，在固體表面滴一液滴，拍照記錄鋁箔樣品固體表面上的固-液-氣三相交界點處，其氣-液界面和固-液界面兩切線把液相夾在其中時所成的角。

（4）蜂窩芯基本物理性能測試

按照HB5443—1990 夾層結構用耐久鋁蜂窩芯規范對制備鋁蜂窩的芯格尺寸和芯格節距進行測量；采用稱重法對鋁蜂窩的質量進行測量；采用萬用表測試試樣1 m×1 m范圍內導通電阻。

（5）力學性能測試

采用膠接鋁蜂窩芯子節點強度試驗方法、膠接鋁蜂窩夾芯結構和芯子平面壓縮性能試驗方法、膠接鋁蜂窩夾層結構和芯子平面剪切試驗方法對鋁蜂窩的相應力學性能進行測試。

（6）膠膜熱破工藝性能測試

針對國產5056高性能鋁蜂窩芯進行膠膜熱破試驗，開啟膠膜熱破設備，對熱破工作艙預熱，將熱破膠膜表貼至固定于膠膜熱破夾具工件的蜂窩芯表面，放入熱破工作艙中，調試工作艙預熱溫度、熱風刀溫度、石英燈加熱功率、熱風刀/石英燈水平移動速率等膠膜熱破工作參數，開始熱破，熱破完成后將熱破夾具工件取出。參照GB/T 20967—2007、GB/T 20968—2007 使用目視檢驗結合10 倍放大鏡輔助檢驗方式對鋁蜂窩芯端面的膠黏劑形貌、熱破率進行評估。

熱破率計算公式：熱破完成的蜂窩芯格數/蜂窩芯格總數×100%。

預固化度測定：基于DSC 差式掃描量熱儀法，通過測定經膠膜熱破工藝與原始膠膜的固化放熱焓值，計算膠膜熱破后膠黏劑的固化度。

預固化度計算公式：（1-熱破完成后膠膜固化放熱焓/原始膠膜固化放熱焓）×100%。

對熱破完成后的膠膜蜂窩芯組合體與正交纏繞網格復合制備網格夾層結構試驗件，按照相關標準的要求測試網格夾層三點彎曲剛度和四點彎曲強度。

2 結果與討論

2.1 國產5056超薄鋁箔的設計制造

2.1.1 合金成分設計

對國內外鋁蜂窩常用鋁箔的關鍵性能參數進行研究，如表1 所示，可以看出當前廣泛使用的國產鋁箔主要是力學性能較低的3003/5A02（LF2）鋁箔，最小鋁箔厚度30 μm；國外主要是力學性能更好的5052 和5056，最小箔厚能達到18 μm，制成的鋁蜂窩芯的體密度更小，比力學性能更高。

邳州市自2008年開展測土配方施肥工作以來，目前已推廣275萬畝次，其中玉米45萬畝。為跟蹤調查常規施肥、測土配方施肥的不同方式下玉米氮肥、磷肥和鉀肥的利用率現狀，控制化肥施用總量、優化施肥結構、科學肥料運籌、改進施肥方式提供科學依據，特進行了玉米施肥氮磷鉀肥料利用率試驗。

表1 國內外鋁蜂窩芯用鋁合金箔參數對比Tab.1 Comparison of parameters of aluminum alloy foilfor aluminum honeycomb core at home and abroad

優異的5056 鋁合金具有更高的Mg 含量及其他元素含量，見表2，屈服強度更高，制備的鋁蜂窩力學性能也更高。

表2 5056鋁合金成分Tab.2 Composition of 5056 aluminum alloy %（w）

根據理化測試的分析，設計兩種5056 超薄鋁箔的研制方案。方案A 使用高Mg 含量，目的在于提高合金的抗拉強度，對提高蜂窩強度有利。方案B 有較高的Mn、Cr 能形成彌散相有利于抵抗退火強度的下降且中間退火工藝有利于促進Mg、Si 的固溶，Mg固溶有強化作用而對電阻影響不明顯，Si 固溶量增加有利后續AlMnSi的析出。因此綜上選用B 方案作為5056超薄鋁箔的成分設計方案。

2.1.2 鋁箔生產工藝

根據選取的合金成分設計方案，制定5056超薄鋁箔的生產工藝流程，如圖1所示。

圖1 5056超薄鋁箔生產流程圖Fig.1 The production flow chart of 5056 ultra-thin aluminum alloy foil

其中冷軋+鋁箔軋制工藝鋁箔厚度變化為：4.1 mm→1.3 mm→清洗切邊→第一次中間退火→0.32 mm→清洗→第二次中間退火→0.20 mm→縱切切邊→鋁箔軋制到0.055 mm→切邊至930 mm→第三次中間退火→0.022 mm→成品低溫回火→分切→包裝。圖2為研制鋁箔實物圖。

圖2 5056超薄鋁箔實物圖Fig.2 Photos of ultra-thin 5056 aluminum alloy foil

2.2 國產5056鋁箔表面處理工藝

2.2.1 表面處理工藝

國外Hexcel公司5056蜂窩芯高性能鋁箔主要采用耐蝕性、膠接強度較好但環境污染較大的鉻酸陽極化工藝，基于環保的原則，采用膠接強度好、環保性好、但耐蝕性欠佳的磷酸陽極化工藝。同時陽極氧化工藝輔以前處理和后處理工藝，以保證鋁箔的表面膠接、耐腐蝕和導電性能。通過前處理鋁箔在保證表面清潔、充分活化和組織均勻的前提下，盡可能減少對鋁箔厚度的要求，是獲得良好陽極氧化膜的基礎。陽極氧化是鋁箔表面處理的核心工藝，通過在酸性溶液中進行陽極氧化，獲得耐腐蝕性能、導電性能、表面吸附性能更優的多孔型陽極氧化膜。由于典型的陽極氧化膜具有多孔特性，如不對納米微孔進行有效封閉，陽極氧化膜的耐蝕性能就無法達標，但過厚的封閉層不僅增加鋁箔的質量，而且還可能降低陽極氧化膜的表面吸附性能，因此陽極氧化完成后還需開展相應的后處理工序，以保證后續節點膠強度以及整個蜂窩芯的力學性能。

對于核心的陽極氧化處理工藝，選取不同的陽極氧化工藝參數進行多輪試驗研究。對磷酸濃度、磷酸速度、電流密度、蜂窩節點膠濃度、浸膠環境濕度等工藝參數進行逐一試驗和確定。考慮到J-70溶液濃度、鋁箔行進速度以及整體能耗成本問題，將實驗條件最終確定為：堿+酸清洗前處理，磷酸濃度145 g/L，速度3 m/min，電流密度0.22 A/dm2，J-70濃度1%（v）。以該條件為標準，對超薄5056鋁箔進行前處理，陽極氧化處理和后處理，使作為高性能低密度鋁蜂窩芯的原材料鋁箔擁有適宜的鋁箔厚度，耐鹽霧腐蝕性能，較佳表面接觸角以及良好的導通性能。

（1）重鉻酸鉀滴定實驗

重鉻酸鉀實驗滴定結果如圖3 所示。重鉻酸鉀滴定實驗利用Cl－與鋁合金表面的Al2O3膜反應產生的點蝕通道，使K2Cr2O7進入基體與其發生氧化還原反應，進而橙色的與HCl作用而被還原為綠色的，以此來評價膜層的耐蝕性能。變色時間越短耐蝕性越差，時間越長則耐蝕性能越好。從測試結果可以看出，該工藝處理的鋁箔耐重鉻酸鉀滴定時間約為17～18 min；此外，還可以看出，鋁箔表面不同位置滴定結果相差小于1 min，說明處理涂層均勻性良好。

圖3 不同部位重鉻酸鉀滴定照片Fig.3 The titration photos of different location potassium dichromate

（2）鹽霧試驗

鹽霧實驗結果如表3所示，鋁蜂窩芯材鹽霧實驗30 d 后樣品平均失重為112 μg/cm2，滿足HB5443 中質量損失不應大于135 μg/cm2的項目要求。

表3 鋁蜂窩芯材鹽霧實驗30 d后樣品失重Tab.3 Mass loss of aluminum alloy honeycomb core after 30 d of salt spray test

（3）接觸角測試

國產樣品及進口樣品接觸角測試結果如圖4所示。觀察發現國產樣品接觸角均在60°～70°，Hexcel樣品接觸角為58°±1°，Plascore樣品接觸角為80°±1°國產樣品接觸角介于Hexcel樣品和Plasscore樣品之間，可以滿足使用需求。

圖4 接觸角測試Fig.4 The test of contact angle

綜上，經表面處理后的鋁箔表面平整均勻，表面接觸角在60°～70°，連續30 d 鹽霧試驗后的質量損失為112 μg/cm2，各項檢測數據都滿足相應指標要求。

2.3 國產5056鋁蜂窩芯制備及性能評價

在確定鋁箔和含前后處理的陽極化工藝表面處理的制備工藝后，通過調試節點膠濃度、行進速率、烘干參數、刺孔參數、凹印輥圖案和寬度、熱壓制度等工藝參數，按圖5所示工藝制備了高性能低密度國產5056鋁蜂窩芯。

圖5 高性能鋁蜂窩芯研制工藝流程圖Fig.5 The process flow chart of high performance aluminum honeycomb core manufacture

2.3.1 基本物理性能

按照上述確定的蜂窩芯成型工藝制備的鋁蜂窩芯樣品照片和外觀照片及正反面刺孔照片如圖6～8所示。可以看出，芯格呈正六邊形，表面潔凈、無潤滑脂、金屬屑和雜質。蜂窩芯材各側壁均有孔，在蜂窩高度方向孔間距不大于6.35 mm，孔徑Ф（0.2±0.1）mm，孔邊規整。

圖6 整張蜂窩樣品照片Fig.6 Photos of whole sheet honeycomb

制備鋁蜂窩的芯格尺寸和芯格節距測試數據如表4 所示，芯格尺寸為9.42 mm，芯格節距為16.81 mm，滿足標準要求。

表4 芯格尺寸和芯格節距Tab.4 Size and pitch of core lattice

公稱密度為17.28 kg/m3，滿足公稱密度16×（1±10%）kg/m3的要求。1 m×1 m 范圍內，導通電阻均小于0.1 Ω，滿足蜂窩芯使用要求。

圖7 蜂窩芯外觀實物照片Fig.7 Appearance of honeycomb core

圖8 蜂窩芯正反面刺孔照片Fig.8 The front and back piercing photos of honeycomb core

2.3.2 力學性能

鋁箔涂膠刺孔后，膠條均勻，膠液無拉絲、缺膠等現象。

鋁蜂窩力學實測數據如表5所示，由表中數據可以看出國產高性能低密度鋁蜂窩芯節點強度、平面裸壓強度、L向剪切、W向剪切力學性能均能達到MIL7438指標要求或進口蜂窩芯實測值。

表5 蜂窩芯力學性能測試結果Tab.5 Mechanical properties of aluminum core

2.4 國產5056鋁蜂窩芯夾層結構

2.4.1 膠膜熱破工藝性能

針對國產5056高性能鋁蜂窩芯進行膠膜熱破試驗，圖9為膠膜熱破完成后的芯格照片。

圖9 膠膜熱破完成后的芯格照片Fig.9 Hot-break gluing photos of core lattice

由照片可以看出，國產鋁蜂窩芯膠膜熱破工藝性能較好，熱破完成后表面上膠均勻，熱破率＞98%，經DSC 差式掃描量熱儀測試雙面熱破完成后膠膜的預固化度為8.7%，可以滿足使用要求。

2.4.2 網格夾層力學性能

表6為網格夾層力學性能測試結果，由測試數據可以看出，國產蜂窩制備的網格夾層結構彎曲剛度和強度基本與進口蜂窩測試性能相當，剛度均大于1×105GPa，強度均大于25 MPa，可以滿足使用需求。

表6 網格夾層力學性能測試結果Tab.6 Mechanical property of grid sandwich structure

3 結論

（1）針對超薄5056 鋁箔開展了成分優選和加工工藝優化研究，確定了鋁箔陽極氧化處理、蜂窩芯制備研制技術路線，成功研制表觀滿足要求的國產5056鋁蜂窩芯。

（2）采用磷酸陽極氧化表面處理后的5056 鋁箔制備的蜂窩芯材經連續30 d 鹽霧試驗后的質量損失為112 μg/cm2，滿足HB5443 中不大于135 μg/cm2的要求。

（3）國產5056 高性能低密度鋁蜂窩芯物理性能達標，蜂窩芯拉伸、壓縮、L向剪切、W向剪切力學性能均能達到MIL7438 指標要求，且達到了進口蜂窩芯的力學性能指標實測值。

（4）使用國產高性能低密度鋁蜂窩芯進行膠膜熱破工藝性能驗證，膠膜熱破工藝性能較好，制備的網格夾層結構無節點脫粘，節點膠接性能較好，可以滿足使用需求。