三聚氰胺泡沫壓縮緩沖性能研究

徐挺 劉星 武海生 靳楠 于帥 楊淇帆

（北京衛星制造廠有限公司，北京 100094）

文摘 面向航天器對高性能緩沖材料的設計需求，采用重復壓縮循環加載、長時恒壓強加載、長時恒位移加載等多種加載方式，對三聚氰胺泡沫材料在不同狀態下的壓縮緩沖性能進行了表征。分析了壓潰預處理、多次抽真空預處理、長時壓縮處理等多種處理方式對三聚氰胺泡沫壓縮緩沖性能的影響規律。結果表明，隨著60%重復正壓縮次數增加，泡沫壓強-位移曲線逐步滯后；重復正壓50次后，泡沫發生9.8%永久塑性變形；負壓壓潰預處理對泡沫力學性能影響較大，6和8 mm泡沫最大壓強分別衰減至64%和66%；長期恒位移壓縮兩個月后，泡沫壓強衰減14.88%。三聚氰胺泡沫壓縮試驗結果可為后續航天器緩沖材料、緩沖結構的選擇和設計提供參考。

0 引言

三聚氰胺泡沫又名密胺泡沫，其分子結構中含有大量的三嗪環結構，由三聚氰胺樹脂和甲醛樹脂預聚體經過固化發泡工藝發泡而成，形成開孔率達99%的三維網狀交聯結構。相比傳統泡沫塑料如聚苯乙烯和聚氨酯，三聚氰胺甲醛泡沫具有優異的吸音性、絕熱性、耐熱性、保溫性、阻燃性和緩沖性能，因而在公共場所、交通工具、道路隔音、汽車制造、管道保溫、鐵路船運、航空航天等領域均具有十分重要的應用價值［1-6］。國外BASF 和Illbruck 公司生產的Basotect 和Illtec 系列軟質密胺泡沫具有良好的機械性能、緩沖性能、隔音性能和隔熱性能［7］，占據了主要的高端市場份額，而國內中原大化等公司生產的密胺泡沫目前還只應用于低端的清潔產品及部分隔熱泡棉，在高性能產品方面仍需不斷改進，如產品密度的穩定控制、高低溫交變尺寸穩定化控制以及產品加工尺寸的質量控制等。

國內航天器對高性能緩沖材料有迫切的需求，要求該材料質地松軟，結構/機構裝配前可通過負壓抽真空消除占位，裝配完成卸壓后能自由可控回彈至指定裝配位置，提供適宜的壓縮緩沖回彈力，從而保證航天器機構之間的相互壓緊且結構安全狀態。因此泡沫材料成為首選，在力學性能和緩沖性能方面，國內對聚酰亞胺泡沫的研究比較深入［8-10］，針對三聚氰胺泡沫的壓縮緩沖性能，正壓或負壓處理對泡沫力學性能的影響，國內目前未見報道。

為評估三聚氰胺泡沫壓縮緩沖性能，本文針對航天器高性能緩沖材料的需求特點，研制泡沫材料初始狀態的壓縮緩沖力學性能，重復循環壓縮對泡沫壓縮緩沖承載及壓縮永久變形的影響，模擬負壓抽真空處理對壓縮緩沖承載能力的影響，及長周期承載狀態下，泡沫壓縮緩沖性能的穩定狀態及壓強衰減百分比等開展研究，擬為后續航天器緩沖材料、緩沖結構的選擇和設計提供參考和借鑒。

1 實驗

1.1 原材料

采用的三聚氰胺泡沫密度為8 kg/m3，由濮陽綠宇新材料科技有限公司生產后，于溫控箱開展-150～200 ℃大梯度高低溫交變循環-長時穩定化處理，使溶劑徹底揮發，小分子完全反應，泡沫骨架牢固。試樣規格為150 mm×150 mm，厚度分別為10、8、6 mm。試驗開始前，試樣在溫度（23±5）℃，相對濕度小于65%的環境中放置48 h以上。

1.2 測試方法

1.2.1 初始狀態力學性能

為了解三聚氰胺泡沫產品使用過程中由初始自由狀態壓縮后提供的反向緩沖力的大小，設計將泡沫試樣由自由狀態（10 mm）壓縮至密實狀態（為保證試驗機安全，密實狀態定為2 mm），測試該過程中的壓縮緩沖壓強的變化，評估其力學性能。參考GB/T 8813—2008，將泡沫試樣水平放置在加載平臺上，利用Instron 萬能力學試驗機將泡沫試樣由自由狀態10 mm 壓縮至2 mm，測試隨壓縮位移變化的壓縮載荷，記錄加載過程中的壓強-位移曲線。

1.2.2 重復壓縮力學性能

為模擬三聚氰胺泡沫產品重復裝配及多次地面試驗過程中被裝配產品循環反復壓縮約60%厚度對泡沫材料力學性能的影響，設計50 次重復循環壓縮承載過程，測試過程中壓縮緩沖壓強隨壓縮位移的變化，評估其力學性能。參考GB/T 8813—2008，將泡沫試樣水平放置在加載平臺上，利用Instron 萬能力學試驗機將泡沫試樣由自由狀態10 mm 壓縮至4 mm（壓縮量60%），重復循環壓縮50 次，測試壓縮位移變化的壓縮承載力，記錄加載過程中的壓強-位移曲線，測量重復壓縮前后泡沫試樣的厚度。

1.2.3 負壓（抽真空）預處理后力學性能

為模擬機構產品抽真空負壓狀態下裝配及反復裝/卸載過程對泡沫材料力學性能的影響，設計負壓抽真空預處理試驗，測試多次負壓預處理完成后泡沫壓縮緩沖壓強的變化，評估其力學性能。機構產品裝配極端工況將緩沖產品封閉抽真空提供裝配空間，抽真空裝配最大時間極限約為48 h，因此將該工況定位為壓潰預處理，模擬該產品極端工況，設計壓潰預處理試驗，測試試驗完成后泡沫壓縮緩沖壓強的變化，評估其力學性能。

（1）壓潰預處理，圖1為泡沫壓潰預處理示意圖，利用泡沫壓潰處理工裝，將全部測試泡沫試樣封裝成一個密封系統，抽真空，維持48 h 后，卸真空壓，泡沫測試樣品自由恢復24 h 后，泡沫樣品取出。參考GB/T 8813—2008，將泡沫試樣水平放置在加載平臺上，將泡沫由自由狀態壓縮至1 mm（密實狀態），測量三次重復壓縮-壓強位移曲線。

（2）多次抽真空預處理，按圖1所示處理封裝狀態分別將泡沫進行50、100、150、200 次重復抽真空預處理，每次處理時，真空維持1 min，卸壓，維持1 min，處理完成后自由恢復時間不小于6 h，泡沫試樣取出，然后參考GB/T 8813—2008，將泡沫試樣由自由狀態壓縮至1 mm，記錄測試過程壓強-位移曲線。

圖1 泡沫壓潰預處理示意圖Fig.1 Schematic diagram of foam crushing pretreatment

1.2.4 長周期壓縮試驗

為模擬機構產品地面試驗長期恒壓承載10 kPa［模擬被裝配產品承受壓強范圍為（10±2.5）kPa，試驗取中間值］、地面及在軌試驗長期恒位移（壓強取最大值12.5 kPa 時）承載工況對泡沫力學性能的影響，設計長期壓縮試驗，測試長時恒壓承載時泡沫位移的變化，及長時恒位移承載時泡沫提供緩沖壓強的衰減變化，評估其性能。

（1）長時壓縮力學性能（恒壓強）如圖2所示，對負壓預處理及連續壓縮試驗后的泡沫開展壓強為10 kPa的長時靜壓試驗，將泡沫置于平臺上，根據壓強-位移曲線，記錄壓強為10 kPa對應的載荷值，將對應載荷等效為相應質量的重物，利用靜壓輔助工裝將重物置于泡沫上面，靜壓時間不小于30 d，第1天每3 h測試一次泡沫厚度，第1周每天測試一次泡沫厚度，之后每周測試一次泡沫厚度，記錄泡沫厚度值。厚度值采用高度尺測量。

圖2 長期靜壓試驗實物圖Fig.2 Picture of long-term static pressure test

（2）長時壓縮力學性能（恒位移），根據已有泡沫測試數據及壓縮規律，首先將規定壓強的重物置于泡沫試樣的正上方，24 h 后記錄對應的位移，并對該位移進行鎖定，恒位移加載持續過程2 個月，并每周對其卸載一次，泡沫自由恢復0.5 h 后，緩慢分級加載，直至泡沫試樣壓縮至鎖定位移時，記錄重物的質量，并計算對應的壓強及壓強的衰減量。

1.3 數據處理方法

壓強：壓強=載荷/試樣受力面積；

壓強衰減量：壓強衰減量=（初始壓強-剩余壓強）/初始壓強×100%；

壓強-位移曲線：通過試驗機軟件逐點記錄壓縮過程中的載荷與位移點，然后導出數據換算成壓強與位移點，整體導入Origin 2017 軟件中，設計生成壓強-位移曲線；

厚度-時間曲線：通過高度尺測量壓縮后泡沫厚度，記錄厚度與時間點，整體數據導入Origin 2017 軟件中，設計生成厚度-時間曲線。

2 結果與討論

2.1 初始狀態力學性能

如圖3 所示為泡沫由自由狀態10 mm 壓縮至2 mm過程中的壓強-位移的曲線。

圖3 泡沫10 mm壓縮至2 mm的壓強-位移曲線Fig.3 Pressure-displacement curve of foam compressed from 10 mm to 2 mm

由曲線可以看出，隨位移的變化，壓強逐漸變大，呈正相關。壓強-位移曲線大致可以分為線彈性段、平緩段和密實段，位移在0～0.7 mm時，曲線出現短暫的線彈性段，該曲線段壓強最大值為9.94 kPa，模量約為27.13 kPa；位移在2～6 mm過程中，曲線段較為平緩，壓強由11.44 kPa增加至18.35 kPa，模量約為1.58 kPa；位移增至6 mm以后，曲線為密實段，此時隨著位移的增加，壓強增加劇烈，而泡沫材料變得致密。

2.2 重復壓縮力學性能

圖4為泡沫50次重復壓縮的壓強-位移曲線，可看出，第一次重復壓縮時，泡沫壓強達到10 kPa時的壓縮位移為3.53 mm，第50 次重復壓縮后，泡沫壓強達到10 kPa時的壓縮位移為5.72 mm，且壓縮位移從自由狀態10 mm壓縮至6 mm時，最大壓強由第1次的16.25 kPa降至第50次的12.95 kPa。表明隨著重復壓縮次數的增加，泡沫壓強位移曲線呈現逐步滯后的現象，相同壓強對應的壓縮位移逐漸增加，相同壓縮位移對應的壓強逐漸減小。比較圖4（c），1到5次重復壓縮壓強-位移曲線和1-10-20-30-40-50次重復壓縮曲線，可看出泡沫相應壓縮位移對應的壓強發生不同程度的下降，從曲線初始段開始對比可知，泡沫在重復壓縮后至下一次壓縮后，泡沫厚度未發生完全回彈，經50 次重復壓縮后，泡沫由測試前厚度10.33 mm變為測試后厚度9.32 mm，泡沫發生1.01 mm即9.8%的壓縮永久位移。可以據此判斷泡沫壓縮位移6 mm，即50 次重復壓縮60%對泡沫本身性能產生影響，泡沫發生永久塑性變形。

圖4 泡沫重復壓縮50次的壓強-位移曲線Fig.4 Pressure-displacement curves of foam under repeated compression for 50 times

2.3 負壓預處理對泡沫力學性能的影響

2.3.1 無處理泡沫的壓縮試驗

圖5為無處理6、8 mm泡沫壓縮壓強-位移曲線。從圖中可以看出，未經過抽真空處理的泡沫壓縮壓強-位移曲線與之前的10 mm 厚度壓縮壓強-位移曲線趨勢一致，泡沫在壓縮載荷下，壓強-位移曲線大致可以分為線彈性段、平緩段和密實段，隨位移的變化，壓強逐漸變大，呈正相關。

圖5 無處理泡沫的壓強-位移曲線Fig.5 Pressure-displacement curves of untreated foam

2.3.2 壓潰預處理泡沫的壓縮試驗

分別對6、8 mm 泡沫進行壓潰預處理，處理完成后測試樣品自由恢復24 h 后進行三次連續壓縮試驗，圖6 為壓潰預處理后泡沫的壓強-位移曲線。從曲線可以看出，6、8 mm 泡沫的最大壓強分別由原來的25、45 kPa 衰減至16、30 kPa，同時10 kPa 壓強對應的壓縮位移也分別由原來的3.7、5.5 mm 增加至4.5、6.3 mm，由此可見，壓潰預處理對泡沫機械性能的影響較大，6 和8 mm 泡沫能承受的最大壓強分別衰減至64%和66.7%。

圖6 壓潰預處理泡沫的壓強-位移曲線Fig.6 Pressure-displacement curves of foam after crushing pretreatment

2.3.3 多次抽真空預處理泡沫的壓縮試驗

將經過壓潰預處理后的泡沫試樣，再次封裝抽真空維持1 min，卸壓維持1 min，循環50、100、150、200次后卸壓，自由恢復時間≮6 h后進行壓縮性能測試。圖7為真空預處理泡沫的壓強-位移曲線，對比了6、8 mm泡沫經過無處理、壓潰預處理、50次抽真空預處理、100次抽真空預處理、150次抽真空預處理、200 次抽真空預處理后的壓強-位移曲線。從圖中可以看出，隨著預處理次數的增加，6 mm泡沫最大壓強出現了明顯衰減，由未處理的25 kPa衰減至約10 kPa，10 kPa對應的壓縮位移也由初始狀態的2.4 mm增加至4.8 mm。而對于8 mm泡沫，最大壓強也出現了同步衰減現象，最大壓強由未處理的45 kPa衰減至25 kPa左右，壓強為10 kPa對應的壓縮位移由初始的0.8 mm增加至5.8 mm。

圖7 抽真空預處理泡沫的壓強-位移曲線Fig.7 Pressure-displacement curves of vacuum pretreated foam

2.4 長時壓縮力學性能

2.4.1 恒壓強壓縮

35 d長期壓縮試驗結果如圖8所示，從圖中曲線可以看出，6、8 mm 泡沫經過壓潰預處理、50 次抽真空處理、100 次抽真空處理、150 次抽真空處理、200次抽真空處理后的泡沫試樣在恒定10 kPa 壓強壓縮的第15 d 之后泡沫厚度基本可以保持穩定狀態，穩定狀態厚度為0.5～2 mm 厚度區間。經過壓潰預處理和抽真空處理后的泡沫可以在2 d 內迅速靠近穩定泡沫壓縮厚度。

進一步分析圖8（a）曲線可以發現，在壓潰預處理后，長期10 kPa 恒壓強壓縮，已超過泡沫線彈性段和泡沫平緩段，而直接到達泡沫密實段，此時載荷工況已超過泡沫的柔性承載區間，壓潰處理完成后的循環抽真空處理次數對泡沫材料影響不大。

圖8 長期靜壓試驗結果Fig.8 Long term static pressure test results

2.4.2 恒位移壓縮

表1 為規定位移下三聚氰胺泡沫長期恒位移壓縮后的壓強變化。從表1可以看出，隨著測試次數的增加，即壓縮時間的增加，三聚氰胺泡沫規定的緩沖位移能緩沖的壓強呈現逐漸減小的趨勢（部分數據的偏差主要是受測量誤差影響），第9次測試結束后，即恒位移壓縮兩個月后，泡沫自由狀態壓縮至鎖定位移時，泡沫壓強由最初的12.5 kPa 衰減至10.64 kPa，衰減14.88%。

表1 規定位移下三聚氰胺泡沫的壓強變化Tab.1 Pressure change of melamine foam at specified displacement

3 結論

（1）三聚氰胺泡沫的壓縮應力-應變曲線可以分為初始線彈性段、平緩段和密實階段，隨位移的變化，壓強逐漸變大，呈正相關。（2）60%重復壓縮載荷工況下，隨著重復壓縮次數的增加，三聚氰胺泡沫壓強位移曲線呈現逐步滯后現象，相同壓強對應的壓縮位移逐步增加，相同壓縮位移對應的壓強逐步減小。經歷50次重復壓縮后，泡沫發生9.8%的壓縮永久位移，泡沫發生永久塑性變形。（3）抽真空壓潰預處理對泡沫機械性能的影響較大，6和8 mm泡沫能承受的最大壓強分別衰減至64%和66%。（4）在壓潰預處理后，長期10 kPa恒壓強壓縮，已超過泡沫線彈性段和泡沫平緩段，而直接到達泡沫密實段，此時載荷工況已超過泡沫的柔性承載區間，壓潰處理完成后的循環抽真空處理次數對泡沫材料影響不大。長期恒位移壓縮兩個月后，泡沫自由狀態壓縮至鎖定位移時，泡沫壓強衰減14.88%。