黄江平，满剑锋，杨建中，叶耀坤，刘荣强，邓宗全

(1.哈尔滨工业大学机电工程学院，哈尔滨 150001； 2.中国空间技术研究院，北京 100094)



铝蜂窝材料温度环境适应性试验研究

黄江平1，满剑锋2，杨建中2，叶耀坤2，刘荣强1，邓宗全1

(1.哈尔滨工业大学机电工程学院，哈尔滨 150001； 2.中国空间技术研究院，北京 100094)

摘要:为了解不同温度下铝蜂窝材料的缓冲性能，对其环境适应性进行了试验研究，包括高低温静压试验(将铝蜂窝材料分别在高、低温箱中保温2 h后进行准静态压缩)和高低温贮存试验(将铝蜂窝材料置于温度逐渐升高的高低温箱中保温9 h后进行准静态压缩)。高低温静压试验结果表明，铝蜂窝材料强度随温度升高而降低；高低温贮存试验结果表明，铝蜂窝材料强度基本不变，未发生失效。说明铝蜂窝材料环境适应性较强，可在极端环境下工作。

关键词:铝蜂窝；环境适应性；高低温试验；贮存试验

1引言

铝蜂窝材料是一种多孔固体材料，具有密度小、比吸能大、压缩变形能力大且变形可控等优点[1-2]，是理想的缓冲吸能材料，在航空航天[3-4]、轨道交通被动防护[5]、船舶[6-7]等领域都有广泛的应用。由于铝蜂窝作为缓冲材料的工作温度范围较广，如应用于月球着陆器时，其工作温度范围一般为-180℃～+150℃[8]；应用于轨道列车时，工作温度范围一般为-40℃～+40℃。为了解铝蜂窝材料在不同温度下的缓冲性能，需对其环境适应性进行试验研究，包括高低温对铝蜂窝材料缓冲性能的影响及铝蜂窝材料在高低温下的贮存性能。

2高低温对铝蜂窝材料缓冲性能的影响

2.1试验目的

了解铝蜂窝材料在不同温度下(-60℃～+80℃)的缓冲性能，主要为强度随温度的变化。

2.2试验方法

本次试验在哈尔滨工业大学空间环境材料评价国防重点实验室进行，试验平台为长春科新试验仪器有限公司WDW3100微控电子万能试验机，试验遵循GB/T2423.1-2008[9]。试验所用铝蜂窝样件通过拉伸法制备，基体材料为5052铝箔以及黑龙江科学院石油化学研究院研制的J71粘结剂。试验方法规划如下：

1)对铝蜂窝样件进行五次试验，样件编号为Y1、Y2、Y3、Y4、Y5，样件规格如表1所示，建立样件编号与温度的对应关系如表2所示；

2)每个编号的样件室温下压缩10 mm后停止；

3)将室温下压缩后的铝蜂窝材料分别置于-60℃、-30℃、0℃、60℃、80℃的温度下保温两小时后进行准静态压缩至压溃。图1为高低温试验示意图。

表1　铝蜂窝样件规格

注：铝蜂窝样件截面不是严格的矩形，需对四条边进行长度测量，表中长1、长2、宽1、宽2意义如图2所示。

表2　铝蜂窝样件与温度对应关系

图1　铝蜂窝材料高低温试验示意图Fig.1　Schematic diagram of high-low temperature test

图2　铝蜂窝样件Fig.2　Test samples

2.3铝蜂窝材料高低温试验结果分析

本试验将铝蜂窝材料先在常温下压缩，得出铝蜂窝样件在常温下的应力-应变曲线，再将压缩后的样件置于相应温度下保温两小时后进行压溃，得出在相应温度下的应力-应变曲线，铝蜂窝材料高低温静态压缩曲线如图3～7所示(为保证长温下的压缩强度与高低温下的压缩强度的可比性，本文试验先在常温下将同一个蜂窝样件压缩10 mm,然后再将压缩后的样件在相应温度下保温后进行压实，所以储存后的样件应变会剧增)。通过对两条曲线进行分析比较得出温度变化对铝蜂窝材料缓冲性能的影响。温度变化对铝蜂窝材料强度的影响如表3所示。

图3　样件Y1应力-应变曲线Fig.3　Stress-strain curve of sample Y1

图4　样件Y2应力-应变曲线Fig.4　Stress-strain curve of sample Y2

图5　样件Y3应力-应变曲线Fig.5　Stress-strain curve of sample Y3

图6　样件Y4应力-应变曲线Fig.6　Stress-strain curve of sample Y4

图7　样件Y5应力-应变曲线Fig.7　Stress-strain curve of sample Y5

由试验结果可知，铝蜂窝材料强度随温度升高而降低，组成铝蜂窝的基体材料包括铝箔基材(5052H38)及粘结剂，因此可由铝箔基材及粘结剂对温度的敏感性进行分析。表4为不同温度下铝箔基材屈服强度变化。

表3　温度变化对铝蜂窝材料强度的影响

注：σc为样件在常温下的压缩强度，σT为在相应温度下保温两小时后的压缩强度。

表4不同温度下铝箔基材屈服强度变化

Table 4The yield strength of aluminum under different temperatures

温度-80℃28℃24℃100℃强度/MPa262255255248强度偏差2.7%00-2.7%

由表4可知，铝箔基材屈服强度随温度升高而降低。在-80℃时，铝箔强度与常温下(24℃～28℃)的偏差为+2.7%，在100℃时，铝箔强度与常温下的偏差为-2.7%，在-60℃～+80℃的温度范围内，铝箔强度变化小于6%。因此，不同温度下蜂窝强度的偏差并不完全由铝箔强度变化所致，还与粘结剂有关。

制备铝蜂窝所采用的粘结剂为黑龙江石化研究院研制的牌号为J71的粘结剂，该粘结剂固化后为树脂材料，树脂材料在高温时软化，强度降低，在低温时脆硬，强度升高[10]。铝箔及粘结剂强度在高低温下共同且一致的变化最终导致了蜂窝强度随温度的变化。

美国HEXCEL公司[11]测试了不同基体材料蜂窝强度与温度的关系，如图8所示。当蜂窝基体材料为5052时，蜂窝强度随温度升高而降低。

图8　美国HEXCEL公司测试蜂窝强度随温度变化曲线[9]Fig.8　The curve of honeycomb strength changes with temperature tested by HEX Corporation[8]

由表3可知，铝蜂窝材料在-60℃～+80℃的温度范围内，与常温下的强度偏差最大为-12%，整体偏差为22%。不同的应用场合所允许的偏差范围不同，如铝蜂窝材料应用于月球着陆器中时，所允许最大偏差为20%。应根据实际应用需求，确定合适的允许偏差。

3铝蜂窝高低温环境贮存性能

3.1试验目的

了解铝蜂窝材料在-160℃～+180℃的温度环境下贮存后是否失效。

3.2试验方法

将铝蜂窝样件置于-160℃～+180℃的环境中贮存，恢复常温后进行静态压缩。试验平台及试验样件同铝蜂窝材料高低温试验。试验规划如下：

1)在常温下将铝蜂窝样件压缩10 mm；

2)将压缩后的铝蜂窝样件置于保温箱内，并将温度降至0℃；

3)在0℃下保温15 min后温度降低20℃，再保温15 min，继续降低20℃，以此类推，直至温度降为-160℃；

4)当温度降为-160℃并保温15 min后，温度升高20℃，再保温15 min；继续升温20℃，以此类推，直至温度升高至+180℃；

5)待温度升高至180℃并保温15 min后，停止加热，使保温箱内温度自然冷却至室温(约20℃)，将铝蜂窝样件压溃。

温度随时间变化曲线如图9所示。图10为铝蜂窝样件在常温下及经高低温贮存后的强度曲线。由图10可知，在-160℃～+180℃的温度下贮存后，铝蜂窝强度下降，与常温下强度偏差仅为2.6%，说明铝蜂窝样件在-160℃～+180℃下贮存后并未失效。

图9　环境适应性试验温度变化图Fig.9　The temperature variations of environmental adaptability test

图10　铝蜂窝温度适应性曲线Fig.10　The strength curve of environmental adaptability test

4结论

由铝蜂窝材料高低温试验可知，铝蜂窝材料强度随温度升高而降低。主要有两方面原因：铝箔基材屈服强度随温度升高而降低；粘结剂随温度升高而软化，强度降低，随温度降低而硬化，强度升高。由铝蜂窝材料高低温贮存试验可知，在-160℃～+180℃的温度环境下贮存后，铝蜂窝材料强度偏差仅为2.6%，说明铝蜂窝材料在极端温度环境下贮存后不失效。

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Experimental Research on Thermal Environment Adaptability of Aluminum Honeycomb

HUANG Jiangping1, MAN Jianfeng2, YANG Jianzhong2,YE Yaokun2, LIU Rongqiang1, DENG Zongquan1

(1.Harbin Institute of Technology，Harbin 150001, China；2.China Academy of Space Technology，Beijing 100094, China)

Abstract:In order to obtain the cushioning properties of aluminum honeycomb at different temperatures, the experimental study on the environmental adaptability was carried out including high-low temperature static compression test and high-low temperature storage test. The high-low temperature static compression test was carried out by compressing the aluminum honeycomb after being insulated in a constant temperature incubator for 2 hours and the results showed that the compression strength of aluminum honeycomb decreased as the temperature increased. The high-low temperature storage test was carried out by compressing the aluminum honeycomb after being insulated in a variable temperature incubator for 9 hours and the results showed that the strength of the aluminum honeycomb was basically the same, and no failure occurred. All the tests showed that the aluminum honeycomb had wide environmental adaptability and could work under extreme conditions.

Key words:aluminum honeycomb; environmental adaptability; high-low temperature test; storage test

收稿日期：2015-11-05；修回日期：2016-04-20

作者简介：黄江平(1988-)，女，博士研究生，研究方向为着陆缓冲机构。E-mail: jp.huang@hit.edu.cn

中图分类号：TB31

文献标识码：A

文章编号：1674-5825(2016)03-0312-04