泡沫塑料在机舱降噪内装饰方面的性能测试研究

作者:文/中航工业陕西飞机工业(集团)有限公司郭绍华 石菟宇 段正才 戴铂复合材料科技(昆山)有限公司 茹祥峰 文章来源:CW《复合材料世界》2013年第2期 发布时间:2014-01-07
本文阐述了泡沫塑料在机舱降噪内装饰方面的应用研究情况.通过对PES泡沫塑料制夹芯内装饰板进行阻燃性能试验,声传递损失试验和工艺性能试验,以及对试验结果分析研究,验证了PES泡沫塑料在国产螺旋桨运输机上作为降噪内装饰应用的可行性,同时还研究了该种泡沫塑料在减重方面的突出表现.

本文阐述了泡沫塑料在机舱降噪内装饰方面的应用研究情况。通过对PES泡沫塑料制夹芯内装饰板进行阻燃性能试验、声传递损失试验和工艺性能试验,以及对试验结果分析研究,验证了PES泡沫塑料在国产螺旋桨运输机上作为降噪内装饰应用的可行性,同时还研究了该种泡沫塑料在减重方面的突出表现。

国产螺旋桨运输机的发动机噪声非常大,导致机舱内局部噪声甚至可达90dB,严重影响了机舱内工作人员的正常工作与休息。目前,航空领域降噪的手段除了减少或降低噪声源之外,最普遍的方法就是安装隔声设施和吸声装饰层。国产螺旋桨运输机上现有的降噪手段就是采用复合材料吸声装饰层——褶皱芯夹层内装饰板、蜂窝芯夹层内装饰板。这两种吸声装饰板的降噪效果较明显,但存在工艺复杂、板件重量难以控制等问题。

通常,用来控制声场环境质量最根本的物质手段是运用吸声材料,纤维/织物等复合材料和多孔材料都可有效地提高吸声降噪的性能。其中,多孔材料中的泡沫塑料具有一定的优势,但因绝大多数泡沫塑料容易燃烧且具有毒性,兼之吸声性能不稳定,因此其使用范围受到了限制。据研究发现,某些泡沫塑料具有耐高温、低吸水率和烟雾量比一般泡沫塑料少的特性,符合健康环保的要求,已作为飞机内装饰零件的夹层材料在国外有较为成熟的应用,PES(聚醚砜)泡沫塑料就是其中的一种。PES材料具有良好的表面质量,与环氧预浸料粘接面间无需铺贴胶膜或涂刷胶粘剂,同时由于泡沫塑料是实体结构而不用刮涂封边胶,与相同规格(等厚度)等密度的蜂窝芯相比,其泡沫芯夹层结构具有工艺性能优良的特点,且理论上完全可以满足减轻零件重量的要求。

图1 图2

本文采用了戴铂公司开发的专用于飞机内装饰件的Divinycell F50系列PES芯材进行试验,试验分为阻燃性能测试、噪声测试和工艺试验三部分。其中噪声测试和工艺试验两部分都与蜂窝芯材料的性能进行了详细的对比。

图3

阻燃性能相关试验

本试验委托中国民航总局测试中心就3个批次的Divinycell F50进行了60s垂直燃烧、烟密度、毒性和热释放四个项目的测试,测试结果如下:

1. 60s垂直燃烧试验(所使用板材规格为:厚度δ=10mm)。在熄灭时间、燃烧长度和滴落物熄灭时间三个指标上,适航标准要求为:熄灭时间不大于15s,燃烧长度不大于152mm,滴落物熄灭不超过3s。从表1可以看出测试数据均符合适航标准的要求,尤其是熄灭时间和滴落物熄灭时间的测试值均为0。

2.烟密度(所使用板材规格为:δ=12.7mm)。适航标准关于烟密度的要求是“4min内最大校正(Dm)平均值不应超过200”,从表2的试验结果可以看出,该材料燃烧时几乎不产生烟。

表1

3.毒性 (所使用板材规格为:δ=12.7mm)。按照波音规范BSS7239对该试验材料进行毒性气体分析,从表3的测试数据中可以看出气体成分CO、HCN、HF、HCl、SO2和NOx的测试结果大大低于规定的极限值,即该材料在燃烧时几乎无有害气体释放。

4.热释放(所使用板材规格为:δ=12.7mm)。适航标准对热释放制定了非常严格的标准,即“5min试验期间的平均最大热释放速率不应超过65kW/m2”、“最初2?min的平均总热释放量不应超过65kW/min/m2”,而从表4中可以看出,该试验材料在最大热释放速率和总热释放量这两项指标上的试验值远远低于适航的极限值,这表明它在燃烧时放热很慢、释放的热量很少。

表2 表3

PES泡沫夹芯板的声传递损失试验

西北工业大学振动冲击噪声工程技术中心对两种芯材(密度为48kg/m3的芳纶蜂窝芯和密度为50kg/m3的PES泡沫塑料)进行了不同厚度夹层复合材料构件的声传递损失试验。测试标准依据国际标准ISO15186-1。测试对象是以环氧树脂基玻璃纤维预浸料为面层、以PES泡沫芯和芳纶纸蜂窝芯为夹芯层的复合材料平板 (尺寸均为600mm×700mm)。其编号、规格、重量见表5。

图1所示为H-6和F50-6两种夹层平板的隔声量(即声传递损失)对比曲线,两种夹层平板厚度均为6mm。数据曲线表明:在1/3倍频程中心频率1600Hz以下,这两种夹层平板的隔声量差别比较小;但在1600Hz以上,泡沫夹芯板隔声效果明显好于蜂窝夹芯板,隔声量最大相差10.7dB(在1/3倍频程中心频率5000Hz处)。

表4 表5

图2所示为H-10-1/H-10-2和F50-10-1/F50-10-2这四种平板的隔声量对比曲线,四种平板的厚度均为10mm。从图中可以看出:在该厚度下,泡沫芯夹层平板(F50-10-1/-2)的隔声量在较宽的频率范围内具有比蜂窝芯夹层平板(H-10-1/-2)高的隔声量,隔声量最大相差7.5dB(在1/3倍频程中心频率3150Hz处)。

图3所示为H-15和F50-15夹层平板隔声量对比曲线。H-15与F50-15的芯材厚度同为15mm,在400~5000Hz频率范围内,泡沫芯夹层平板F50-15的隔声量高于蜂窝芯夹层平板H-15,最大相差4.6dB(在1/3倍频程中心频率2500Hz处)。

由以上对比可以看出,材料厚度对吸声性能的影响较大。且在夹层平板厚度相同的情况下,PES泡沫夹层板在低频情况下隔声量略高于蜂窝夹层板,高频时明显高于蜂窝夹层板。从总体上看,PES泡沫夹层板隔声量优于蜂窝芯夹层平板的隔声量,特别是厚度为10mm 的泡沫芯夹层平板F50-10-1/F50-10-2在所有进行测试的频率范围内,其隔声量超过了相同厚度的蜂窝芯夹层平板的隔声量。

表6 表7

曲面零件成型工艺试验

为使试验更具有说服力,选择形状最具代表性且最容易出现缺陷的多曲面盆形零件作为试验件,分别试制PES泡沫夹层零件与蜂窝芯夹层零件,从而验证PES泡沫塑料夹层结构的工艺性能与减重效果。两个零件的固化参数完全相同,采用的各试验材料牌号见表6,其中PES泡沫夹层零件标记为A,蜂窝芯夹层零件标记为B。

1.成型工艺流程。A零件的成型工艺流程为:模具准备、涂脱模剂、泡沫芯拼接、泡沫芯预成型、R区扎排气孔、下蒙皮铺贴、泡沫芯铺放、第一次固化、上蒙皮铺贴、第二次固化、外形切割、打磨、嵌件安装和粘贴装饰膜。

B零件的成型工艺流程为:模具准备、涂脱模剂、蜂窝芯准备、蜂窝芯拼接、封边胶配制、灌封及固化、下蒙皮铺贴、蜂窝芯与下蒙皮粘贴、固化、蜂窝芯断面刷胶及上蒙皮铺贴、固化、外形切割、打磨、嵌件安装和粘贴装饰膜。

2.试验结果。A零件(Divinycell F50,δ=14mm)完全符合要求,R区(拐角区域)无空洞缺陷。上、下蒙皮与芯层粘接牢固,无分层、鼓包和起皱等缺陷,脱模后无翘曲、弯曲等变形现象。粘贴装饰膜后其表面平整无起皱、鼓包等现象,嵌件安装情况较牢固。B零件制造采用的是现有成熟技术,零件完全符合要求。两种零件的重量对比见表7。

3. 工艺试验结果及分析。由于多曲面复杂盆形零件的形状复杂,为保证能试制出合格的零件,在成型过程中增加了两项重要措施,经试验证明这两项措施得到了非常理想的效果:一是泡沫芯预成型:先成型出泡沫芯零件的形状,以保证成型时芯层更加贴胎;二是扎孔:在预先成型好的泡沫芯R区扎排气孔,并将上下蒙皮分开固化,以使泡沫芯与下蒙皮间的气体顺利排出。

由实验结果可知,对比A号泡沫芯板与B号蜂窝芯板的重量,泡沫芯板较蜂窝芯板件明显轻很多:同样的零件采用泡沫材料可以减重930g,即每m2减重约856g,减重百分比为28%。采用泡沫夹层结构可以看出同样厚度、大小的平板试验件,泡沫塑料的板件重量低于芳纶纸蜂窝芯板件重量的12%左右(参见表5),并且两件同样的泡沫板件重量差别仅1g,重量易控制;而两件相同的蜂窝芯板件重量差别达16g,重量不易控制。

经分析可知,泡沫芯与预浸料之间可以不使用胶膜而直接靠预浸料的树脂粘接,而且泡沫芯为实体结构,不用填充封边胶来加强四周强度,因此在密度相当的情况下采用泡沫芯制造出的内装饰零件比蜂窝芯零件轻。

结论

以上研究表明,试验用PES泡沫塑料(Divinycell F50)所具备的各项性能符合飞机机舱内降噪材料的选用条件。在现有工艺条件下可生产出合格的内装饰零件,且工艺简单、快捷,适于成型大曲率零件。因此,采用PES泡沫塑料作为内装饰零件的夹层结构材料,不仅在阻燃、降噪性能上可与蜂窝芯媲美,同时还能达到明显的减重效果。

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