摘要
针对太阳翼基板用高性能低密度5056铝蜂窝芯的需求，开展了国产5056超薄铝箔制备及配套阳极氧化表面处理、国产5056铝蜂窝的制备和性能评价。研制的国产5056铝蜂窝芯公称密度17.28 kg/
针对卫星、飞船等航天器的发射环境、长期在轨服役环境等，要求其结构具有轻量化、高比强度、高比刚度的特性。蜂窝夹层结构是由蜂窝芯和上下面板通过胶黏剂连接形成的一种“三明治”构型，具有较高的强度/质量比、较优的刚度/质量比、较好的抗疲劳性能、良好的阻尼减振、吸/隔声降噪等优异综合性能，在航天器结构中得到了广泛使
目前国产普通铝蜂窝芯，主要采用5系（5052、5A02等，面向军品及航空航天应用）和3系（3003，面向民用）铝合金箔，最小厚度30 μm，通过“拉伸法”制备而成，而国内高性能国产铝蜂窝芯尚处于研究阶段，未实现型号应用。因此，国产太阳翼基板现完全依赖于进口Hexcel和Plascore超低密度5056铝蜂窝芯，本文针对国产5056铝蜂窝芯开展制备实验研究与性能评价，实现高性能铝蜂窝芯国产化替代，拟提升我国航天器关键材料的自主保障能力。
（1）5056铝箔，北京卫星制造厂有限公司联合西南铝业（集团）有限责任公司研制；
（2）铝蜂窝芯，规格3/8-5056-0.000 7P-1.0，北京卫星制造厂有限公司联合河北东恒宇功能材料新技术有限公司研制；
（3）BS-2环氧树脂，自制；
（4）CCM40J碳纤维，威海拓展纤维有限公司；
（5）J-312L热破胶膜，黑龙江石油化工研究院。
（1）重铬酸钾点滴测试
采用重铬酸钾点滴测试来检测封孔涂层的耐蚀性，耐蚀标准为样品表面颜色出现绿色时间。操作流程：用滴管蘸取重铬酸钾溶液对特殊表面处理完成后的50 mm×50 mm样品选取不同部位、正反两面进行重铬酸钾滴定［环境温度（23±5） ℃，湿度58 %］，每隔1 min拍照记录滴定实验后样品形貌，直至样品表面颜色变绿。
（2）盐雾实验
按照HB5443—1990夹层结构用耐久铝蜂窝芯规范进行盐雾实验，测试铝蜂窝芯材盐雾实验30 d后样品平均失重；试验前将测试样品置于（175±5） ℃的烘箱中加热6 h±10 min，取出放入干燥器中冷却至室温；试验时利用盐雾环境箱连续喷雾开展试验，盐雾沉降率1.0~2.0 mL/（80 c
（3）接触角测试
在测试环境温度（23±5） ℃，湿度58%条件下，利用表面接触角-张力测定仪将特殊表面处理完成后的试验铝箔样品置于固定试验平台，在固体表面滴一液滴，拍照记录铝箔样品固体表面上的固-液-气三相交界点处，其气-液界面和固-液界面两切线把液相夹在其中时所成的角。
（4）蜂窝芯基本物理性能测试
按照HB5443—1990夹层结构用耐久铝蜂窝芯规范对制备铝蜂窝的芯格尺寸和芯格节距进行测量；采用称重法对铝蜂窝的质量进行测量；采用万用表测试试样1 m×1 m范围内导通电阻。
（5）力学性能测试
采用胶接铝蜂窝芯子节点强度试验方法、胶接铝蜂窝夹芯结构和芯子平面压缩性能试验方法、胶接铝蜂窝夹层结构和芯子平面剪切试验方法对铝蜂窝的相应力学性能进行测试。
（6）胶膜热破工艺性能测试
针对国产5056高性能铝蜂窝芯进行胶膜热破试验，开启胶膜热破设备，对热破工作舱预热，将热破胶膜表贴至固定于胶膜热破夹具工件的蜂窝芯表面，放入热破工作舱中，调试工作舱预热温度、热风刀温度、石英灯加热功率、热风刀/石英灯水平移动速率等胶膜热破工作参数，开始热破，热破完成后将热破夹具工件取出。参照GB/T 20967—2007、GB/T 20968—2007使用目视检验结合10倍放大镜辅助检验方式对铝蜂窝芯端面的胶黏剂形貌、热破率进行评估。
热破率计算公式：热破完成的蜂窝芯格数/蜂窝芯格总数×100%。
预固化度测定：基于DSC差式扫描量热仪法，通过测定经胶膜热破工艺与原始胶膜的固化放热焓值，计算胶膜热破后胶黏剂的固化度。
预固化度计算公式：（1-热破完成后胶膜固化放热焓/原始胶膜固化放热焓）×100%。
对热破完成后的胶膜蜂窝芯组合体与正交缠绕网格复合制备网格夹层结构试验件，按照相关标准的要求测试网格夹层三点弯曲刚度和四点弯曲强度。
对国内外铝蜂窝常用铝箔的关键性能参数进行研究，如
铝合金 牌号 | σ /MPa | σ0.2 /MPa | 最小箔厚/um | 热处理状态 | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|
| 3003 | 200 | 166 | 30 | H19 | 国内，量产 |
| 5A02（LF2） | 265 | - | 30 | H18 | 国内，量产 |
| 5052 | 369 | - | 18 | H19 | 国内，研发 |
| 290 | 255 | 18 | H39 | 国外，量产 | |
| 5056 | 400 | 359 | 18 | H39 | 国外，量产 |
优异的5056铝合金具有更高的Mg含量及其他元素含量，见
| 铝合金牌号 | Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Cr | Zn | Ti |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 5056国标 | 0.30 | 0.40 | 0.10 | 0.05~0.20 | 4.5~5.6 | 0.05~0.20 | 0.10 | - |
| 5052国标 | 0.25 | 0.40 | 0.10 | 0.10 | 2.2~2.8 | 0.15~0.35 | 0.10 | - |
| 5056方案A | 0.10 | 0.25 | 0.06~0.09 | 0.05~0.15 | 4.8~5.4 | 0.06~0.10 | 0.05 | 0.05 |
| 5056方案B | 0.10 | 0.25 | 0.07~0.10 | 0.15~0.20 | 4.6~5.0 | 0.12~0.18 | 0.05 | 0.05 |
根据理化测试的分析，设计两种5056超薄铝箔的研制方案。方案A使用高Mg含量，目的在于提高合金的抗拉强度，对提高蜂窝强度有利。方案B有较高的Mn、Cr能形成弥散相有利于抵抗退火强度的下降且中间退火工艺有利于促进Mg、Si的固溶，Mg固溶有强化作用而对电阻影响不明显，Si固溶量增加有利后续AlMnSi的析出。因此综上选用B方案作为5056超薄铝箔的成分设计方案。
根据选取的合金成分设计方案，制定5056超薄铝箔的生产工艺流程，如
图1 5056超薄铝箔生产流程图
Fig.1 The production flow chart of 5056 ultra-thin aluminum alloy foil
其中冷轧+铝箔轧制工艺铝箔厚度变化为：4.1 mm→1.3 mm→清洗切边→第一次中间退火→0.32 mm→清洗→第二次中间退火→0.20 mm→纵切切边→铝箔轧制到0.055 mm→切边至930 mm→第三次中间退火→0.022 mm→成品低温回火→分切→包装。
图2 5056超薄铝箔实物图
Fig.2 Photos of ultra-thin 5056 aluminum alloy foil
国外Hexcel公司5056蜂窝芯高性能铝箔主要采用耐蚀性、胶接强度较好但环境污染较大的铬酸阳极化工艺，基于环保的原则，采用胶接强度好、环保性好、但耐蚀性欠佳的磷酸阳极化工艺。同时阳极氧化工艺辅以前处理和后处理工艺，以保证铝箔的表面胶接、耐腐蚀和导电性能。通过前处理铝箔在保证表面清洁、充分活化和组织均匀的前提下，尽可能减少对铝箔厚度的要求，是获得良好阳极氧化膜的基础。阳极氧化是铝箔表面处理的核心工艺，通过在酸性溶液中进行阳极氧化，获得耐腐蚀性能、导电性能、表面吸附性能更优的多孔型阳极氧化膜。由于典型的阳极氧化膜具有多孔特性，如不对纳米微孔进行有效封闭，阳极氧化膜的耐蚀性能就无法达标，但过厚的封闭层不仅增加铝箔的质量，而且还可能降低阳极氧化膜的表面吸附性能，因此阳极氧化完成后还需开展相应的后处理工序，以保证后续节点胶强度以及整个蜂窝芯的力学性能。
对于核心的阳极氧化处理工艺，选取不同的阳极氧化工艺参数进行多轮试验研究。对磷酸浓度、磷酸速度、电流密度、蜂窝节点胶浓度、浸胶环境湿度等工艺参数进行逐一试验和确定。考虑到J-70溶液浓度、铝箔行进速度以及整体能耗成本问题，将实验条件最终确定为：碱+酸清洗前处理，磷酸浓度145 g/L，速度3 m/min，电流密度0.22 A/d
（1）重铬酸钾滴定实验
重铬酸钾实验滴定结果如
图3 不同部位重铬酸钾滴定照片
Fig.3 The titration photos of different location potassium dichromate
（2）盐雾试验
盐雾实验结果如
| 试样 | 平均失重/μg·c |
|---|---|
| 铝蜂窝芯材 | 112 |
| Hexcel | 13 |
| Plascore | 65 |
（3）接触角测试
国产样品及进口样品接触角测试结果如
（a） Hexcel样品
（b） 国产样品
（c） Plascore 样品
图4 接触角测试
Fig.4 The test of contact angle
综上，经表面处理后的铝箔表面平整均匀，表面接触角在60°~70°，连续30 d盐雾试验后的质量损失为112 μg/c
在确定铝箔和含前后处理的阳极化工艺表面处理的制备工艺后，通过调试节点胶浓度、行进速率、烘干参数、刺孔参数、凹印辊图案和宽度、热压制度等工艺参数，按
图5 高性能铝蜂窝芯研制工艺流程图
Fig.5 The process flow chart of high performance aluminum honeycomb core manufacture
按照上述确定的蜂窝芯成型工艺制备的铝蜂窝芯样品照片和外观照片及正反面刺孔照片如图
图6 整张蜂窝样品照片
Fig.6 Photos of whole sheet honeycomb
（a） 叠层块表面刺孔分布照片
（b） 蜂窝孔格照片
图7 蜂窝芯外观实物照片
Fig.7 Appearance of honeycomb core
（a） 正面
（b） 反面
图8 蜂窝芯正反面刺孔照片
Fig.8 The front and back piercing photos of honeycomb core
制备铝蜂窝的芯格尺寸和芯格节距测试数据如
| 芯格尺寸/mm | 芯格节距/mm | 密度/kg· | 导通电阻/Ω |
|---|---|---|---|
| 9.42 | 16.81 | 17.28 | ＜0.1 |
公称密度为17.28 kg/
铝箔涂胶刺孔后，胶条均匀，胶液无拉丝、缺胶等现象。
铝蜂窝力学实测数据如
| 项目 | 节点强度 /kN· | 裸压强度 /MPa | 平压强度/MPa | L向剪切强度/MPa | W向剪切强度/MPa |
|---|---|---|---|---|---|
| MIL7438指标 | 1.47 | - | 0.16 | 0.2 | 0.11 |
| 进口试样 | 1.90 | 0.27 | 0.32 | 0.37 | 0.27 |
| 国产试样 | 1.87 | 0.29 | 0.31 | 0.38 | 0.27 |
针对国产5056高性能铝蜂窝芯进行胶膜热破试验，
图9 胶膜热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，国产铝蜂窝芯胶膜热破工艺性能较好，热破完成后表面上胶均匀，热破率＞98%，经DSC差式扫描量热仪测试双面热破完成后胶膜的预固化度为8.7%，可以满足使用要求。
| 试样 | 蜂窝芯高度/mm | 弯曲刚度/1 | 弯曲强度/MPa |
|---|---|---|---|
| 进口 | 24 | 4.14 | 25.86 |
| 国产 | 24 | 3.25 | 30.18 |
（1）针对超薄5056铝箔开展了成分优选和加工工艺优化研究，确定了铝箔阳极氧化处理、蜂窝芯制备研制技术路线，成功研制表观满足要求的国产5056铝蜂窝芯。
（2）采用磷酸阳极氧化表面处理后的5056铝箔制备的蜂窝芯材经连续30 d盐雾试验后的质量损失为112 μg/c
（3）国产5056高性能低密度铝蜂窝芯物理性能达标，蜂窝芯拉伸、压缩、L向剪切、W向剪切力学性能均能达到MIL7438指标要求，且达到了进口蜂窝芯的力学性能指标实测值。
（4）使用国产高性能低密度铝蜂窝芯进行胶膜热破工艺性能验证，胶膜热破工艺性能较好，制备的网格夹层结构无节点脱粘，节点胶接性能较好，可以满足使用需求。
参考文献
高慎斌.卫星制造技术［M］.北京：中国宇航出版社， 1998. [百度学术]
GAO S B.Satellite manufacturing technology［M］. Beijing：China Aerospace Publishing House， 1998. [百度学术]
熊健. 轻质复合材料夹芯结构设计及力学性能最新进展［J］. 宇航学报， 2020， 41（6）：749-760. [百度学术]
XIONG J.Research progress on design and mechanical properties of lightweight composite sandwich structures［J］.Journal of Astronautics，2020，41（6）：749-760. [百度学术]
徐挺，武海生，孙天峰，等.卫星蜂窝夹层结构新型埋件工艺［J］.宇航材料工艺，2021，51（5）：128-133. [百度学术]
XU T，WU H S，SUN T F， et al.New post-insert technology of honeycomb sandwich structure in satellite［J］. Aerospace Materials & Technology，2021，51（5）：128-133. [百度学术]
丁延卫，王晓耕，张立华，等.碳纤维/铝蜂窝太阳翼基板热变形分析［J］.航天器工程，2009，18（4）：44-48. [百度学术]
DING Y W，WANG X G，et al.Analysis of thermal-elastic deformation for solar array substrate with CFRP／aluminum honeycomb sandwich［J］.Spacecraft Engineering，2009，18（4）：44-48. [百度学术]
李皓鹏，赵贺一，殷永霞， 等. 耐150 ℃太阳翼基板结构胶黏剂性能研究［J］.宇航材料工艺，2021，51（5）：99-102. [百度学术]
LI H P，ZHAO H Y，YIN Y X，et al.Properties research of 150 ℃-resistant structural adhesive on solar wing substrate［J］. Aerospace Materials & Technology， 2021， 51（5）：99-102. [百度学术]
张跃峰，周琳贇，沈辉，等.太阳翼基板侧埋件热变形分析［J］.航天制造技术，2021（4）：51-54，78. [百度学术]
ZHANG Y F，ZHOU L Y，SHEN H，et al.Thermal deformation analysis of side embedded parts on solar wing substrate［J］.Aerospace Manufacturing Technology，2021（4）：51-54，78. [百度学术]
BAUN，WILLIAM L，MCDEVITT，N T，et al.Surface Characterization of Honeycomb Core Materials［R］. [百度学术]
邹梦婷，熊菊，麻彦龙，等.前处理工艺对5056铝箔磷酸阳极氧化膜的结构和耐蚀性能的影响［J］.重庆理工大学学报（自然科学版），2021，35（11）：95-101. [百度学术]
ZOU M T，XIONG J，MA Y L，et al.Effect of pretreatment processes on structure and corrosion resistance of the anodic film formed on 5056 aluminum foil in a phosphoric acid solution［J］. Journal of Chongqing University of Technology （Natural Science）， 2021， 35（11）：95-101. [百度学术]
熊菊，邹梦婷，王维青，等.温度及酒石酸对5182铝合金硫酸阳极氧化膜结构和耐蚀性能的影响［J］.重庆理工大学学报（自然科学版），2021，35（11）：102-108. [百度学术]
XIONG J，ZOU M T，WANG W Q，et al.Effect of temperature and tartaric acid on the structure and corrosion resistance of the anodic film formed on 5182 aluminum alloy in sulfuric acid solutions［J］.Journal of Chongqing University of Technology （Natural Science），2021，35（11）：102-108. [百度学术]
