复合材料夹层结构芯材

复合材料夹层结构芯材夹层结构的最初应用从上世纪初的航空航天业开始，逐步发展到今天的船舶、交通运输、运动器材、风力发电、医疗器材等领域。德固赛（中国）投资有限公司上海分公司的胡培先生全面综述了各种芯材的特性、应用、市场分布及前景。常用芯材及其应用玻璃钢/复合材料中常用的芯材有泡沫、巴萨木和蜂窝等多孔固体材料。巴萨木目前主要的用途集中在风电、船舶、铁路车辆等行业。相对而言，因为其密度选择范围小，面层破坏以后，吸水腐烂的缺点，已经逐步被PVC泡沫取代。但是因为其价格优势，目前还有一定的市场。蜂窝主要有NOMEX纸蜂窝和铝蜂窝，蜂窝材料具有各向异性的特点。另外，因为蜂窝存在开孔结构，不适用一些湿法工艺或树脂注射工艺，例如船舶和风电等领域。铝蜂窝因为和碳纤维面板之间存在电腐蚀的问题，一般不能和碳纤维一同使用。另外，蜂窝结构在使用过程中，会因为面层破坏，发生渗水问题。玻璃钢/复合材料中常用的泡沫芯材有聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚氨酯（PUR）、丙烯腈-苯乙烯（SAN）、聚醚酰亚胺（PEI）及聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）等。硬质聚氨酯PUR泡沫与其他泡沫相比，其力学性能一般，树脂/芯材界面易产生老化，从而导致面板剥离。作为结构材料使用时，常用作层合板的纵、横桁条或加强筋之芯材。有时PUR泡沫也能用于受载较小的夹层板中，起到隔热或隔音的作用。该类泡沫的使用温度为150℃左右，吸声性能良好，成型非常简单，但是机械加工过程中易碎或掉渣。PUR泡沫价格相对便宜，发泡工艺也比较简单，采用液体发泡。目前主要在运动器材，例如网球拍、冰球棒中用做工艺芯材，并起到一定的阻尼作用。另外在冲浪板中也普遍使用PUR泡沫或EPS泡沫作为芯材。PEI泡沫原先由AIREX公司生产，型号为AIREXR82，由聚醚酰亚胺/聚醚砜发泡而成，具有很高的使用温度和良好的防火性能。不过其价位相对较高，但是这种泡沫可以在兼有结构要求和防火要求的部位使用，其使用温度为-194℃~+180℃。由于满足严格的阻燃要求，适合在飞机和列车内使用。但2005年，原材料供应上出现了问题，目前已退出市场，而逐步被PMIS类型泡沫取代。目前占市场份额最大的是PVC泡沫芯材，又分为线形PVC和交联PVC泡沫两种。交联PVC泡沫是由热塑性的PVC和交联热固性聚氨酯组成，主要产品型号有Divinycell、Klegecell和HerexC。交联PVC的强度和刚度比线性PVC的高，但是韧性较差，其使用温度范围为-240~+80℃，并且能够耐多种化学物质腐蚀。尽管PVC泡沫是可燃材料，但阻燃型的PVC泡沫可用于有严格防火要求的结构中，例如列车车厢等。但是需要注意的是PVC在燃烧以后，会产生氯化氢。选择固化工艺方法时，应虑及PVC泡沫在温度升高时会释放气体。交联PVC泡沫通常用于船底、舷部、甲板、舱壁及上层建筑中，主要厂商有AIREX和Diab公司。线形PVC泡沫是一类具有高韧性、良好抗冲击性能、能量吸收性能和耐疲劳性能的泡沫材料。线性PVC泡沫的强度和刚度相对交联PVC来讲要低。在施工过程中需要注意的是，树脂中的苯会渗透到泡沫里面，使树脂固化不完全，同时引起泡沫降解。这种泡沫通常用于船体受冲击荷载比较大的部位，例如船底和舭舷部。目前市场上有AIREX公司的AIREXR63系列，价格相对交联PVC泡沫要高。PS泡沫曾广泛用在船舶、冲浪板制造行业。虽然其具有重量轻（40kg/m3）、成本低、易于加工等优点，但因力学性能差，很少在高性能结构件中使用。另外，这种泡沫不能和聚酯树脂同时使用，树脂中含有的苯会降解泡沫。目前，在冲浪板行业内有少量使用。SAN泡沫属于热塑性材料，由英国SPSystems公司生产，CORECELL?型号的泡沫，主要是针对船舶市场而开发。发泡制作工艺和线性PVC的工艺基本相同，性能也和线性PVC基本相同，热稳定性能比线性PVC好，相当于普通交联PVC。大多数情况下，在船舶结构中可以用SAN泡沫代替线性PVC泡沫。价格略高于PVC泡沫。在密度相同的条件下，PMI是强度和刚度最高的泡沫材料。高温耐蠕变性能PMI泡沫经适当的高温处理以后，能满足190℃的固化工艺对泡沫尺寸稳定性的要求，适用与环氧或BMI树脂共固化的夹层结构构件中，例如航天航空结构、医疗床板、天线结构等，作为碳纤维复合材料面板的芯材。PMI泡沫采用固体发泡工艺制作，为孔隙基本一致、均匀的100%闭孔泡沫。德国德固赛（Degussa）公司生产的ROHACELL?领导着市场上的PMI芯材。图1：AVANTO车头芯材的市场分布和前景目前芯材主要市场分布在航天航空、船舶制造、运动器材、风力发电、交通工具和医疗器材等行业。在航天航空等先进复合材料领域，客户可以选择NOMEX?蜂窝、铝蜂窝和ROHACELL?泡沫芯材。ALCAN、DIAB和SPSystems公司的市场主要集中在船舶制造、运动器材、风力发电等领域。对于交通运输行业，主要根据防火助燃要求，选择相应的夹层结构芯材。为了应付日益增加的石油危机，每个国家都将推进可再生能源项目，例如风力发电等。我国风能资源丰富，风电是未来最有希望增加我国发电装机容量的可再生能源。目前全国风电装机容量仅78万千瓦。2004年，包括风能在内的可再生能源总装机容量仅为0.7GW（百万千瓦），到2010年计划升至4GW，到2020年计划升至40GW。这样会大大推进中国的泡沫芯材市场需求。图2：A340的后压力框Enercon公司是一家领先的德国风机生产商，与德国Gaugler&Lutz公司是合作伙伴关系，AlCANAIREX公司在全世界范围内提供HEREXC70泡沫用作Enercon公司的风机叶片生产，而Gaugler&Lutz公司则提供半成品的预制件用于叶片的组装，需要时及时地提供预制件运输和地区技术服务。铁路运输也是一个因为应用轻质高强芯材而受益的行业。ROHACELLＳ类型泡沫由于良好的阻燃性、高力学性能、良好的抗疲劳性能和高环保性而广泛应用在车厢地板、顶板、两壁及整个车厢的夹层板材中。船舶也是夹层结构的一个主要市场。对于受力部件，如船壳、舱壁等，抗波性是最重要的性能之一，而HEREXC70和C71泡沫由于高强度而被赛艇制造商和设计师广泛应用。总部位于Giebelstadt的Bavaria游艇公司，是游艇制造业的领先者，拥有10种不同类型游艇系列（9.2~15.2米），Bavaria游艇公司近年来发展迅猛，最近又开发了8.2~11.6米的摩托艇系列。在该系列船舶的船壳中就选用了HEREXC70芯材，ALCANAIREX认为这种芯材具有很好的比强度，是市场上抗破坏性最强的交联聚氯乙烯泡沫。图3：已成型、待用的泡沫加强筋最新产品2005年，瑞典DIAB公司在改善原有DivinycellH类型泡沫性能的同时，推出了DivinycellHP型号PVC泡沫。新的DivinycellH泡沫，强度性能平均提高了10%，剪应力提高了20%，断裂延伸率提高了50%。同时，新的DivinycellH泡沫的温度和尺寸稳定性也得到了改善。在工艺温度达到90℃和一定压力作用下，不发生大的变形。泡沫的孔隙大小减少了50%，降低了因为泡沫表面开孔导致的树脂吸收率。DivinycellHP是一种新型PVC泡沫，它的工艺温度可以达到130℃，可以和中低温固化预浸料或树脂注射（RFI）工艺配合使用，具有工艺条件下的耐压缩蠕变性能。DivinycellHP能够满足一些在对使用温度有要求的复合材料制件，例如，在热带条件下航行的船舶，如果表面使用的是黑色胶衣，温度常常超过90℃。DivinycellHP的基本力学性能，例如剪切强度、剪切模量和剪切应变都比其他PVC泡沫或SAN泡沫高。图4：A380的后压力框2004年，Degussa公司针对树脂注射工艺推出了ROHACELLRIST和RIMA类型的泡沫。ROHACELLRIST是一种结构用途的泡沫针对树脂注射工艺树脂粘度低的特点，减少了泡沫孔隙大小，在保证粘接强度的前提下，降低了树脂吸收率，达到了减轻结构重量的目的。ROHACELLRIMA是作为树脂注射工艺的辅助芯材，因为不作为结构材料，通过进一步减少孔隙大小，使得树脂吸收率几乎降低为零。最新的应用案例在AlcanAirex公司声明停止生产PEI泡沫以后，德固赛公司提出了用ROHACELLS代替PEI泡沫的建议。虽然和PEI泡沫相比，ROHACELLS的FST（火焰、烟雾和毒性）要差一些，但是ROHACELLS泡沫是目前最能满足燃烧性能要求的泡沫芯材。在中国最新建造的磁悬浮项目中，将原先的PEI泡沫全部换成了ROHACELLS泡沫，目前正在成都飞机制造厂和长春客车厂制造。另外在德国西门子公司生产的巴黎地铁AVANTO车头（图1）项目上，JupiterPlast公司采用ROHACELL51S泡沫作为芯材，满足了不含卤素材料和减轻重量的结构要求。另外因为ROHACELL51S具有良好的抗冲击性能，车头通过了30吨载荷条件下的正面冲击实验，冲击块移开以后，不发生变形，这也是目前唯一通过现行冲击实验标准的复合材料车头。该项目也获得了2006年最新公布的JEC复合材料地面交通类的创新奖。图5：骗馈天线反射面的正面泡沫填充加筋条最新应用在空中客车A340和A340-600的后压力框结构中（图2）。到目前为止，已经有近1700个经过CNC加工，热成型的ROHACELL?71WF-HT运抵临近汉堡的空中客车Stade工厂，供A340使用（图3）。ROHACELL?泡沫具有很好的耐压缩蠕变性能和尺寸稳定性能，可在180℃、0.35Mpa和2小时的固化条件下，采用夹层结构共固化工艺，降低成本。PMI泡沫能够保证加强筋周边的预浸料完全压实，因此可以替代气囊工装，避免了使用气囊需要多次固化等一系列的问题。已经成功的制造了近170多个后压力框，还没有出现一个废品，也证实了ROHACELL?加筋条工艺的可靠性和可行性。在A340后压力框成功采用ROHACELL泡沫填充筋条结构形式的基础上，A380后压力框也采用了这一技术（图4）。在A380结构中，泡沫筋条长达2.5米，几何形状相对更加复杂。ROHACELL?泡沫加工和热成型比较容易，这也是泡沫填充筋条结构能够实现的关键。目前，已有200件加工成型完的泡沫筋条运抵空中客车Stade工厂。十多个巨大的后压力框已经成功固化。图6：骗馈天线反射面的背面类似的结构形式在反射面上也有应用。例如最近由北京天波环宇研究所开发的骗馈天线上，改变了过去采用NOMEX蜂窝夹层结构的传统设计，转而采用ROHACELL51IG作为筋条（如图5和图6所示），一次固化成型，大大简化了工艺过程。总结：夹层结构的最初应用从上世纪初的航空开始，逐步发展到今天的船舶、交通运输、运动器材、风力发电、医疗器材等领域，针对不同的应用领域和工艺质量需求，芯材也从最初的纸蜂窝发展到现在的NOMEX?蜂窝、各种聚合物泡沫，最近还有公司开发出了纤维增强泡沫芯材。随着需求的多样化，芯材的产品和应用也将不断发展。胡培，德固赛（中国）投资有限公司;；[e-mail]长春客车厂;西门子公司;空中客车;（完）[本帖最后由sero1于2010-5-101:03编辑]TOP按照您设置的条件查找超轻型飞机！sero1Member/大雁帖子684From福建个人空间发短消息加为好友当前离2楼大中小发表于2010-5-