三維泡沫夾芯隔熱復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

(江南大學(xué)經(jīng)編技術(shù)教育部工程研究中心，無錫，214122)

復(fù)合材料是一種傳統(tǒng)材料不可比擬的結(jié)構(gòu)性和功能性材料，以其可設(shè)計性強、比強度和比模量高、結(jié)構(gòu)功能一體化等性能優(yōu)點，已成為新材料領(lǐng)域的重要主導(dǎo)材料，是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展、國防建設(shè)和科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新不可缺少的基礎(chǔ)材料［1］。復(fù)合材料的輕量化更是現(xiàn)代復(fù)合材料界重要的發(fā)展趨勢，三維泡沫夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料正是在這樣的形勢下應(yīng)運而生并得到推廣使用的。資料顯示，此類材料與鋼材相比，質(zhì)量減輕75%，而強度提高4倍。目前，此類材料被廣泛應(yīng)用于航天航空工業(yè)，以減少能源消耗;在建筑行業(yè)中，用于制造墻板、屋頂板和隔聲板等;在造船、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域中，作為車船等運輸工具的冷藏保溫車廂體等的應(yīng)用也越來越廣泛，具有潛在的發(fā)展前景。圖1所示為三維泡沫夾芯復(fù)合材料。

1 三維泡沫夾芯復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)

三維泡沫夾芯復(fù)合材料可分為獨立式和一體式兩種。其骨架結(jié)構(gòu)的編織成型方法有機織、針織、編織和縫合等。本文主要介紹縫合、機織及針織三類復(fù)合材料骨架的加工方法，其原料均采用玻璃纖維。三維泡沫夾芯復(fù)合材料由于整體性好，從根本上解決了傳統(tǒng)材料抗剪切性差、易分層等問題。

圖1 三維泡沫夾芯復(fù)合材料

1.1 三維縫合泡沫夾芯復(fù)合材料

三維縫合泡沫夾芯復(fù)合材料較之以往的三維泡沫夾芯復(fù)合材料有較大的改進，它更注重結(jié)構(gòu)的整體性。一般上下面板采用玻璃纖維軸向布或玻璃纖維氈等增強織物，芯材采用PVC泡沫。通過在泡沫中按照事先設(shè)計好的穿孔格局，沿厚度方向?qū)VC泡沫芯材穿孔;然后，手動用玻璃纖維長絲紗將上下面板及芯材縫合在一起;最后，再灌注樹脂固化成型，即可得到三維縫合泡沫夾芯復(fù)合材料［2］。

另外，也可采用RTM(樹脂傳遞模塑)法來加工三維縫合泡沫夾芯復(fù)合材料。其原理是:在一個耐壓的密閉模腔內(nèi)填滿預(yù)先準(zhǔn)備好的纖維增強材料，再用壓力將液態(tài)樹脂注入腔內(nèi)使其浸透增強纖維，然后固化成型。

其復(fù)合工藝步驟如下:先按模具大小分別對面密度為1 200 g/m2雙軸向經(jīng)編織物及泡沫芯材進行裁剪［3］，對模具進行清潔處理并涂刷脫模劑。在模具上依次鋪放兩層雙軸向經(jīng)編織物，為了保證增強材料受力均衡，兩層雙軸向經(jīng)編織物的鋪設(shè)方式如圖2所示。然后，在其上放置沿厚度方向穿孔的泡沫芯材，再在該泡沫芯材的上表面按上述方法放置兩層雙軸向織物，用玻璃纖維長絲紗手動針刺縫合處理，如圖3所示。最后，利用樹脂注射機進行RTM樹脂注射。

圖3 手動增強纖維縫合過程

三維縫合泡沫夾芯復(fù)合材料雖然解決了夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料易分層問題，但由于需要手動針穿刺縫合處理，對上下面板內(nèi)的纖維材料造成了不同程度的損傷，使面內(nèi)剛度、強度和疲勞抗力降低10%～20%［4］，影響了材料的力學(xué)性能。此外，手動縫合工作量大，不適合批量生產(chǎn)，且結(jié)構(gòu)單一。

1.2 三維機織泡沫夾芯復(fù)合材料

三維機織復(fù)合材料是以機織間隔連體織物一次成型作為骨架結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過樹脂復(fù)合以及發(fā)泡工藝，最終得到三維機織泡沫夾芯復(fù)合材料。圖4所示為三維機織間隔連體織物結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 三維機織間隔連體織物結(jié)構(gòu)示意圖

三維機織間隔連體織物的編織工藝集經(jīng)編、緯編及機織原理為一體。織物選用全玻璃纖維，上下表面之間由連續(xù)纖維芯柱相接而成一體，呈中空結(jié)構(gòu)，其層面之間經(jīng)向紗線呈“8”字型，緯向紗線呈“1”字型［5］，如圖5所示。對三維機織骨架結(jié)構(gòu)進行樹脂泡沫復(fù)合成型可分二步進行。第一步:樹脂手糊工藝。首先，對織物上下表層施加與芯柱纖維傾斜方向相反的拉伸載荷，撐起織物;然后，在模具上涂刷脫膜劑，再在其上均勻地涂刷少量樹脂(含量控制在40% ～50%);將織物放于其上，再將剩余樹脂均勻涂刷織物上表面(剩余的50% ～60%)，使樹脂浸透整個織物;并在烘箱100℃溫度下進行固化處理。第二步:泡沫真空輔助成型。預(yù)定型的織物放入模具中，采用真空輔助注入樹脂，將攪拌均勻的帶有添加助劑的可發(fā)性樹脂沿經(jīng)向截面注入間隔織物芯柱間的間隙;樹脂注滿模具后，將模具移入烘箱，加熱發(fā)泡固化及后處理［6］。

圖5 三維機織復(fù)合材料實物圖

三維機織泡沫夾芯復(fù)合材料的骨架結(jié)構(gòu)采用整體一次成型，雖然在性能上得到改善，但織造困難，織機需要改造，可設(shè)計性差，結(jié)構(gòu)單一。

1.3 三維經(jīng)編泡沫夾芯復(fù)合材料

三維經(jīng)編泡沫夾芯復(fù)合材料是以經(jīng)編間隔織物作為復(fù)合材料的骨架結(jié)構(gòu)。在雙針床經(jīng)編機上加工，其經(jīng)編間隔織物的最大特點是:①結(jié)構(gòu)整體性好，在雙針床經(jīng)編機上一次成型。②可設(shè)計性強，可通過改變經(jīng)編組織墊紗數(shù)碼進行織物結(jié)構(gòu)設(shè)計，改變中間間隔絲的穿紗方式進行纖維芯柱的密度調(diào)節(jié);也可通過組織變換進行纖維芯柱形狀的改變，如“I”、“V”、“X”等。③生產(chǎn)效率高。

圖6所示為三維玻璃纖維經(jīng)編間隔織物，其組織結(jié)構(gòu)為經(jīng)平+2針襯緯組織。圖7所示為墊紗運動圖，其中GB1、GB2和GB5、GB6為前后面紗運動，GB3為連接前后針床的間隔紗運動。此織物是在常州武進五洋紡織機械有限公司提供的雙針床經(jīng)編機上加工的上機試樣，機號為E6。本文研發(fā)的雙針床玻璃纖維經(jīng)編間隔織物的成功編織在國內(nèi)為首例，這一技術(shù)為三維板材提供了廣泛的應(yīng)用前景。連接前后針床的間隔絲通過改變穿紗方式，可以得到不同密度的纖維芯柱，即不同大小的空間間隙。此類織物可以采用上述三維機織骨架結(jié)構(gòu)的樹脂泡沫復(fù)合成型工藝加工成三維復(fù)合材料。圖8所示為未經(jīng)泡沫填充而僅經(jīng)環(huán)氧樹脂復(fù)合后的三維經(jīng)編復(fù)合材料。

圖6 三維玻璃纖維經(jīng)編間隔織物

圖7 三維經(jīng)編間隔織物墊紗運動圖

圖8 環(huán)氧樹脂復(fù)合后的三維經(jīng)編復(fù)合材料

2 三維泡沫夾芯復(fù)合材料的應(yīng)用

三維泡沫夾芯復(fù)合材料具有比強度高、比剛度大、輕質(zhì)、隔熱、隔聲、減震等一系列優(yōu)越的性能特點，被廣泛應(yīng)用于航天航空、建筑、交通運輸?shù)雀鱾€領(lǐng)域。其中，以優(yōu)越的隔熱性能作為航天、民用材料應(yīng)用尤為突出。

2.1 在航天飛行器上的應(yīng)用

航天飛行器在飛行時要以很高的速度通過大氣層，與此同時將產(chǎn)生巨大的熱能，為了確保整流罩內(nèi)部各部件能夠在合理的溫度范圍內(nèi)正常工作，其前端整流罩隔熱層的作用必須要盡量減少進入飛行器內(nèi)部的熱能。而航空航天工業(yè)所選用的隔熱材料不僅要具有隔聲、減震、防腐蝕等性能，而且要達(dá)到輕質(zhì)的要求，以減輕機身質(zhì)量［7］。

目前，對于航天航空業(yè)中所用的高溫和超高溫隔熱體，現(xiàn)代設(shè)計中大多采用復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)形式，尤其是這種三維泡沫夾芯復(fù)合材料，如圖9所示。在靠近熱面處采用耐高溫的材料，在遠(yuǎn)離熱面處則采用導(dǎo)熱系數(shù)較低、價廉和性能好的隔熱材料，既達(dá)到輕質(zhì)要求，又起到隔熱效果?；谏鲜鲈瓌t，作為航天飛行器的隔熱材料，可以選用陶瓷基三維泡沫夾芯復(fù)合材料，最外層的陶瓷基材料耐燒蝕，中間夾芯層為泡沫隔熱材料。

圖9 航天飛行器整流罩中采用的復(fù)合材料

2.2 在房屋上的應(yīng)用

三維泡沫夾芯復(fù)合材料在房屋上主要作為墻體、屋頂板等。由于織物間隔層通過發(fā)泡工藝填充硬質(zhì)聚氨酯泡沫，兼?zhèn)滟|(zhì)輕、隔熱、隔聲、防潮、抗震等優(yōu)越性能，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的珍珠巖保溫材料。硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料具有極低的熱導(dǎo)率，是目前已使用的任何建筑保溫材料都無法比擬的。加之其外表面為堅硬的復(fù)合板材，是無可替代的新型保溫墻體。

相關(guān)資料表明，現(xiàn)代社會飛速發(fā)展所需的大量能源已給社會和資源造成沉重的負(fù)擔(dān)，而建筑物使用中所消耗的能源已占全球能源消耗量的1/3［8］。因此，建筑節(jié)能材料受到高度重視。目前，我國北方部分地區(qū)已開始普及使用這種建筑節(jié)能外墻保溫材料，尤其是那些臨時搭建的可移動房屋上應(yīng)用更為廣泛。這種作為墻體用保溫材料有許多優(yōu)點:①高效節(jié)能?？蛇_(dá)建筑節(jié)能50%～60%的要求。②有利于房間的熱穩(wěn)定。在夏季可減少太陽輻射熱的影響，在冬季不會造成額外的熱損失，減小風(fēng)霜雨雪的侵蝕，使室內(nèi)溫度較為穩(wěn)定。③施工方便快捷。該保溫板如同給建筑物穿上外衣，并且輕質(zhì)，安裝和拆卸十分方便。④安全性高。該保溫板采用新型工藝復(fù)合而成，制作過程中保證了材料的安全性;同時，該板具有抗風(fēng)、抗震、防火、防水、耐久的特點，安全系數(shù)高。⑤美化環(huán)境。該保溫板可以作為使舊樓外觀煥然一新的新型裝飾材料，美化環(huán)境，具有一定的商用價值［9］，如圖10所示。

圖10 墻體用三維泡沫夾芯保溫板

2.3 在車廂體上的應(yīng)用

三維泡沫夾芯復(fù)合材料用在車廂體上，具有質(zhì)輕、整體強度高、絕熱密封性能良好等優(yōu)點。有關(guān)實測表明:其車廂傳熱系數(shù)值為0.3 6 W/(m2·K)，車廂單位容積泄風(fēng)量(壓差為98 Pa時)為5.4 L/h，整車荷重比為 0.96［10］。相比較而言，傳統(tǒng)的金屬材料消耗量大，生產(chǎn)制造周期較長，廂體保溫密封性較差，荷重比小。采用這種板材作為保溫冷藏用車廂體，改變了傳統(tǒng)廂式車生產(chǎn)模式，一次整體成型，無副產(chǎn)物產(chǎn)生，特別適用于大型構(gòu)件的制造，并且兼具良好的韌性和機械強度，可廣泛應(yīng)用于制造車廂外殼及其車身附件，是一種大有發(fā)展前途的新型車廂體用材料。相關(guān)資料表明，作為保溫車廂體用的三維泡沫夾芯復(fù)合材料，一般面板厚度為2～3 mm，夾芯層的厚度可根據(jù)設(shè)計及性能要求選定(通常為40～100 mm)［10］。圖11所示為三維泡沫夾芯復(fù)合材料在保溫車廂體上的應(yīng)用。

圖11 采用三維泡沫夾芯復(fù)合材料的保溫車廂體

據(jù)相關(guān)資料報道，目前我國復(fù)合材料市場對這種三維泡沫夾芯板的需求量越來越大，截至2011年底，已達(dá)到5×107m2左右。在交通運輸領(lǐng)域，我國將建設(shè)省會城市及大中城市間的快速客運通道，2010年以后鐵路和城市軌道交通對泡沫夾芯結(jié)構(gòu)板材的年需求量將逐步達(dá)1 100～1 200 t。隨著國家對泡沫夾芯板產(chǎn)品質(zhì)量、性能及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求的大幅度提高，三維泡沫夾芯結(jié)構(gòu)板材將獲得越來越大的發(fā)展空間，預(yù)計未來5年內(nèi)將占到市場份額的60%以上，屆時也很有可能達(dá)到像歐洲一樣的市場份額。

2.4 在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

三維泡沫夾芯復(fù)合材料的輕質(zhì)、高強度特點，使其在風(fēng)電領(lǐng)域作為風(fēng)電葉片的關(guān)鍵材料之一。在葉片的前緣、后緣以及剪切肋等部位，一般都采用此類材料。它可以增加材料結(jié)構(gòu)剛度，防止局部失穩(wěn)，提高整個葉片的承載能力，而且其成本約占葉片材料總成本的20%。另外，機艙罩也越來越多地采用泡沫夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。按國家的有關(guān)政策，2010—2020年每年預(yù)計新增1×107kW的裝機容量，每年對夾芯材料的需求量將達(dá)到12 000 t。因此，三維泡沫夾芯復(fù)合材料的發(fā)展勢頭良好，應(yīng)用前景廣泛。

3 結(jié)語

現(xiàn)代工業(yè)與民用建筑對這類輕質(zhì)兼具多功能性的三維泡沫夾芯復(fù)合材料的需求量和用量愈來愈大，不僅僅局限于隔熱材料，在作為輕質(zhì)、高強、隔聲、抗震、抗腐蝕材料方面也有一定范圍的應(yīng)用，很大程度上，這類材料已凸顯出其優(yōu)越的性能?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是尖端科學(xué)技術(shù)的突飛猛進，對材料的性能要求越來越高，因此更加受到人們的高度關(guān)注。三維泡沫夾芯復(fù)合材料必將成為未來新材料發(fā)展中的主力軍之一，擁有廣闊的市場前景。

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