泡沫夾層結構復合材料的研究進展*

徐　竹

(西安航空職業(yè)技術學院，陜西西安 710089)

?

泡沫夾層結構復合材料的研究進展*

徐竹

(西安航空職業(yè)技術學院，陜西西安 710089)

泡沫夾層結構復合材料是由面板(蒙皮)與輕質(zhì)泡沫芯材組成的層狀結構復合材料。該文從泡沫夾層結構的芯材種類、泡沫夾層結構復合材料的力學性能、電性能等方面綜述了泡沫夾層結構復合材料近年來的研究現(xiàn)狀。

泡沫夾層結構，復合材料，泡沫芯材，力學性能

夾層結構是由高強度面板和輕質(zhì)芯材料所構成的一種結構形式。泡沫夾層結構復合材料是采用纖維增強復合材料板材做蒙皮，泡沫塑料做夾芯材料的一種夾層結構。泡沫塑料夾層結構最大特點是質(zhì)量輕、剛度大，保溫、隔熱性能好，同時又能通過選擇合適的面板、芯材和粘接劑來滿足特定條件下的使用要求。因此在運載火箭、航空、船舶、列車機車、風力發(fā)電機等領域得到了大量應用，尤其適用于剛度要求高，受力不大和保溫隔熱性能要求高的部件，如飛機尾翼、保溫通風管道等。

1　泡沫夾層結構芯材的種類

泡沫夾層結構復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)、聚醚酰亞胺(PEI)及聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)等，其中占市場份額最大的是PVC泡沫芯材。在密度相同的條件下，PMI是強度和剛度最高的泡沫材料。

1.1PVC泡沫

PVC分為未交聯(lián)PVC和交聯(lián)PVC泡沫兩種。交聯(lián)PVC的強度和剛度比未交聯(lián)PVC的高，但是韌性較差。黃自尚[1]將熱可逆交聯(lián)技術引入聚氯乙烯泡沫材料制備，研究了綠色發(fā)泡方法獲得可熱塑反復加工的高性能PVC泡沫材料。交聯(lián)PVC泡沫通常用于船底、舷部、甲板、艙壁及上層建筑中。王雁國等[2]以聚氯乙烯(PVC)為基體，馬來酸酐為接枝劑，異氰酸酯、三聚氰胺為交聯(lián)劑，制備出泡孔直徑分布較為均勻、性能優(yōu)異的硬質(zhì)交聯(lián)PVC泡沫塑料；該硬質(zhì)交聯(lián)PVC泡沫塑料的力學性能具備同瑞士Airex C70產(chǎn)品相當?shù)牧W性能。線形PVC泡沫是一類具有高韌性、良好抗沖擊性能、能量吸收性能和耐疲勞性能的泡沫材料，這種泡沫通常用于船體受沖擊荷載比較大的部位，例如船底和舭舷部。

1.2PMI泡沫塑料

隨著航天航空等特殊領域的快速發(fā)展，要求芯層材料具有更高的強度、剛度和耐熱性。聚甲基丙烯酰亞胺泡沫塑料具有很好的壓縮蠕變性能[3]，可以在120℃～180℃、0～0.5MPa的壓強下在熱壓罐中固化，能滿足預浸料固化工藝對泡沫尺寸穩(wěn)定性的要求，適用共固化的夾層結構構件中。PMI泡沫采用固體發(fā)泡工藝制作，為孔隙基本一致、均勻的100%閉孔泡沫。目前對于PMI泡沫的研究多數(shù)是針對德國贏創(chuàng)德固賽公司的ROHACELL 的PMI泡沫性能及應用的研究，國內(nèi)近年來也開始研究聚甲基丙烯酰亞胺泡沫塑料的制備方法及性能研究[4-5]。PMI正是具有高強度重量比和較高的耐壓縮蠕變性能，而且能夠采用制造成本最低的一步共固化工藝完成，大幅度降低制造成本。廣泛應用于高速火車的車頭、高速船、直升機結構、運載火箭的主要結構等。

2　泡沫夾層結構的性能研究

2.1泡沫夾層結構力學性能的研究

夾層結構的力學性能取決于表層和芯部材料的力學性能及幾何尺寸，其內(nèi)容重要主要涉及夾層結構的強度和剛度。強度包括復合材料的拉、壓性能，剪切強度，疲勞強度和沖擊時的力學行為等。剛度是指夾層結構復合材料的拉、壓、剪切模量。

王娜等[6]結合船用泡沫玻璃鋼夾層結構的適用理論和有限元分析方法，對泡沫玻璃鋼夾層板的彎曲強度進行分析。張富賓等[7-8]研究了泡沫夾芯復合材料面板厚度、芯材密度對復合材料夾層梁彎曲力學性能的影響，通過三點彎曲試驗研究顯示隨著上面板厚度增大，夾層梁破壞模式由芯材壓陷破壞變?yōu)樾静募羟衅茐模粖A層梁極限承載力隨著上面板厚度的增大而增大。同時通過對比五種不同密度泡沫芯材復合材料夾層梁進行三點彎試驗研究，結果夾層梁極限承載力隨芯材密度的增大而增大；芯材密度的增加，夾層梁破壞模式由芯材壓陷變?yōu)槊姘迨軌呵茐摹?/p>

近年來國內(nèi)外學者對Z向增強泡沫夾層結構的力學性能進行了研究。Z向增強泡沫夾層結構復合材料性能遠高于普通夾層結構復合材料，并優(yōu)于相同密度的蜂窩夾層結構，而結構重量低于蜂窩夾層結構，其效益成本很高，是一種理想的航空用夾層結構復合材料。X-cor泡沫夾層結構是采用Z-pinning技術增強的新型夾層結構[9]，很大程度上彌補了空白泡沫夾層結構的不足。單杭英等[10]通過剪切性能考察了Z-pin 對泡沫夾層結構的增強效果，對比X-cor夾層結構與相同材料同尺寸的未增強件和去除泡沫的夾層結構，分析研究了剪切剛度和剪切強度試驗值和理論值的對比情況。K-cor 增強泡沫夾層結構是采用 Z-pin 技術對傳統(tǒng)泡沫夾層結構進行縱向增強的一種新型復合材料，具有比蜂窩夾層結構及傳統(tǒng) X-cor 夾層結構更優(yōu)越的性能。 鄭瑩瑩[11]研究了環(huán)氧K-cor夾層結構中不完全固化Z-pin 的拉擠成型工藝及其壓彎工藝；采用滾筒剝離測試顯示K-cor增強泡沫夾層結構滾筒剝離強度遠遠大于 X-cor 增強泡沫夾層結構及空白泡沫夾層結構。

采用縫合工藝能提高泡沫夾層結構的面外性能和層間性能，楊慧等[12-13]研究了縫合復合材料泡沫夾層結構的結構穩(wěn)定性和層間剪切性能。通過壓縮穩(wěn)定性試驗研究了未縫合泡沫夾層結構和不同縫合密度的縫合泡沫夾層結構的穩(wěn)定性，結果表明縫合會降低泡沫夾層結構的穩(wěn)定性，縫合密度增加時，泡沫夾層結構穩(wěn)定性性能降低。通過層間剪切試驗研究不同縫合密度下單向帶面板和織物面板復合材料泡沫夾層結構的層間剪切強度及其變化規(guī)律，縫合泡沫夾層結構最大剪切載荷和層間剪切強度均優(yōu)于未縫合泡沫夾層結構的，且層間剪切性能隨著縫合密度的增加而增加。賴家美等[14]采用改進鎖式縫合方法，真空輔助樹脂傳遞模(VARTM)工藝制備縫合泡沫夾層結構復合材料，對其進行了三點彎曲測試，在縫合密度較大和纖維層較多的情況下，彎曲性能優(yōu)異。實驗表明采用縫合泡沫夾層結構可以提高復合材料的彎曲性能。格構腹板增強型泡沫夾層結構也能提高泡沫夾層結構力學性能。格構腹板增強型泡沫夾層結構是將塊狀芯材按規(guī)則排布，以適當方式在塊狀芯材之間填放玻纖布，通過導入樹脂固化后形成格構腹板結構。腹板能夠顯著增強了芯材的抗剪性能，提高了結構的剛度、面板與芯材的抗剝離能力，以及結構的整體承載能力。洪俊青[15]等研究了格構腹板增強型泡沫復合材料夾層結構腹板平面內(nèi)屈曲分析，研究了在平面內(nèi)荷載作用下，腹板間距、腹板高度、泡沫芯材彈性模量等因素對格構腹板增強型泡沫夾層結構腹板屈曲性能的影響。黃翔等[16]基于有限元分析軟件建立了考慮斜坡過渡區(qū)面板鋪層遞減的泡沫夾層結構的有限元模型，研究了泡沫夾層結構在單軸壓縮載荷作用下的力學行為，泡沫夾層結構坡度角在25°～30°時能夠達到提高結構承載能力及減輕結構質(zhì)量的雙重目的。

在工程應用中，復合材料泡沫夾層結構很容易遭受各種外來物體的沖擊，尤其是低速沖擊。低速沖擊引起的沖擊損傷將引起復合材料泡沫夾層結構剛度及強度的急劇下降，從而對復合材料泡沫夾層結構的安全性產(chǎn)生威脅。王杰[17]以碳纖維平紋織物層壓板為面板，以 PUR 泡沫為夾芯的復合材料夾層結構的低速沖擊及沖擊后壓縮性能進行了實驗和數(shù)值研究。

萬玉敏等[18]采用碳纖維增強環(huán)氧樹脂預浸料鋪層作為泡沫夾層復合材料的面板，PMI泡沫作為芯材制得泡沫夾層復合材料，對比同樣材料的復合材料層合板，泡沫夾層復合材料的抗沖擊能力明顯優(yōu)于復合材料層合板。李默[19]研究了不同鋪設角度面板/泡沫夾芯復合材料準靜態(tài)侵徹和低速沖擊性質(zhì)實驗和數(shù)據(jù)，為泡沫夾芯復合材料應用于T型梁、殼和平板等工程結構的防沖擊提供了理論參考。馮維超等[20]針對泡沫夾層結構箱蓋受燃氣流沖擊的破壞形式進行了實驗和數(shù)值分析建立了三維漸進損傷模型，揭示了在沖擊條件下層合板、泡沫和膠層的損傷破壞形式。

2.2泡沫夾層結構其他性能的研究

PMI泡沫復合材料具有眾多優(yōu)良特性被廣泛應用于航天航空、軍工、船舶、汽車及高速列車等各個領域。PMI泡沫塑料是一種輕質(zhì)硬質(zhì)泡沫塑料，具有100%的閉孔結構，比交聯(lián)聚氯乙烯(XPVC) 、聚氨酯(PUR) 等硬質(zhì)泡沫塑料具有更高的強度、模量和抗蠕變性能，是目前耐熱性最好的剛性結構泡沫塑料之一。PMI泡沫塑料又是一種低介電材料，張樂等[21]研究了PMI泡沫夾層結構中PMI泡沫塑料的密度和厚度對夾層結構的高頻介電性能的影響。

PMI泡沫夾層復合材料具有優(yōu)異的寬頻透波性能，被廣泛用于制備透波雷達天線罩。單忠偉等[22]從復合材料結構原理出發(fā)，選擇石英纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料為蒙皮，PMI 泡沫為芯材的夾層結構方案，采用三維全波電磁場仿真軟件比較了不同蒙皮厚度和芯材厚度對夾層結構透波性能的影響，得到了理論最優(yōu)夾層復合材料結構，可用于天線罩的寬頻透波要求。

3　結語

隨著復合材料蜂窩夾層結構在使用過程中出現(xiàn)的一系列問題，泡沫夾層復合材料越來越受到國內(nèi)外航天航空研究人員的關注，尤其是是PMI泡沫夾層結構。泡沫夾層復合材料是復合材料領域中一個重要的市場應用，研究高性能的泡沫芯材和優(yōu)化結構提高泡沫夾層復合材料的性能是拓展應用市場的關鍵。

[1] 黃自尚.聚氯乙烯可逆交聯(lián)發(fā)泡材料的制備與性能研究[D].北京：北京化工大學，2015.

[2] 王雁國，汪艷，張慧.硬質(zhì)交聯(lián)PVC泡沫塑料的制備[J].工程塑料應用. 2014(6)：13-16.

[3] 郭俊剛.聚甲基丙烯酰亞胺泡沫塑料在航空中的應用[J].化工管理，2015(3)：22-25.

[4] 劉燕青.聚甲基丙烯酰亞胺泡沫塑料的制備、結構及性能研究[D].湖南：湖南工業(yè)大學，2013.

[5] 王志媛.聚甲基丙烯酰亞胺泡沫材料性能與密度關系的研究[D].北京：北京化工大學，2015.

[6] 王娜，肖渤艦，肖曙明.泡沫玻璃鋼夾層結構板的彎曲強度分析[J].船海工程，2013，42(6) ：46-48.

[7] 張富賓，劉偉慶，齊玉軍，等.面板厚度對復合材料夾層梁整體及局部彎曲力學性能影響[J].玻璃鋼/復合材料，2015(5)：21-26.

[8] 張富賓，劉偉慶，齊玉軍，等.芯材密度對復合材料夾層梁彎曲力學性能影響[J].玻璃鋼/復合材料，2016(3)：13-17.

[9] 王鵬.復合材料Z-pin 增強技術及力學性能研究[D].南京：南京航空航天大學，2011.

[10] 單杭英，肖軍，尚偉，等. X-cor夾層結構的剪切性能[J].航空動力學報，2013，28(3)：541-549.

[11] 鄭瑩瑩. K-cor 增強泡沫夾層結構制備與力學性能研究[D].南京：南京航空航天大學，2013.

[12] 楊慧，劉興宇，徐東明.縫合復合材料泡沫夾層結構穩(wěn)定性研究[J].應用力學學報，2015，32(2)：299-303.

[13] 楊慧，劉興宇，張弛.縫合復合材料泡沫夾層結構層間剪切性能研究[J].應用力學學報，2016，33(2).

[14] 賴家美，鄢冬冬，饒欣遠.縫合泡沫夾層結構復合材料三點彎曲性能研究[J].工程塑料應用，2016，44(2)：101-105.

[15] 洪俊青，劉偉慶，方海.格構腹板增強型泡沫復合材料夾層結構腹板平面內(nèi)屈曲分析[J].工程力學，2015，32(8)：66-73.

[16] 黃翔，周光明，陸方舟，等.壓縮載荷下夾層結構斜坡過渡區(qū)域性能分析[J].宇航材料工藝，2015(3)：68-71.

[17] 王杰.復合材料泡沫夾層結構低速沖擊與沖擊后壓縮性能研究[D].上海：上海交通大學，2013.

[18] 萬玉敏，張發(fā)，竺鋁濤.泡沫夾層復合材料與復合材料層合板低速沖擊性能的比較[J].機械工程材料，2014，38(7)：90-98.

[19] 李默.不同鋪設角度面板/泡沫夾芯復合材料準靜態(tài)侵徹和低速沖擊性質(zhì)實驗和數(shù)據(jù)研究[D].上海：東華大學，2013.

[20] 馮維超，周光明，王新峰，等.泡沫夾層復合材料導彈發(fā)射箱蓋損傷失效研究[J].玻璃纖維，2014(1)：43-48.

[21] 張樂，張廣成. PMI泡沫塑料及其夾層結構的高頻介電性能研究[J].玻璃鋼/復合材料，2013(5)：18-21.

[22] 單忠偉，邊佳燕，程翔. PMI泡沫夾層復合材料電性能設計與實驗研究[J].玻璃鋼/復合材料，2016(4)：82-86.

The Research Progress of Foam Sandwich Structure Composite Material

XU Zhu

(Xi’an Aeronautical Polytechnic Institute，Xi’an 710089，Shaanxi，China)

Foam sandwich composite is composed of panel (skin) and lightweight foam core，it is a layered structure composite material. Research status on the type of foam core sandwich structure，mechanical properties and electrical properties of the foam sandwich composites，and other aspects of foam sandwich composites in recent years were reviewed in this paper.

foam sandwich structure，composite materials，foam core material，mechanical properties

西安航空職業(yè)技術學院2016年度院級教育教學改革研究項目

TB 33