泡沫復合材料的應用與發展

周秀燕，王非

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱150036)

泡沫復合材料的應用與發展

周秀燕，王非

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱150036)

本文介紹了可制備泡沫夾芯復合材料的幾種常見結構泡沫材料的特征;分析了各自優缺點以及它們的應用領域。根據泡沫夾芯復合材料的結構特點，分析其獨特力學性能特征。同時闡述了泡沫夾芯復合材料的應用前景和國內對其發展亟待解決的問題。

泡沫復合材料;夾層結構;芯材

1　引言

自二戰以來，對質輕、高比強度、和高比剛度材料的需求增加，具有低密度芯結構的夾層復合材料被人們廣泛重視。夾層結構常規由比較薄、高強的面板和比較厚且質輕的芯子交接而成，結構如圖1所示。它具有質量輕、彎曲剛度與強度大、抗失穩定性強、耐疲勞以及吸音、抗振消震和隔熱等特點［1-2］。因此廣泛應用航空、運載火箭、風力發電機葉片以及民品中的體育器材、醫療設備配件、汽車、建筑等領域［3-4］。夾層結構的芯材多種多樣，如硬質泡沫、蜂窩材料(Nomex、鋁蜂窩)以及巴薩輕木(Balsa)等。其中泡沫芯材性能更加穩定、抗疲勞性好，防水防霉變，同時品種、功能的多樣化，更能滿足人們對夾層復合材料材料多方面的需求，因此得到人們更加廣泛關注和研究。

圖1　輕質芯體和高強面板組成的夾層結構

2　常見泡沫夾芯材料的種類及性能

作為結構泡沫材料，其目的主要用來增加復合材料剛度同時減輕整體質量。目前應用比較多的結構泡沫芯材有聚氯乙烯(PVC)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)、聚酰亞胺(PI)、丙烯腈-苯乙烯(SAN)、聚醚酰亞胺(PEI)及聚氨酯(PUR)等。幾種閉孔泡沫在同一放大倍數下的表面掃描電鏡圖如圖2所示。

圖2　幾種泡沫的表面掃描電鏡圖［18］

(1)PVC泡沫材料

PVC泡沫材料是一種交聯閉孔型材料，具有各向同性，質輕，工藝簡單，生產周期短，制造成本低，優良的靜、動力性能，利用熱變形能力可制造曲面結構，利用熱導率低、隔熱性能好制造隔熱材料，具有耐腐蝕，不易受潮，使用溫度-240℃～80℃的特性，其缺點為作為芯材夾層結構剪切強度較低，不適合作為主承力結構。2011年我國首次在將PVC泡沫夾層板應用于衛星結構隔板，證實PVC可以替代鋁蜂窩成為次承力結構。在風力發電中，兆瓦級葉片采用的芯材多以PVC結構泡沫材料為主。全復合材料隱身導彈巡洋艦Visby其泡沫芯子也是PVC材料構成［5-8］。

(2)PET泡沫材料

PET又稱滌綸樹脂，泡沫類型是閉孔熱塑性泡沫，是近年發展起來的泡沫材料，具有理想的尺寸穩定性，對外界有良好的阻隔性，優良的耐磨性和表面阻滯性能，最高使用溫度可達200℃。目前，美國華盛頓大學制備出表面結晶形態完整的PET發泡材料，其質輕而堅硬;瑞士Alcan Airex公司推出的AIREX T90是一種易于加工的PET發泡芯板，能承受150℃的加工溫度而不膨脹、不產生氣體，可長期于100℃以下環境使用;日本推出的Cel Pet不僅質輕，更具有耐油性，耐化學藥品性和減震性能。同時PET樹脂可制備可再生發泡片應用于高溫使用環境［9-11］。

(3)PMI泡沫材料

PMI樹脂主鏈中含有雙甲基六元酰亞胺環，因此在密度相同的條件下，PMI是強度和剛度最高的泡沫材料。PMI泡沫經適當的高溫處理以后，能滿足190℃的固化工藝對泡沫尺寸穩定性的要求，其卓越的熱力學性能決定其可應用于航空航天、軍事領域的芯材結構材料［12-14］。PMI泡沫是一種孔隙基本一致、均勻的100%閉孔泡沫，在高溫下具有高抗蠕變性能，和各種樹脂體系相容性良好，使得界面粘結強度高，可取代蜂窩材料制備高性能的夾層結構芯材。目前市場上PMI泡沫產品主要有德國德固賽公司的ROHACELL和日本積水化學公司的FORMAC兩種類型。PMI泡沫已經應用到直升機尾翼、懸翼、客機起落架艙門、飛機客艙氣密隔板;火箭的載荷段整流罩、列車頭車體、醫療床板、風力發電葉片等等［15］。

(4)PI泡沫材料

PI泡沫材料長期使用溫度250℃～300℃，短期可耐400℃～500℃，是穩定性最好的聚合物之一。PI泡沫材料有其獨特性能，例如可作為透波材料，制備雷達天線罩電磁窗透波材料，使用溫度達230℃;可作為阻尼材料，制備保護頭盔的的沖擊吸收墊，同時具有高阻燃性;耐高低溫、低放氣量材料;介電材料等［16-17］。

SAN泡沫屬于熱塑性材料主要針對船舶市場而開發，大多數情況下，在船舶結構中可以用SAN泡沫代替線性PVC泡沫，但其價格略高于PVC泡沫。PS泡沫曾廣泛用在船舶、沖浪板制造行業，但因力學性能差，很少在高性能結構件中使用。PUR泡沫其力學性能一般，作為結構材料使用時，常用作層合板的縱、橫桁條或加強筋之芯材，也能用于受載較小的夾層板中，起到隔熱或隔音的作用。PUR泡沫的使用溫度為150℃左右，吸聲性能良好，成型非常簡單，但是機械加工過程中易碎或掉渣，其價格相對便宜，發泡工藝也比較簡單。目前主要在運動器材，例如網球拍、冰球棒中用做工藝芯材，并起到一定的阻尼作用。另外在沖浪板中也普遍使用PUR泡沫或EPS(聚苯乙烯)泡沫作為芯材。PEI泡沫由聚醚酰亞胺/聚醚砜發泡而成，具有很高的使用溫度和良好的防火性能，但逐步被PMIS類型泡沫取代。酚醛(PF)泡沫具有輕質、防火、隔熱、隔音、高比強度、導熱系數低、絕緣等優異性能。

泡沫夾層材料的性能與非常多的因素相關，Cunningham A等人［19］在2001年提出PU硬質泡沫的性能與各種因素關系的模擬方程如下式:

Y:泡沫材料的性能;ρ:泡沫體的密度;CC:化學組成;CS:泡體結構;PM:聚合物形態結構;GE:閉合氣孔種類。此外還包括增強體的性能和界面結構等影響因素，在這些因素中，既存在著相對獨立的因素，也存在著具有交互作用的因素，在具體的材料體系中，需要綜合考慮影響最終性能變化的因素并分析其中的主次性，才能準確有效地揭示材料性能改變的本質［20］。幾種常見泡沫的剪切模量、剪切強度和壓縮強度隨密度的變化如圖3-5所示。

圖3　幾種泡沫的剪切模量隨密度的變化

圖4　幾種泡沫的剪切強度隨密度的變化

3　泡沫夾芯復合材料的力學性能分析

圖5　幾種泡沫的壓縮強度隨密度的變化

泡沫夾層復合材料一般由上下面板、中間的芯材粘結而成，其傳遞載荷的方式類似于工字梁，彎矩引起的面內拉壓應力和面內剪應力主要由上下面板承受，而芯材主要承受橫向力產生的剪應力。其力學性能與一般復材有相同之處，同時也有其獨特性質。第一，面板和芯材的強度、模量以及熱膨脹系數的不同決定其各項異性的特征，利用這一特點可以設計滿足不同方向強度和剛度的需求，但也同時決定著其力學性能問題的求解困難。第二，泡沫夾芯復材一般有高性能面板和低密度芯組成，二者的界面性能的好壞直接決定復材的性能，即取決于膠黏劑的性能。如果面板/芯材界面性能低，將發生脫粘分層導致材料結構的失效。研究發現界面脫粘是導致夾芯復材失效的重要破壞形式之一。第三，泡沫夾心復合材料失效模式復雜。在外載荷的作用下，將發生面板的斷裂、起皺、芯材的剪切失效以及界面膠接材料的蠕變或者應力松弛導致脫粘分層等多種失效形態［21］。

為了彌補現有夾芯結構材料界面性能薄弱的缺點，可以通過對粘彈性膠接層進行優化選擇;可以通過固化工藝將短纖維引入層間從而提高層間斷裂擴展所需要的能量耗散改善抗斷裂性能;也可以通過縫紉法一體化成型工藝，提高泡沫夾芯結構的彎曲強度、平壓強度和側壓強度，而且泡沫夾芯材料的抗彎、平壓和側壓性能均隨縫紉密度增加而增加［22］，等等。提高夾芯復合材料的界面性能一直是人們致力研究的重要內容。

馬志超等人［23］利用經典梁理論和夾層板理論構建了泡沫芯材復合材料的彎曲剛度和壓縮強度與彈性模量、壓縮強度等材料參數的關系，利用傳遞矩陣法建立了縱波聲速、衰減系數、損耗因子等材料參數與泡沫芯材復合材料水中插入損失的關系。

4　結語

隨著質輕高強、不同特性材料需求的增長，國內外研究人員早已將目光轉向了泡沫芯材夾層復合材料。多種多樣的泡沫決定著使用、設計泡沫芯材復合材料的復雜性，必須考慮使用性能需求、環境、外載荷施加方式、生產成本等多方面的因素。盡管近年國內對于高性能泡沫芯材研制和應用取得突出成績，但是核心技術的掌握仍有待提高，以滿足國內軍、民品日益增長的市場需求。

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Development and Application of Foam Composite Materials

ZHOU Xiuyan，WANG Fei
(Harbin FRP Institute，Harbin 150036)

The characteristics of several kinds of common foam were introduced to prepare foam sandwich structural composite materials in this paper，and the respective advantages and disadvantages as well as their application fields of these foam sandwich composite materials were analyzed at the same time，the unique mechanical performance characteristics were also studied according to the structure characteristics of the foam sandwich composites.It was summarized that the application prospect of foam sandwich composites in recent years and the problem need be solved for their development in China.

foam composite;sandwich structure core material

2015-07-17)

周秀燕(1989-)，女，黑龍江人，碩士，工程師。研究方向:復合材料成型工藝技術。E-mail:zhou_ xiu_yan@126.com.