泡沫復(fù)合材料的應(yīng)用與發(fā)展

周秀燕，王非

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱150036)

泡沫復(fù)合材料的應(yīng)用與發(fā)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(fù)合材料的幾種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)泡沫材料的特征;分析了各自優(yōu)缺點(diǎn)以及它們的應(yīng)用領(lǐng)域。根據(jù)泡沫夾芯復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析其獨(dú)特力學(xué)性能特征。同時(shí)闡述了泡沫夾芯復(fù)合材料的應(yīng)用前景和國(guó)內(nèi)對(duì)其發(fā)展亟待解決的問(wèn)題。

泡沫復(fù)合材料;夾層結(jié)構(gòu);芯材

1　引言

自二戰(zhàn)以來(lái)，對(duì)質(zhì)輕、高比強(qiáng)度、和高比剛度材料的需求增加，具有低密度芯結(jié)構(gòu)的夾層復(fù)合材料被人們廣泛重視。夾層結(jié)構(gòu)常規(guī)由比較薄、高強(qiáng)的面板和比較厚且質(zhì)輕的芯子交接而成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。它具有質(zhì)量輕、彎曲剛度與強(qiáng)度大、抗失穩(wěn)定性強(qiáng)、耐疲勞以及吸音、抗振消震和隔熱等特點(diǎn)［1-2］。因此廣泛應(yīng)用航空、運(yùn)載火箭、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片以及民品中的體育器材、醫(yī)療設(shè)備配件、汽車、建筑等領(lǐng)域［3-4］。夾層結(jié)構(gòu)的芯材多種多樣，如硬質(zhì)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(wěn)定、抗疲勞性好，防水防霉變，同時(shí)品種、功能的多樣化，更能滿足人們對(duì)夾層復(fù)合材料材料多方面的需求，因此得到人們更加廣泛關(guān)注和研究。

圖1　輕質(zhì)芯體和高強(qiáng)面板組成的夾層結(jié)構(gòu)

2　常見(jiàn)泡沫夾芯材料的種類及性能

作為結(jié)構(gòu)泡沫材料，其目的主要用來(lái)增加復(fù)合材料剛度同時(shí)減輕整體質(zhì)量。目前應(yīng)用比較多的結(jié)構(gòu)泡沫芯材有聚氯乙烯(PVC)、聚對(duì)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(shù)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(lián)閉孔型材料，具有各向同性，質(zhì)輕，工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期短，制造成本低，優(yōu)良的靜、動(dòng)力性能，利用熱變形能力可制造曲面結(jié)構(gòu)，利用熱導(dǎo)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(diǎn)為作為芯材夾層結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度較低，不適合作為主承力結(jié)構(gòu)。2011年我國(guó)首次在將PVC泡沫夾層板應(yīng)用于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)隔板，證實(shí)PVC可以替代鋁蜂窩成為次承力結(jié)構(gòu)。在風(fēng)力發(fā)電中，兆瓦級(jí)葉片采用的芯材多以PVC結(jié)構(gòu)泡沫材料為主。全復(fù)合材料隱身導(dǎo)彈巡洋艦Visby其泡沫芯子也是PVC材料構(gòu)成［5-8］。

(2)PET泡沫材料

PET又稱滌綸樹(shù)脂，泡沫類型是閉孔熱塑性泡沫，是近年發(fā)展起來(lái)的泡沫材料，具有理想的尺寸穩(wěn)定性，對(duì)外界有良好的阻隔性，優(yōu)良的耐磨性和表面阻滯性能，最高使用溫度可達(dá)200℃。目前，美國(guó)華盛頓大學(xué)制備出表面結(jié)晶形態(tài)完整的PET發(fā)泡材料，其質(zhì)輕而堅(jiān)硬;瑞士Alcan Airex公司推出的AIREX T90是一種易于加工的PET發(fā)泡芯板，能承受150℃的加工溫度而不膨脹、不產(chǎn)生氣體，可長(zhǎng)期于100℃以下環(huán)境使用;日本推出的Cel Pet不僅質(zhì)輕，更具有耐油性，耐化學(xué)藥品性和減震性能。同時(shí)PET樹(shù)脂可制備可再生發(fā)泡片應(yīng)用于高溫使用環(huán)境［9-11］。

(3)PMI泡沫材料

PMI樹(shù)脂主鏈中含有雙甲基六元酰亞胺環(huán)，因此在密度相同的條件下，PMI是強(qiáng)度和剛度最高的泡沫材料。PMI泡沫經(jīng)適當(dāng)?shù)母邷靥幚硪院?，能滿足190℃的固化工藝對(duì)泡沫尺寸穩(wěn)定性的要求，其卓越的熱力學(xué)性能決定其可應(yīng)用于航空航天、軍事領(lǐng)域的芯材結(jié)構(gòu)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(shù)脂體系相容性良好，使得界面粘結(jié)強(qiáng)度高，可取代蜂窩材料制備高性能的夾層結(jié)構(gòu)芯材。目前市場(chǎng)上PMI泡沫產(chǎn)品主要有德國(guó)德固賽公司的ROHACELL和日本積水化學(xué)公司的FORMAC兩種類型。PMI泡沫已經(jīng)應(yīng)用到直升機(jī)尾翼、懸翼、客機(jī)起落架艙門、飛機(jī)客艙氣密隔板;火箭的載荷段整流罩、列車頭車體、醫(yī)療床板、風(fēng)力發(fā)電葉片等等［15］。

(4)PI泡沫材料

PI泡沫材料長(zhǎng)期使用溫度250℃～300℃，短期可耐400℃～500℃，是穩(wěn)定性最好的聚合物之一。PI泡沫材料有其獨(dú)特性能，例如可作為透波材料，制備雷達(dá)天線罩電磁窗透波材料，使用溫度達(dá)230℃;可作為阻尼材料，制備保護(hù)頭盔的的沖擊吸收墊，同時(shí)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(duì)船舶市場(chǎng)而開(kāi)發(fā)，大多數(shù)情況下，在船舶結(jié)構(gòu)中可以用SAN泡沫代替線性PVC泡沫，但其價(jià)格略高于PVC泡沫。PS泡沫曾廣泛用在船舶、沖浪板制造行業(yè)，但因力學(xué)性能差，很少在高性能結(jié)構(gòu)件中使用。PUR泡沫其力學(xué)性能一般，作為結(jié)構(gòu)材料使用時(shí)，常用作層合板的縱、橫桁條或加強(qiáng)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(jiǎn)單，但是機(jī)械加工過(guò)程中易碎或掉渣，其價(jià)格相對(duì)便宜，發(fā)泡工藝也比較簡(jiǎn)單。目前主要在運(yùn)動(dòng)器材，例如網(wǎng)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(fā)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(zhì)、防火、隔熱、隔音、高比強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)低、絕緣等優(yōu)異性能。

泡沫夾層材料的性能與非常多的因素相關(guān)，Cunningham A等人［19］在2001年提出PU硬質(zhì)泡沫的性能與各種因素關(guān)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(xué)組成;CS:泡體結(jié)構(gòu);PM:聚合物形態(tài)結(jié)構(gòu);GE:閉合氣孔種類。此外還包括增強(qiáng)體的性能和界面結(jié)構(gòu)等影響因素，在這些因素中，既存在著相對(duì)獨(dú)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(zhǔn)確有效地揭示材料性能改變的本質(zhì)［20］。幾種常見(jiàn)泡沫的剪切模量、剪切強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)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(qiáng)度隨密度的變化

3　泡沫夾芯復(fù)合材料的力學(xué)性能分析

圖5　幾種泡沫的壓縮強(qiáng)度隨密度的變化

泡沫夾層復(fù)合材料一般由上下面板、中間的芯材粘結(jié)而成，其傳遞載荷的方式類似于工字梁，彎矩引起的面內(nèi)拉壓應(yīng)力和面內(nèi)剪應(yīng)力主要由上下面板承受，而芯材主要承受橫向力產(chǎn)生的剪應(yīng)力。其力學(xué)性能與一般復(fù)材有相同之處，同時(shí)也有其獨(dú)特性質(zhì)。第一，面板和芯材的強(qiáng)度、模量以及熱膨脹系數(shù)的不同決定其各項(xiàng)異性的特征，利用這一特點(diǎn)可以設(shè)計(jì)滿足不同方向強(qiáng)度和剛度的需求，但也同時(shí)決定著其力學(xué)性能問(wèn)題的求解困難。第二，泡沫夾芯復(fù)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(fù)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(fā)生脫粘分層導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)的失效。研究發(fā)現(xiàn)界面脫粘是導(dǎo)致夾芯復(fù)材失效的重要破壞形式之一。第三，泡沫夾心復(fù)合材料失效模式復(fù)雜。在外載荷的作用下，將發(fā)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(yīng)力松弛導(dǎo)致脫粘分層等多種失效形態(tài)［21］。

為了彌補(bǔ)現(xiàn)有夾芯結(jié)構(gòu)材料界面性能薄弱的缺點(diǎn)，可以通過(guò)對(duì)粘彈性膠接層進(jìn)行優(yōu)化選擇;可以通過(guò)固化工藝將短纖維引入層間從而提高層間斷裂擴(kuò)展所需要的能量耗散改善抗斷裂性能;也可以通過(guò)縫紉法一體化成型工藝，提高泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的彎曲強(qiáng)度、平壓強(qiáng)度和側(cè)壓強(qiáng)度，而且泡沫夾芯材料的抗彎、平壓和側(cè)壓性能均隨縫紉密度增加而增加［22］，等等。提高夾芯復(fù)合材料的界面性能一直是人們致力研究的重要內(nèi)容。

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

4　結(jié)語(yǔ)

隨著質(zhì)輕高強(qiáng)、不同特性材料需求的增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)外研究人員早已將目光轉(zhuǎn)向了泡沫芯材夾層復(fù)合材料。多種多樣的泡沫決定著使用、設(shè)計(jì)泡沫芯材復(fù)合材料的復(fù)雜性，必須考慮使用性能需求、環(huán)境、外載荷施加方式、生產(chǎn)成本等多方面的因素。盡管近年國(guó)內(nèi)對(duì)于高性能泡沫芯材研制和應(yīng)用取得突出成績(jī)，但是核心技術(shù)的掌握仍有待提高，以滿足國(guó)內(nèi)軍、民品日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)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(fù)合材料成型工藝技術(shù)。E-mail:zhou_ xiu_yan@126.com.