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AIREX R82，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PMI S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Herex C。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AIREX R 63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（40 kg/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SP Systems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SP Systems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，AlCAN AIREX公司在全世界范围内提供HEREX C70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HEREX C70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HEREX C70芯材，ALCAN AIREX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Divinycell H类型泡沫性能的同时，推出了Divinycell HP型号PVC泡沫。

新的Divinycell H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Divinycell H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。

Divinycell HP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。Divinycell HP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℃。Divinycell HP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ROHACELL RIST和RIMA类型的泡沫。ROHACELL RIST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。ROHACELL RIMA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Alcan Airex公司声明停止生产PEI泡沫以后，德固赛公司提出了用ROHACELL S代替PEI泡沫的建议。虽然和PEI泡沫相比，ROHACELL S的FST（火焰、烟雾和毒性）要差一些，但是ROHACELL S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ROHACELL S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，Jupiter Plast公司采用ROHACELL 51 S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ROHACELL 51 S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?71 WF-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