泡沫夹层结构复合材料的研究进展*

徐　竹

(西安航空职业技术学院，陕西西安 710089)



泡沫夹层结构复合材料的研究进展*

徐竹

(西安航空职业技术学院，陕西西安 710089)

泡沫夹层结构复合材料是由面板(蒙皮)与轻质泡沫芯材组成的层状结构复合材料。该文从泡沫夹层结构的芯材种类、泡沫夹层结构复合材料的力学性能、电性能等方面综述了泡沫夹层结构复合材料近年来的研究现状。

泡沫夹层结构，复合材料，泡沫芯材，力学性能

夹层结构是由高强度面板和轻质芯材料所构成的一种结构形式。泡沫夹层结构复合材料是采用纤维增强复合材料板材做蒙皮，泡沫塑料做夹芯材料的一种夹层结构。泡沫塑料夹层结构最大特点是质量轻、刚度大，保温、隔热性能好，同时又能通过选择合适的面板、芯材和粘接剂来满足特定条件下的使用要求。因此在运载火箭、航空、船舶、列车机车、风力发电机等领域得到了大量应用，尤其适用于刚度要求高，受力不大和保温隔热性能要求高的部件，如飞机尾翼、保温通风管道等。

1　泡沫夹层结构芯材的种类

泡沫夹层结构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)、聚醚酰亚胺(PEI)及聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)等，其中占市场份额最大的是PVC泡沫芯材。在密度相同的条件下，PMI是强度和刚度最高的泡沫材料。

1.1PVC泡沫

PVC分为未交联PVC和交联PVC泡沫两种。交联PVC的强度和刚度比未交联PVC的高，但是韧性较差。黄自尚[1]将热可逆交联技术引入聚氯乙烯泡沫材料制备，研究了绿色发泡方法获得可热塑反复加工的高性能PVC泡沫材料。交联PVC泡沫通常用于船底、舷部、甲板、舱壁及上层建筑中。王雁国等[2]以聚氯乙烯(PVC)为基体，马来酸酐为接枝剂，异氰酸酯、三聚氰胺为交联剂，制备出泡孔直径分布较为均匀、性能优异的硬质交联PVC泡沫塑料；该硬质交联PVC泡沫塑料的力学性能具备同瑞士Airex C70产品相当的力学性能。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，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。

1.2PMI泡沫塑料

随着航天航空等特殊领域的快速发展，要求芯层材料具有更高的强度、刚度和耐热性。聚甲基丙烯酰亚胺泡沫塑料具有很好的压缩蠕变性能[3]，可以在120℃～180℃、0～0.5MPa的压强下在热压罐中固化，能满足预浸料固化工艺对泡沫尺寸稳定性的要求，适用共固化的夹层结构构件中。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。目前对于PMI泡沫的研究多数是针对德国赢创德固赛公司的ROHACELL 的PMI泡沫性能及应用的研究，国内近年来也开始研究聚甲基丙烯酰亚胺泡沫塑料的制备方法及性能研究[4-5]。PMI正是具有高强度重量比和较高的耐压缩蠕变性能，而且能够采用制造成本最低的一步共固化工艺完成，大幅度降低制造成本。广泛应用于高速火车的车头、高速船、直升机结构、运载火箭的主要结构等。

2　泡沫夹层结构的性能研究

2.1泡沫夹层结构力学性能的研究

夹层结构的力学性能取决于表层和芯部材料的力学性能及几何尺寸，其内容重要主要涉及夹层结构的强度和刚度。强度包括复合材料的拉、压性能，剪切强度，疲劳强度和冲击时的力学行为等。刚度是指夹层结构复合材料的拉、压、剪切模量。

王娜等[6]结合船用泡沫玻璃钢夹层结构的适用理论和有限元分析方法，对泡沫玻璃钢夹层板的弯曲强度进行分析。张富宾等[7-8]研究了泡沫夹芯复合材料面板厚度、芯材密度对复合材料夹层梁弯曲力学性能的影响，通过三点弯曲试验研究显示随着上面板厚度增大，夹层梁破坏模式由芯材压陷破坏变为芯材剪切破坏；夹层梁极限承载力随着上面板厚度的增大而增大。同时通过对比五种不同密度泡沫芯材复合材料夹层梁进行三点弯试验研究，结果夹层梁极限承载力随芯材密度的增大而增大；芯材密度的增加，夹层梁破坏模式由芯材压陷变为面板受压屈服破坏。

近年来国内外学者对Z向增强泡沫夹层结构的力学性能进行了研究。Z向增强泡沫夹层结构复合材料性能远高于普通夹层结构复合材料，并优于相同密度的蜂窝夹层结构，而结构重量低于蜂窝夹层结构，其效益成本很高，是一种理想的航空用夹层结构复合材料。X-cor泡沫夹层结构是采用Z-pinning技术增强的新型夹层结构[9]，很大程度上弥补了空白泡沫夹层结构的不足。单杭英等[10]通过剪切性能考察了Z-pin 对泡沫夹层结构的增强效果，对比X-cor夹层结构与相同材料同尺寸的未增强件和去除泡沫的夹层结构，分析研究了剪切刚度和剪切强度试验值和理论值的对比情况。K-cor 增强泡沫夹层结构是采用 Z-pin 技术对传统泡沫夹层结构进行纵向增强的一种新型复合材料，具有比蜂窝夹层结构及传统 X-cor 夹层结构更优越的性能。 郑莹莹[11]研究了环氧K-cor夹层结构中不完全固化Z-pin 的拉挤成型工艺及其压弯工艺；采用滚筒剥离测试显示K-cor增强泡沫夹层结构滚筒剥离强度远远大于 X-cor 增强泡沫夹层结构及空白泡沫夹层结构。

采用缝合工艺能提高泡沫夹层结构的面外性能和层间性能，杨慧等[12-13]研究了缝合复合材料泡沫夹层结构的结构稳定性和层间剪切性能。通过压缩稳定性试验研究了未缝合泡沫夹层结构和不同缝合密度的缝合泡沫夹层结构的稳定性，结果表明缝合会降低泡沫夹层结构的稳定性，缝合密度增加时，泡沫夹层结构稳定性性能降低。通过层间剪切试验研究不同缝合密度下单向带面板和织物面板复合材料泡沫夹层结构的层间剪切强度及其变化规律，缝合泡沫夹层结构最大剪切载荷和层间剪切强度均优于未缝合泡沫夹层结构的，且层间剪切性能随着缝合密度的增加而增加。赖家美等[14]采用改进锁式缝合方法，真空辅助树脂传递模(VARTM)工艺制备缝合泡沫夹层结构复合材料，对其进行了三点弯曲测试，在缝合密度较大和纤维层较多的情况下，弯曲性能优异。实验表明采用缝合泡沫夹层结构可以提高复合材料的弯曲性能。格构腹板增强型泡沫夹层结构也能提高泡沫夹层结构力学性能。格构腹板增强型泡沫夹层结构是将块状芯材按规则排布，以适当方式在块状芯材之间填放玻纤布，通过导入树脂固化后形成格构腹板结构。腹板能够显著增强了芯材的抗剪性能，提高了结构的刚度、面板与芯材的抗剥离能力，以及结构的整体承载能力。洪俊青[15]等研究了格构腹板增强型泡沫复合材料夹层结构腹板平面内屈曲分析，研究了在平面内荷载作用下，腹板间距、腹板高度、泡沫芯材弹性模量等因素对格构腹板增强型泡沫夹层结构腹板屈曲性能的影响。黄翔等[16]基于有限元分析软件建立了考虑斜坡过渡区面板铺层递减的泡沫夹层结构的有限元模型，研究了泡沫夹层结构在单轴压缩载荷作用下的力学行为，泡沫夹层结构坡度角在25°～30°时能够达到提高结构承载能力及减轻结构质量的双重目的。

在工程应用中，复合材料泡沫夹层结构很容易遭受各种外来物体的冲击，尤其是低速冲击。低速冲击引起的冲击损伤将引起复合材料泡沫夹层结构刚度及强度的急剧下降，从而对复合材料泡沫夹层结构的安全性产生威胁。王杰[17]以碳纤维平纹织物层压板为面板，以 PUR 泡沫为夹芯的复合材料夹层结构的低速冲击及冲击后压缩性能进行了实验和数值研究。

万玉敏等[18]采用碳纤维增强环氧树脂预浸料铺层作为泡沫夹层复合材料的面板，PMI泡沫作为芯材制得泡沫夹层复合材料，对比同样材料的复合材料层合板，泡沫夹层复合材料的抗冲击能力明显优于复合材料层合板。李默[19]研究了不同铺设角度面板/泡沫夹芯复合材料准静态侵彻和低速冲击性质实验和数据，为泡沫夹芯复合材料应用于T型梁、壳和平板等工程结构的防冲击提供了理论参考。冯维超等[20]针对泡沫夹层结构箱盖受燃气流冲击的破坏形式进行了实验和数值分析建立了三维渐进损伤模型，揭示了在冲击条件下层合板、泡沫和胶层的损伤破坏形式。

2.2泡沫夹层结构其他性能的研究

PMI泡沫复合材料具有众多优良特性被广泛应用于航天航空、军工、船舶、汽车及高速列车等各个领域。PMI泡沫塑料是一种轻质硬质泡沫塑料，具有100%的闭孔结构，比交联聚氯乙烯(XPVC) 、聚氨酯(PUR) 等硬质泡沫塑料具有更高的强度、模量和抗蠕变性能，是目前耐热性最好的刚性结构泡沫塑料之一。PMI泡沫塑料又是一种低介电材料，张乐等[21]研究了PMI泡沫夹层结构中PMI泡沫塑料的密度和厚度对夹层结构的高频介电性能的影响。

PMI泡沫夹层复合材料具有优异的宽频透波性能，被广泛用于制备透波雷达天线罩。单忠伟等[22]从复合材料结构原理出发，选择石英纤维增强环氧树脂复合材料为蒙皮，PMI 泡沫为芯材的夹层结构方案，采用三维全波电磁场仿真软件比较了不同蒙皮厚度和芯材厚度对夹层结构透波性能的影响，得到了理论最优夹层复合材料结构，可用于天线罩的宽频透波要求。

3　结语

随着复合材料蜂窝夹层结构在使用过程中出现的一系列问题，泡沫夹层复合材料越来越受到国内外航天航空研究人员的关注，尤其是是PMI泡沫夹层结构。泡沫夹层复合材料是复合材料领域中一个重要的市场应用，研究高性能的泡沫芯材和优化结构提高泡沫夹层复合材料的性能是拓展应用市场的关键。

[1] 黄自尚.聚氯乙烯可逆交联发泡材料的制备与性能研究[D].北京：北京化工大学，2015.

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[3] 郭俊刚.聚甲基丙烯酰亚胺泡沫塑料在航空中的应用[J].化工管理，2015(3)：22-25.

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[22] 单忠伟，边佳燕，程翔. PMI泡沫夹层复合材料电性能设计与实验研究[J].玻璃钢/复合材料，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

西安航空职业技术学院2016年度院级教育教学改革研究项目

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