PMI泡沫夹芯的真空热成型工艺及应用性能研究

江超

摘 要：在制造泡沫塑料芯材过程中，多使用机械加工成型的方法，该方法材料利用率低、生产周期长、报废率高且成本高。针对以上问题，分析研究了泡沫的热成型性能，发展了一种泡沫塑料的热成型工艺，制备出了符合要求的泡沫塑料芯材，有效的解决了原有泡沫成型中的诸多问题，具有很高的实用价值和经济效益。

关键词：PMI泡沫;真空热成型;回弹控制;热蠕变

1 引言

随着战斗机在性能上的不断提高，复合材料夹层结构的使用也越来越广泛，复合材料夹层结构采用先进复合材料蒙皮做面板，夹芯为轻质材料。聚甲基丙烯酰亚胺即PMI（polymethacrylimide）泡沫是一种性能优异的闭孔硬质泡沫[1]，其具有优良的绝热性能和耐高低温性能。PMI泡沫芯具有力学性能上各向同性，便于机械加工，与各类型树脂兼容性好的特点，近年在高性能夹层结构芯材上得到大量应用。PMI泡沫主要有机械加工及热成型两种成型方式。泡沫塑料芯材制造多使用铣削加工成型方法，该方法材料利用率极低、生产周期长、报废率高且成本高。尤其是当泡沫零件曲面较复杂且弦高较大时，材料利用率将低于10%，且加工难度很大，极易断裂而引起零件报废。因此，很有必要对泡沫芯材的热成型工艺进行研究，以解决原有泡沫加工中的诸多问题。

2 泡沫热成型工艺试验

2.1试验材料及设备

根据设计要求选用的泡沫材料ROHACELL 71 HF为依据，选择与该材料性能接近但热成型性更好的ROHACELL 71 WF硬质泡沫塑料作为试验材料。ROHACELL是一种闭孔刚性发泡材料，用于轻质夹层结构聚甲基丙烯酰亚胺闭孔刚性泡沫（PMI），由德国德固赛公司生产，性能见表1[2]。

工藝试验过程所需设备主要有烘箱、热压罐、真空泵和成型模具。成型模具选用某型号飞机某复杂外形的泡沫夹层结构件工装，该零件贴模面为双曲率、大弦高、波浪形复杂曲面，其中泡沫厚度18mm，曲面最大弦高接近200mm。如选择铣削加工方法需要使用200mm厚的泡沫板，大约铣削2天时间，并且材料利用率低于10%，材料费用比热成型所用等厚度板高10倍以上。如能用18mm等厚板通过热成型实现零件制造，能大大节省制造成本、缩短加工周期，这将有效提高企业的生产效益，为企业带来巨大的经济效益。

2.2 关键工艺试验过程

1）为研究18mm厚泡沫板在200℃、抽真空（压力接近-0.1Mpa）、周围压边的情况下的最大拉深深度，选择了变曲率成型工装（如图2所示）进行了泡沫的成型性试验。最终泡沫的最大成型深度接近200mm。在没有压边和增加润滑的情况下，最大拉深量完全可达到200mm。

2）PMI泡沫热成型前把备好的泡沫塑料芯材放置于成型工装中，使用真空袋封装，当外压在0.3MPa时的工艺参数曲线如图3所示。

2.3 工艺试验参数和变形过程

泡沫热成型过程实际上是通过将泡沫加热到一定温度，以降低泡沫的屈服应力，进而激活材料塑性的一种工艺方法。依据工艺原理，实现泡沫热成型的关键是选择合适的成形温度和加压位置。同时，为提高零件的贴模度，有效控制泡沫的回弹变形也成为热成型过程的关键。

泡沫的热成型过程主要包括以下步骤：

1）泡沫干燥。在PMI泡沫热成型前，将泡沫在空气循环烘箱内，最少要在130℃下干燥3小时，要让空气能够不停的循环，同时必须严格执行板材放置和控温的要求，泡沫应在烘干后8小时内使用。

2）真空袋包装。将泡沫放置在曲面成型模上，利用胶带或定位销对泡沫进行定位，泡沫表面放无孔膜和透气毡，密封与真空袋中然后放入烘箱或热压罐。

3）加温阶段。经过2小时将烘箱温度从室温升到195～205℃，升温速率要小于2℃/min，保温时间为t，选择时间t的选择依据为：t=max（15+h，0.7～1mm/min），h为泡沫板厚。

4）压力路径。待泡沫保温时间结束后，抽真空或加外压成形，抽真空或加外压的速度要适当放缓，以免造成泡沫断裂。根据材料厚度，保压15-25分钟后开始降温，但压力一直保持到温度降至60℃后才卸压。

5）降温阶段。保压完成后，烘箱温度从200℃降至60℃，60℃后泡沫形状基本稳定。温度降温速率是影响泡沫回弹的重要因素，降温速率要小于0.5℃/min，如有条件应尽量延长降温时间。

6）脱模。拆除真空袋，脱模前使用塞尺检验成型后零件的贴模度。取件后应用密封袋包装，避免泡沫吸湿，放置于干燥、通风处备用。

依据以上主要步骤，通过热成型18mm等厚度泡沫板，最终得到了制造（如图1所示）零件所需要的泡沫芯材，泡沫贴胎度满足使用要求。

3 PMI泡沫压缩蠕变性能验证

作为聚合物泡沫材料，具有一定的蠕变性能。所谓的蠕变性能是指材料在一定的温度情况下，经过一定的时间，在特定压力下发生的变形。例如复合材料在热压罐内的固化工艺过程。

热成型后的泡沫质量必须经过质量一致性检验（入厂复验）合格后才能投入实用。依据聚甲基丙烯酰亚胺闭孔刚性泡沫（PMI）塑料专业材料规范进行质量一致性验证[4]，除压缩蠕变外，其它检验性能参数全部合格。该类型泡沫夹层结构件在热压罐内的固化压力为0.3MPa，固化温度为180℃±5℃。为验证热成型后泡沫的压缩蠕变性能，采用在热压罐内模拟夹层结构件的工艺环境方式，对18mm厚泡沫平板件进行压缩蠕变性能试验验证。当外压在0.3MPa时的工艺参数曲线如图4所示。试验完成后对泡沫各区域厚度进行测量，板厚无明显变化，完全能够满足零件制造要求。

4 分析与结论

4.1研究了ROHACELL 71WF PMI泡沫热成型的工艺过程，证明了该牌号泡沫热成型工艺的可行性，并制造出了满足使用要求的零件夹芯泡沫件。

4.2 PMI泡沫在200℃情况下，根据泡沫厚度保温一定时间抽全真空或加外压至少15分钟后保压降温，脱模取件。将PMI泡沫板密封于真空袋加热到200℃进行热成型，简化了加工工艺，缩短生产周期，降低材料成本，具有较高的实用价值和经济效益。

4.3通过对热成型后的ROHACELL 71 WF硬质泡沫进行压缩蠕变试验，泡沫的性能完全能够满足生产使用要求。

参考文献：

[1] 杨洋，刘军，卢鑫.固化压力对PMI泡沫/高温固化环氧碳纤维夹层复合材料胶接性能影响的研究[J].高科技纤维与应用，2012（1）：14-21.

[2] 胡培. ROHACELL?技术手册， 德固赛中国控股有限公司上海分公司[Z]. 2007.8.31

[3] 苏航，王翀，段正才，等. PMI泡沫的热成型工艺研究及其应用分析[J].安徽化工，2018（1）：66-68.

[4] 西安第一飞机设计研究院. 聚甲基丙烯酰亚胺闭孔刚性泡沫塑料专业材料规范[C].材料标准， 2009.