結構泡沫芯材的歷史回顧

    玻璃鋼/復合材料（FRP/CM）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）、聚醚酰亞胺（PEI）及聚甲基丙烯酰亞胺 （PMI）等泡沫，其中PS和PUR泡沫通常僅作為浮力材料，而不是結構用途。目前PVC泡沫已幾乎完全代替PUR泡沫而作為結構芯材，只是在一些現場發泡的結構中除外。

    嚴格意義上講，種用在承載構件夾層結構中的結構泡沫芯材是使用異氰酸酯改性的PVC泡沫，或稱交聯PVC。個采用PVC泡沫夾芯的夾層結構是保溫隔熱車廂。交聯PVC的生產工藝是由德國人林德曼在上世紀30年代后期發明的。二次大戰以后法國將該工藝列入戰爭賠償中，由克勒貝爾蕾洛雷特塑料公司（Kleber Renolit）開始生產Klegecell®交聯PVC泡沫，主要是一些用在保溫隔熱車廂中的低密度產品。
上世紀50－60年代，克勒貝爾蕾洛雷特塑料公司給幾家歐洲公司發放了PVC泡沫的生產許可證。另外兩家美國公司，B.F歌德雷奇（B.F Goodrich）和佳士邁威（Johns-Manville）也買到了許可證開始生產，但是幾年以后就停產。當所有的生產許可證都過期以后，交聯PVC的生產工藝過程轉為公開。進入70年代以后，多數原來的歐洲許可生產廠家也已停產。目前兩個主要的生產廠家是戴博（Diab）公司的Divinycell®和Klegecell®系列PVC泡沫及愛瑞柯斯（Airex）公司的Herex®系列PVC泡沫。

    20世紀40年代后期，林德曼使用高壓氣體作為發泡劑，制造出未經過改性的PVC泡沫，也叫線性PVC泡沫。

    英國于1943年先制成聚苯乙烯泡沫塑料，1944年美國道化學有限公司用擠出法大批量的生產聚苯乙烯泡沫塑料。

    第二次大戰期間，德國拜爾的試驗人員對二異氰酸酯及羥基化合物的反應進行研究，制得了PUR硬質泡沫塑料、涂料和粘合劑。1952年，拜爾公司報道了軟質聚氨酯泡沫塑料的研究成果。

    1993年，加拿大的ATC公司開始生產SAN泡沫。其制造工藝和線性PVC相似。

    PMI泡沫是由德國羅姆（Rohm）公司于1966年先用丙烯腈、甲基丙烯腈、丙烯酰胺和甲基丙烯酸酯熱塑性樹脂在180oC下發泡并交聯制作聚甲基丙烯酰亞胺泡沫的技術，接著日本的積水化學公司于1967年使用輻射交聯方法制作聚甲基丙烯酰亞胺泡沫。

夾層結構的工作原理及優點

    作為孔隙材料芯材可以起到減輕結構的重量，增加結構的剛度，提高結構的強度等作用。夾層結構一般是由上面板、上面板與芯材的粘結層、芯材、下面板與芯材的粘結層以及下面板所構成，這五個要素組成了一個整體的夾層結構。夾層結構傳遞荷載的方式類似于工字梁（見圖1），上下面板（翼板）主要承受由彎矩引起的面內拉壓應力和面內剪應力，而芯材（腹板）主要承受由橫向力產生的剪應力（見圖2）。

圖1工字梁和夾層結構的對比


圖2夾層結構對稱間支梁的彎曲

    為了使夾層結構的各要素能協同承載，面板與芯材之間的粘接層必須能傳遞荷載，這樣至少應具備和芯材一樣的強度。通常，如果加載以后，夾層結構的芯材發生破壞，其破壞位置一般位于粘接層下面的芯材部分，因為粘接層芯材表面的孔隙中由于填充了膠粘劑／樹脂，提高了粘接層泡沫的強度。選擇正確的膠粘劑對夾層結構的強度也有非常重要的意義，通常在選擇膠粘劑的時候除了強度以外，還需要考慮使用溫度、煙霧條件及其與芯材的面板材料的兼容性。如果選擇與面板材料共固化，則膠粘劑或膠膜的固化條件需要與面板的共固化條件相一致。[-page-]

表1夾層結構和非夾層結構的剛度和重量之對比

    表1中的結構構造是常見的FRP船舶中的鋪層設計?？梢钥闯?，在彎曲剛度相近的情況下，夾層結構的重量比非夾層結構減輕很多。

    泡沫夾層結構的優點還有：良好的隔熱和隔音性能、抗沖擊損傷性能及施工簡便性等。在夾層結構中由于芯材是孔隙材料，整個夾層結構的導熱系數和R值均比非夾層結構低。由于層合板的層數減少，降低了鋪層制作成型的工作量，同時因為夾層結構的剛度較高，減少了加筋的數量，這有利于沖擊荷載的擴散。此外，孔隙芯材還能降低船舶航行中的噪聲。

泡沫芯材的性能和應用

    對于芯材，除了剪切模量和強度以外，還需考慮材料的其他性能特點。壓縮強度與承受局部荷載的性能相關，這種局部荷載包括工具的墜落、拖船調船時由拖柱、帶纜樁和吊環等產生的局部荷載。圖3和圖4表示了不同泡沫芯材的剪切模量和剪切強度，圖5為幾種常見泡沫芯材的壓縮強度。

    由于泡沫材料是孔隙塑料，還需要根據設計夾層構件的溫度要求，參考泡沫的熱變形溫度來選擇適當的泡沫芯材。常見泡沫的熱變形溫度參見圖5。

圖3 幾種常見泡沫的剪切模量


圖4 幾種常見泡沫的剪切強度


圖5 幾種常見泡沫的壓縮強度


圖6 幾種常見泡沫的熱變形溫度

    交聯PVC泡沫：這種泡沫是由熱塑性的PVC和交聯熱固性聚氨酯組成，通常簡稱交聯PVC泡沫，其主要產品型號為 Divinycell、Klegecell以及Herex C。交聯PVC的強度和剛度比線性PVC的高，但是韌性要差。交聯PVC泡沫的熱穩定溫度為120oC。所以在和環氧預浸料共同使用時，需要注意PVC的熱蠕變性能。使用溫度范圍為-240oC－+80oC，并且能夠耐多種化學物質腐蝕。盡管PVC泡沫是可燃材料，但阻燃型的PVC泡沫可用于有嚴格防火要求的結構中，例如列車車廂等。但是需要注意的是PVC在燃燒以后，會產生HCl。[-page-] 

    PVC泡沫耐苯，所以能夠和聚酯樹脂共同使用。PVC泡沫主要用在一些不需要壓力罐的工藝中。選擇固化工藝方法時，應慮及PVC泡沫在溫度升高時會釋放氣體，在采用RTM工藝時需要注意。交聯PVC泡沫通常用于船底、舷部、甲板、艙壁及上層建筑中。主要廠商有Airex和Diab公司，有多種不同的型號和密度可供選擇。

    線性PVC泡沫：這類泡沫具有高的韌性、良好的抗沖擊性能、能量吸收性能和耐疲勞性能。線性PVC泡沫的強度和剛度相對交聯PVC來講要低。在施工過程中需要注意的是，樹脂中的笨會滲透到泡沫里面，使樹脂固化不完全，同時引起泡沫降解。這種泡沫通常用于船體受沖擊荷載比較大的部位，例如船底和舭舷部。目前主要產品是Airex公司的Airex R 63系列。

    PS泡沫：曾廣泛用在船舶、沖浪板制造行業。雖然其具有重量輕（40kg/m³），成本低，易于機械加工等主要優點，但因力學性能差，很少在高性能結構構件中使用。另外，這種泡沫不能和聚酯樹脂同時使用，因為樹脂中含有的苯會降解泡沫。

    PUR泡沫：與其他泡沫相比，其力學性能一般，樹脂/芯材界面易產生老化，從而導致面板剝離。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。有時PUR泡沫也能用于受載較小的夾層板中，起到隔熱或隔音的作用。該類泡沫的使用溫度是150^oC左右，吸聲性能良好，其成形非常簡單，但是機械加工過程中易碎或掉渣。PUR泡沫價格相對便宜，發泡工藝也比較簡單，采用液體發泡。國內國外有眾多的生產廠商。

    SAN泡沫：它屬于熱塑性材料，如加拿大ATC公司生產的Corecell®泡沫，主要是針對船舶市場而開發的。發泡制作工藝和線性PVC的工藝基本相同。性能也和線性PVC基本相同，熱穩定性能比線性PVC好，相當于普通交聯PVC。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。

    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，不過其價位相對較高，但是這種泡沫可以在兼有結構要求和防火要求的部位使用，其使用溫度為-194oC－+180oC。由于能滿足嚴格的防火阻燃要求，適合在飛機和列車內使用。目前市場上有Airex公司的Airex R82 之PEI泡沫。

    PMI泡沫：在相同密度的條件下，PMI是強度和剛度高的泡沫材料。其高溫下耐蠕變性能使得該泡沫能夠適用高溫固化的樹脂和預浸料。PMI泡沫經適當的高溫處理以后，能滿足190oC的固化工藝對泡沫尺寸穩定性的要求，適用與環氧或BMI樹脂共固化的夾層結構構件中。PMI泡沫是采用固體發泡工藝制作，其為孔隙基本一致、均勻的100%閉孔泡沫。目前市場上有德國德固賽（Degussa）公司生產的ROHACELL®和日本積水化學公司生產的FORMAC^®之PMI泡沫。[-page-]

泡沫芯材的加工

    機械加工泡沫芯材：大多數泡沫芯材可以使用木工工具加工或成形，包括帶鋸，車削，穿孔，打磨和仿形。在切割過程中，因為材料的導熱系數低 ，高密度泡沫的給進速度應略低一些，否則材料會發熱，甚至燒焦。在加工泡沫以前，好先和制造廠家聯絡，因為每種泡沫的性能都有不同的特點。加工泡沫材料時，使用的鋸條要求相鄰的鋸齒拌開，這樣在鋸切過程中，通過鋸齒帶出切割過程中產生的鋸屑，然后用真空裝置吸除。

    特殊分格板：對于不同的用途，泡沫芯材的廠家可以提供各種不同的分格板，滿足各種夾層結構外形的需要。其一面用玻璃纖維網格粘接，泡沫切成1" x 1" 的正方形小塊，這樣泡沫板就可以自由變形；另外一種是兩面切割，或三個方向切割。泡沫還是切割成1" x 1"的正方形小塊，但是切割的深度是整個厚度的2/3。這樣泡沫板芯材有了一定的自由變形能力，但是這樣切割的主要目的為了使樹脂流動，且手糊過程中排出氣體，此外一般廠家還可以提供表面有溝槽的泡沫芯材，表面溝槽的深度一般為0.12" ，在面板相對較厚情況下，用作真空注射過程中的樹脂流動通道。

泡沫芯材的使用

    材料的準備：泡沫材料必須在干燥的環境下保存，否則會影響其與面板的粘接。同時，對于PMI泡沫應予以特別的注意，因為PMI泡沫在吸水后，熱蠕變性能會下降。泡沫上的灰塵應使用真空吸塵器吸除，或用壓縮空氣吹除，但要記住，千萬不能用水或什么其他的液體沖洗。沖洗的結果只能使灰塵進入泡沫表面的開孔中。某些強烈的溶劑（例如丙酮）還有可能降解表面的泡沫材料，降低芯材與面板的粘接強度。清潔干凈的泡沫表面與面板粘接后，一般粘接強度不會出什么問題。

    FRP泡沫夾層板的制作：泡沫幾乎適用于所有的FRP成型制作工藝。復合材料夾層結構的主要成型工藝有：手糊／噴射成型，真空袋／注射成型及預浸料／熱壓罐成型等。

    在手糊／噴射工藝中，芯材與面板之間的粘接非常重要。一般常見的船舶泡沫夾層板依次由膠衣層，短切氈層，外面板FRP鋪層，泡沫芯材和內面板FRP鋪層。必須注意的是在內外面板與泡沫之間，需要加上一層特別的粘接基層，將泡沫與面板材料粘接。這層的材料是CBA （Core Bond Adhesive，例如Divilette, Corebond, Baltekbond等）或富樹脂的CSM（短切氈）。CSM的小厚度為225g/m2，樹脂與纖維的重量比為3：1左右。CSM浸潤樹脂以后，在泡沫表面涂覆與層合板相同的樹脂，以填充泡沫表面的開孔，然后埋入CSM中。泡沫芯材埋入CSM或CBA的過程可以使用真空袋輔助均勻加壓。

    在使用真空袋的工藝中，如果泡沫芯材是有切口的分格板，在加壓以后，泡沫均勻地壓入粘接基層中，樹脂或CBA就填入泡沫切口。大多數的真空袋工藝的過程是：在底部面板鋪層的基礎上，先加泡沫粘接基層，再鋪設泡沫夾層，然后使用真空袋將泡沫壓入粘接基層中。當采用真空輔助成型工藝時，則需要在泡沫上面覆蓋一層剝離層，剝離層外面是透氣氈，透氣氈的外面才是真空袋膜。剝離層常常采用一層薄的尼龍膜，而透氣氈的作用是使真空壓力能均勻施壓在泡沫的表面。

    另外一種能確保泡沫芯材的切口能被全部填充的方法是使用樹脂注射工藝。其工藝過程為：先將未浸膠的玻璃纖維和芯材鋪設在模具中，再使用真空袋密封，待抽真空以后，注入樹脂，浸潤纖維和芯材。通常將樹脂分散傳遞到構件各個部位的方法是利用泡沫芯材表面的溝槽或切口，來引導樹脂的流動。采用這種工藝方法制作的夾層結構具有纖維含量高、鋪層時間不受限制、不需要手糊樹脂并進行壓實等優點。

    另外一種高端的工藝過程是預浸料／熱壓罐或真空袋成型。由于PVC泡沫通常的固化溫度不超過80oC，在加溫加壓以后，泡沫孔隙中的氣體會釋放出來，從而破壞芯材與面板之間的粘接。但如果PVC泡沫經過特殊的熱處理，則可以達到120oC，1Bar以上，例如Divinycell HT, Klegecell TR, 和Airlite/Herex C71，而且熱處理還會提高泡沫的熱尺寸穩定性，即泡沫的熱蠕變性能。[-page-]

泡沫、巴薩木和蜂窩之間的對比

    多年以來，船舶制造中使用的芯材是巴薩（Balsa）輕木，更多情況下也使用普通的木膠合板。這類材料相對成本較低，具有很高的壓縮強度，但是比泡沫要重（一般密度都大于100kg/m³），而且容易吸水，終腐爛。和Balsa相比，泡沫芯材輕，吸水少，耐腐蝕。泡沫的疲勞性能和耐久性也比Balsa好。但是有些情況下，例如局部荷載很高或交叉接頭的位置（例如：引擎安裝處或楔子周圍），Balsa要優于泡沫材料。如果使用高密度泡沫，價格相對Balsa要高很多。

    蜂窩材料例如Nomex（芳綸紙和酚醛樹脂）和鋁蜂窩常用在航空領域，因為它們具有的高強度、高溫穩定性和輕質的特點。但是蜂窩在船舶制造中存在許多的缺點：蜂窩和面板的粘接接觸面積相對較小，抗疲勞性能較差；蜂窩的開孔容易滲水導致芯材和面板的粘接破壞等等。

結論

    泡沫芯材在造船行業的應用越來越普遍，泡沫芯材有各種各樣不同的類型、密度和使用方法。在使用、設計泡沫芯材夾層結構的過程中，芯材的選擇非常關鍵。必須考慮到使用環境、固化方法、荷載要求和綜合成本等諸多因素。