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1  夾層結(jié)構(gòu)的原理
    在航空、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、體育運(yùn)動(dòng)器材、船舶制造、列車機(jī)車等領(lǐng)域，大量使用了夾層結(jié)構(gòu)，減輕重量，如圖1所示。

    在夾層結(jié)構(gòu)中，使用低密度夾心材料增加層合板的厚度，從而達(dá)到提高材料剛度的目的。這樣在重量增加很少的前提下，大幅度的提高結(jié)構(gòu)的剛度。在彎曲荷載下，面層材料主要承擔(dān)拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，芯材主要承擔(dān)剪切應(yīng)力，如圖2所示。

    同時(shí)，對(duì)于很薄的薄壁夾層結(jié)構(gòu)，還需要注意荷載的施加方式對(duì)夾層結(jié)構(gòu)的影響和夾層結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊荷載的承受能力。

2   夾心材料

    選擇面板時(shí)，主要考慮的是材料的剛度和強(qiáng)度，但是對(duì)于芯材的選擇，先考慮的是重量。為了是面板在相互之間保持一定距離的同時(shí)，面板能保持穩(wěn)定，夾心材料有時(shí)還必須承受一定的應(yīng)力。芯材主要承受的剪應(yīng)力，有時(shí)還存在壓應(yīng)力。目前，主要的夾心材料有：蜂窩材料，泡沫材料和木材，如圖3所示。

    蜂窩材料

    蜂窩材料主要有鋁蜂窩、NOMEX蜂窩和普通紙蜂窩。

    鋁蜂窩是一種強(qiáng)度／重量比高的結(jié)構(gòu)材料，同時(shí)價(jià)格也比較便宜。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)和制作工藝，孔隙有不同的幾何形狀。通常是六角形。鋁蜂窩材料一般是未張拉的蜂窩塊的形式，在使用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行張拉。

    鋁蜂窩夾心材料在一定的重量條件下，可以做得很薄。然而，這種薄壁可能會(huì)導(dǎo)致蜂窩的表面，尤其是在蜂窩孔隙較大的情況下，發(fā)生局部的穩(wěn)定破壞。除此以外，鋁蜂窩和碳纖維同時(shí)使用，由于這兩種材料都不是絕緣材料，會(huì)發(fā)生接觸腐蝕。對(duì)蜂窩材料作接觸腐蝕的內(nèi)部檢查成本很高。通過敲擊可以初步檢查蜂窩材料的質(zhì)量和損壞情況。鋁蜂窩材料還有一個(gè)缺陷就是沒有“力學(xué)記憶”。夾心層板受到?jīng)_擊以后，蜂窩的變形是不可恢復(fù)，然而，F(xiàn)RP面材具備一定的彈性，在沖擊荷載過后，恢復(fù)到原來的位置。這將
導(dǎo)致在局部區(qū)域，面材和芯材脫離，夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能降低。

    NOMEX蜂窩夾心材料是由芳綸紙浸酚醛樹脂制成，在航天、航空結(jié)構(gòu)、船舶制造中具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。和鋁蜂窩相比，發(fā)生局部屈曲的幾率要小得多，因?yàn)榉涓C的壁相對(duì)的要厚一些。另外，因?yàn)镹OMEX材料不導(dǎo)電，不存在接觸腐蝕的問題。但是和其它芳綸產(chǎn)品一樣，不能抵抗紫外線的侵蝕，使用時(shí)外部通常覆有面板，起到一定的防護(hù)作用。

    在有阻燃要求的一些場(chǎng)合，也有使用酚醛泡沫填充蜂窩孔隙，提高材料和面材之間的粘結(jié)性能和結(jié)構(gòu)隔熱性能。例如，在公共交通工具內(nèi)使用時(shí)。

    在航空領(lǐng)域，一些常見的使用NOMEX蜂窩的結(jié)構(gòu)有：機(jī)翼的前緣和尾翼，起落架艙門、其它各種艙門和整流罩。盡管蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)性能上有突出的優(yōu)點(diǎn)，但是航空公司還是在尋找其它更好的材料來代替，原因是蜂窩夾心材料在各種用途的使用過程中需要昂貴的維護(hù)費(fèi)用。因?yàn)樵谝恍┨厥馇闆r下，蜂窩會(huì)進(jìn)水。例如，面板出現(xiàn)裂縫以后。在低溫下，蜂窩孔隙中的水凍結(jié)，發(fā)生膨脹，會(huì)破壞相鄰的蜂窩孔隙。

    普通紙蜂窩由于強(qiáng)度很低，吸水，不在復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)中使用。

    泡沫材料

    聚合物泡沫是一種常用的芯材。主要有，聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PU）、聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸亞胺（PMI）、聚醚酷亞膠（PEL）和丙烯腈一苯乙烯（SAN或AS），密度從30kg／m³到300kg／m³不等。通常在復(fù)合材料中，使用的泡沫密度在 40kg／m³－ 200kg／m³之間。

    聚氯乙烯PVC泡沫是一種閉孔泡沫。嚴(yán)格的講，它實(shí)際上是PVC和聚氨酯混合物，但常常都簡(jiǎn)單的說成PVC泡沫。PVC泡沫具有綜合的靜力和動(dòng)力性能，不易受潮。使用溫度在-240℃－＋80℃，并且能夠耐多
種化學(xué)物質(zhì)腐蝕。盡管PVC泡沫是可燃材料，但是阻燃類型的PVC泡沫可以在具有防火嚴(yán)格要求的結(jié)構(gòu)中，例如列車。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。在選擇固化工藝方法時(shí)，需要注意PVC泡沫在溫度升高時(shí)會(huì)釋放孔隙氣體。

    有兩種主要的PVC泡沫，一種是交聯(lián)，另外一種是非交聯(lián)（有時(shí)也叫做線性PVC泡沫）。

    線性PVC，即非交聯(lián)PVC泡沫（例如AirexR63．80），兼具良好韌性和柔性，可以按照曲面形狀熱成形。但是，線性PVC的力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性（耐苯）和熱變形性能和交聯(lián)的PVC泡沫相比，在相同的密度條件下，相對(duì)要低一些。

    交聯(lián)PVC的硬度和脆性較高。在高溫下，不容易變軟或發(fā)生蠕變。常見的交聯(lián)PVC產(chǎn)品有 Herex C系列泡沫、DivinycellH和HT泡沫以及 POlimex Klegecell和 Termanto的PVC泡沫。

    聚苯乙烯PS泡沫廣泛用在船舶、沖浪板制造行業(yè)。雖然其擁有重量輕（40kg／m³），成本低，易于機(jī)械加工等主要優(yōu)點(diǎn)，但是因?yàn)榱W(xué)性能差，很少在高性能結(jié)構(gòu)構(gòu)件中使用。另外，這種泡沫不能和聚酯樹脂同時(shí)使用，因?yàn)闃渲泻械谋綍?huì)溶化泡沫。

    聚氨酯PU泡沫的力學(xué)性能表現(xiàn)一般，樹脂芯材的界面發(fā)生老化，導(dǎo)致面板剝離。作為結(jié)構(gòu)材料使用時(shí)，常常是用作構(gòu)件的加強(qiáng)筋或加勁肋。但是聚氨酯泡沫也能用作荷載較小情況下的夾層層板中，起到隔熱作用。該類泡沫的使用溫度是150℃左右，同時(shí)吸聲性能好。泡沫的機(jī)械加工成形簡(jiǎn)單。

    聚醚酸亞膠PEI泡沫，由粟醚酸亞胺／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，盡管價(jià)位相對(duì)較高，但是這種泡沫可以在有結(jié)構(gòu)要求，高溫情況下，具有防火要求的部位使用。其使用溫度在- 194℃到十180℃之間。由于能滿足嚴(yán)格的防火阻燃要求，適合在飛機(jī)和列車內(nèi)使用。

    聚甲基丙烯酸亞胺PMI泡沫是德國德固賽公司生產(chǎn)，商標(biāo)是ROHACELL^®。在所有的泡沫中，相同密度的條件下對(duì)比，是強(qiáng)度和剛度高的泡沫。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(yù)浸料。PMI泡沫在適當(dāng)?shù)母邷靥幚硪院螅艹惺?90℃的固化工藝對(duì)泡沫的尺寸穩(wěn)定性的要求，在航空領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。PMI泡沫是采用固體發(fā)泡工藝制作，泡沫的孔隙基本一致、均勻的100％閉孔泡沫。

    PMI泡沫適用于多個(gè)領(lǐng)域，包括電子，運(yùn)載火箭，航空，鐵路機(jī)車，船舶以及天線，雷達(dá)天線罩，體育器材等。目前在國外的主要應(yīng)用有：美國的Delta運(yùn)載火箭的整流罩，日本三菱的Hll－A運(yùn)載火箭的整流罩，日本新干線的火車頭，通用、西門子等公司的醫(yī)療床板，Vestas的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，還有導(dǎo)彈、直升機(jī)和飛機(jī)項(xiàng)目，如圖4所示。

    丙烯腈一苯乙烯SAN泡沫，性能和韌性與增強(qiáng)后的交聯(lián)PVC泡沫相似，具有交聯(lián)PVC的大部分靜力特性，但是延伸率和韌性相比更高。和普通以及韌性增強(qiáng)后的交聯(lián)PVC相比，抗沖擊性能因此也更好。和韌性增強(qiáng)的PVC不同，PVC是使用塑性劑來提高聚合物的韌性，而SAN泡沫是聚合物本身具有的韌性特點(diǎn)，不會(huì)發(fā)生老化。

    在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，可以用SAN泡沫代替線性PVC泡沫，因?yàn)镾AN泡沫具有部分線性PVC的韌性和延伸率的同時(shí)，還有更好的耐高溫性能和靜力性能。SAN泡沫能夠熱成形，可以方便的構(gòu)筑結(jié)構(gòu)的曲面。熱穩(wěn)定型
的SAN泡沫也能和低溫固化預(yù)浸料共同使用，常見的SAN泡沫產(chǎn)品有ATC Core．Cell公司的A一系列泡沫。

    根據(jù)樹脂或預(yù)浸料的固化溫度要求，圖5中列出了常見的樹脂和預(yù)浸料適用的泡沫類型。圖6列出了幾種聚合物泡沫剪切模量的對(duì)比。在密度一定的條件下，ROHACELL^®WF的剪切模量高，交聯(lián)PVC的剪切模量要高干線性 PVC。

    木材

     木材可以看成是一種天然的蜂窩材料，因?yàn)樗奈⒂^結(jié)構(gòu)和六邊型的人造蜂窩的孔隙相似。在夾層結(jié)構(gòu)中使用時(shí)，要求木材的纖維方向和面板相垂直，這樣，構(gòu)件的力學(xué)性能和使用人造的蜂窩相似。但是，盡管可以進(jìn)行各種各樣的化學(xué)處理，所有的木質(zhì)芯材還是會(huì)受到濕氣的影響，如果沒有被面材或樹脂密封的話，木質(zhì)芯材會(huì)發(fā)生腐爛。

    端面巴薩木是常用的木材芯材。巴薩木先是在19世紀(jì)40年代，在飛艇的船體中使用鋁面板和巴薩木芯材，抵抗在水面著陸時(shí)受到的重復(fù)的沖擊荷載。隨后，開始在海洋結(jié)構(gòu)中使用端面巴薩木作為FRP結(jié)構(gòu)的芯材。巴薩木除了具有高的壓縮性能，還有很好的隔熱性能和隔音性能。在加熱以后，材料不會(huì)發(fā)生變形，在遇火時(shí)，用作隔熱層和燒蝕層，芯層慢慢燒焦，使未遇火的面材保持結(jié)構(gòu)性能。同時(shí)，巴薩木還能提供向上的浮力，其加工工具和設(shè)備簡(jiǎn)單。巴薩木芯材產(chǎn)品一般有織物背村，3―50mm厚，具有一定輪廓。剛性端面巴薩木板材的厚度可以達(dá)到100mm。針對(duì)真空袋、預(yù)浸料工藝或壓力基礎(chǔ)上的制造工藝藝過程，例如 RTMI藝，這種板材可以預(yù)先采用樹脂涂覆。巴薩木的一個(gè)缺點(diǎn)是小密度偏大，通常小密度值大約是100kg／m³。但在層會(huì)的過程中，巴薩木還要吸收大量的樹脂。為了減少樹脂的吸收增加重量，可以預(yù)先用泡沫密封。巴薩木的應(yīng)用通常限制在那些重量不是要求很高或局部承載力要求很高的地方。

    另外一種常用作夾層結(jié)構(gòu)芯材的木材是松木。船舶結(jié)構(gòu)中，常常以松木條板，加上復(fù)合材料面板。松木的木材纖維方向和層板的面板平行。松木纖維沿船的長(zhǎng)度方向，提供縱向的剛度，在FRP面材中纖維以±45℃向鋪放，提供扭轉(zhuǎn)剛度，保護(hù)木材芯層。

    其它芯材材料

    雖然通常這些材料不是真正意義上的夾層結(jié)構(gòu)芯材，但是也常用一些低密度、薄層織物降低單層層板的密度。例如， Coremat^TM和Spheretex^TM等含有大量孔隙的無紡布?xì)帧：穸韧ǔＶ挥?一3mm厚，象層板中的一個(gè)層，在鋪設(shè)過程中，鋪層樹脂會(huì)浸潤無紡布?xì)帧＿@樣樹脂代替孔隙以后，中間織物的重量和
泡沫或蜂窩相比，要重得多，但是和相同厚度的玻璃纖維層合板相比，要輕一些。由于很薄，它很容易做成二維曲面，操作方便簡(jiǎn)單。

3 PMI泡沫材料的幾個(gè)值得注意的問題

3．I ROHACELL^®的吸濕性能

    ROHACELL^®泡沫和其它泡沫塑料相類似，也會(huì)吸潮。就ROHACELL^®來講，因?yàn)镻MI化學(xué)方程式中存在有對(duì)位的酸亞氨基因。ROHACELL^®是一種100％的閉孔泡沫，吸濕的機(jī)理是一種純粹的擴(kuò)散過程。所以，在一定的環(huán)境條件下（包括溫度和溫度），ROHACELL^®吸收的濕氣達(dá)到一定的程度就會(huì)發(fā)生炮和。

    樣件大小：50x50x25mm

    ROHACELL^®泡沫吸潮以后，H₂O分子擴(kuò)散進(jìn)入孔隙結(jié)構(gòu)在分子鏈中占據(jù)一定的空間。酷亞氨基因和水分子之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但是一部分的水分子會(huì)和酸亞氨基因之間形成物理鍵一范德華力。吸潮以后，分子鏈加寬，體積增加，尺寸發(fā)生變化。水分子加寬了PMI泡沫分子鏈，其作用和在共聚物中加入增塑劑的作用是一樣的，終，材料變軟。對(duì)ROHACELL^®加工過程的影響，尺寸穩(wěn)定性降低。其次，在100℃以上溫度，加工未干燥的ROHACELL^®時(shí)，按照實(shí)際濕度的高低，可能會(huì)產(chǎn)生水蒸氣。（吸潮過程是可逆過程，和水分子沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)）。如果水蒸氣的壓力值很高，夾層結(jié)構(gòu)的面板和芯材之間的粘結(jié)會(huì)發(fā)生破壞，造成局部面材和芯材之間的分離，如果局部水蒸氣不能擴(kuò)散出去，甚至形成局部的氣泡。吸潮會(huì)產(chǎn)生負(fù)面的影響，降低了壓縮蠕變性能，這樣在一定的溫度和壓力荷載下，例如在熱壓罐，RTM或模壓的過程中，會(huì)影響材料的尺寸穩(wěn)定性。

    這樣，ROHACELL^®需要在使用前，根據(jù)其中含有的水分，需要在高溫（大于120℃）下干燥，消除加工中出現(xiàn)水蒸汽，消除水分子的塑化作用，提高對(duì)抗壓縮蠕變性能。通常，以2―3℃／分鐘的速度加熱，在空氣循環(huán)供箱中130t干燥大約 3小時(shí)。泡沫擱置時(shí)，保證板材表面的空氣能夠循環(huán)。在板材的厚度大于25，4mm的時(shí)候，需要延長(zhǎng)干燥時(shí)間。

    對(duì)于工藝要求達(dá)到180℃ （ROHACELL^®WF）或190℃（ROHACELL^®XT）的情況下，材料必須作以下處理，提高其耐壓縮蠕變性能：

    步驟一：在 130℃的空氣循環(huán)烘箱中干燥至少兩小時(shí)。

    步驟二：根據(jù)ROHACELL^®型號(hào)不同和密度不同，在160℃和180℃之間，干燥48小時(shí)。第二步的目的是進(jìn)一步提高材料的耐蠕變性能，斷開水分子物理鏈接，使材料干燥。

    關(guān)于高溫?zé)崽幚恚℉T）的詳細(xì)資料是：

    因?yàn)?190℃的高溫?zé)崽幚頃?huì)使損害材料表面，所以芯材的成形應(yīng)該在高溫?zé)崽幚硪院筮M(jìn)行。

    如果ROHACELL^®。在沒有防潮的條件下已經(jīng)儲(chǔ)存了一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間，材料一定已經(jīng)吸收了一定比率的水分。在使用之前，必須先干燥。確定是否要預(yù)先干燥，去除水分的方法是：

    ?準(zhǔn)備一個(gè)少 200 x 200mm板材全厚度的試件

    ?在干燥前秤取樣件的重量

    ?在120℃的條件下干燥，直到樣件的重量基本保持不變（每小時(shí)，重量減少<0．3％），記錄下干燥時(shí)間。

    這個(gè)記錄下的時(shí)間就是以后板材使用前的預(yù)干燥的時(shí)間。吸收的水分=l－（W_干燥以后／W_干燥前）X 100%。根據(jù)吸收的水分的比率和相應(yīng)比率下ROHACELL^®的耐壓縮編變性能確定使用前是否需要預(yù)先干燥。

    3．2 PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)層板的吸水性

    夾層結(jié)構(gòu)的吸水性是一個(gè)非常值得關(guān)注的方面，例如在船舶制造和其它方面。如果面材破壞，芯村直接和水接觸，對(duì)夾層結(jié)構(gòu)的芯村會(huì)產(chǎn)生什么后果？這是大量用戶關(guān)心的問題。

    對(duì)此進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)來回答這個(gè)問題。夾層結(jié)構(gòu)四十個(gè)月的潮濕滲透試驗(yàn)過程如下。

    試驗(yàn)用的夾層結(jié)構(gòu)手糊樣講，使用的芯材是高密度的ROHACELL^®（170kg／m³），尺寸為400x400x28mm，全部用GRP面材包裹。面材使用室溫固化的不飽和聚酯樹脂，玻璃纖維增強(qiáng)材料依次為：氈450g／m²，粗紗500g／m²，氈450g／m²，粗紗500g／m²，氈450g／m²。后面板的厚度是5mm。在上表
面的中間，截去一個(gè)直徑為70mm的面材，模擬面板的破壞。使用一個(gè)注水的管件，放在樣件被破壞的部位上部，固定，密封，使芯村直接和水接觸。管中水柱的高度保持在是300mm。

    在四十個(gè)月以后，移走注水的管件，去除面材，將芯材切成50x50x 28mm的樣件。干燥樣件直到重量保持恒定，得出含水量。圖表表明從中心區(qū)域向夾層構(gòu)件的外圍，泡沫含水量很快降低。在距離破壞區(qū)大約150mm以外，含水量幾乎為零。試驗(yàn)表明GRP面層之間PMI泡沫的吸水對(duì)結(jié)構(gòu)的影響可以忽略。

    即使面材發(fā)生破壞，泡沫芯直接長(zhǎng)期（大于兩年）暴露在水中，泡沫芯材的含水量仍然很低。這是因?yàn)镻MI泡沫是100％的閉孔泡沫，而水分的吸收過程是一個(gè)純粹的滲透過程，對(duì)低密度的芯材（ROHACELL^® 51WF and  51s）的試驗(yàn)仍然得到相似的結(jié)論。

4  結(jié)論
    在相同密度的條件下，PMI泡沫是目前強(qiáng)度和剛度高的泡沫材料，同時(shí)也是耐壓縮蠕變性能好的泡沫。在使用過程中，由于PMI泡沫吸水后，會(huì)降低壓縮蠕變性能，必要時(shí)需要在烘箱中預(yù)先干燥。

    泡沫的成形工藝和其它泡沫塑料相類似，相對(duì)比較簡(jiǎn)單。在航空結(jié)構(gòu)中，如果就整個(gè)復(fù)合材料的使用周期進(jìn)行計(jì)算，PMI泡沫的成本要低于蜂窩，雖然蜂窩要比PMI泡沫輕，比強(qiáng)度和剪切模量高。同時(shí)，PMI泡沫具有很好的耐候性和介電性能，在相控陣?yán)走_(dá)、天線等方面也有廣泛的應(yīng)用。