微課堂：高性能復合材料在汽車中應用
六、PMI硬質泡沫在汽車復合材料結構夾層結構中的應用
與沒有泡沫夾層結構的層壓板相比， 泡沫夾層結構能夠顯著的提高結構的強度和剛度。文章總結了復合材料結構中夾層結構的新應用，對比了蜂窩和泡沫在設計、工藝和使用過程的差異性。針對夾層結構的不同設計方式，做了詳細的介紹；同時針對不同的泡沫對比了其動態剪切模量和壓縮蠕變性能。針對常用的工藝，介紹了如何選擇泡沫的密度和類型以及新的泡沫芯材的型號。
針對目前汽車復合材料結構量大低成本的特點，結合復雜的大型三維結構， 夾層結構的制造成本和生產周期卻是個無法回避的劣勢。采用PMI泡沫模具內發泡技術， 能夠對具有復雜形狀的芯材進行高生產率的規模量產。
1、夾層結構原理概述和芯材的選擇
復合材料夾層結構通常采用先進復合材料做面板，其夾芯為輕質材料。夾層結構的彎曲剛度性能主要取決于面板的性能和兩層面板之間的高度，高度越大其彎曲剛度就越大。夾層結構的芯材主要承受剪應力并支持面板不失去穩定性，通常這類結構的剪力較小。選擇輕質材料作為夾芯，可較大幅度地減輕構件的重量。當然，對于面板很薄的夾層結構，還應考慮抗沖擊載荷的能力，所以面板的小厚度必須滿足一定的條件。此外，夾層結構的使用經驗還表明：在從成本方面評估夾層結構時，不僅要考慮制造成本，還必須考慮使用期的全壽命成本。
目前汽車夾層結構主要的使用位置有：前蓋，后蓋，地板，門等。
通過在兩層面板中加入輕質的芯材， 夾層結構能夠有效地優化結構的受力狀態， 其主要原理是增加結構的截面慣性矩， 將彎曲應力轉化為拉升應力。
表1比較了不同結構中大彎曲剛度和抗彎強度。 這三個結構具有相同厚度的表面鋪層， 以及不同厚度的夾芯。 運用夾層結構理論， 我們可以用較少的鋪層材料， 而達到比較高的結構強度。
夾層結構可以運用在多個領域。 在航空制造領域， 這是進行減重重要的結構。 風機葉片在大規模生產中也會采用這個結構。 然而， 雖然有很強的需求， 夾層結構仍然沒有廣泛的運用在三維結構的部件中。 這主要是因為其生產工藝復雜， 很難大規模量產運用到具有復雜三維結構的部件中。
芯材能夠極大地影響夾層結構部件的性能。 它主要承受壓縮應力和剪切應力。 同時， 應當能夠很好的與表面鋪層進行粘合。 當然， 重量越輕越好。 另外在滿足機械性能的同時， 易加工型是需要重點考慮的。
很多材料都可以作為芯材使用。 比如， 鋁蜂窩就可以作為聚合物泡沫的一個替代材料， 其具有較高的抗壓強度， 低密度， 以及大部分聚合物材料所不具備的不可燃特性。 但是由于蜂窩結構的開放結構。 限制了其在芯材中的使用。 而且雖然蜂窩具有很高的抗壓強度， 但是這個特性只適用于一個方向， 這決定了蜂窩夾層結構只能運用在近二維結構中。 對于三維結構， 由于蜂窩無法承受三維方向上的載荷， 所以無法與各向同性材料競爭。
通常在夾層結構設計中，泡沫材料的密度（50kg/m3-120kg/m3）比蜂窩密度（32 kg/m3或48kg/m3）要高，剪切強度也低于同樣密度的蜂窩材料，這也是目前蜂窩材料的應用多于泡沫材料的原因。 但是泡沫在工藝、設計和使用過程中，也有其獨特的優勢。
目前，先進復合材料夾層結構中常用的泡沫芯材是贏創工業集團生產的PMI泡沫：PMI （Polymethacrylimide，聚甲基丙烯酰亞胺）泡沫在進行適當的高溫處理后，能承受高溫的復合材料固化工藝要求，這樣使得PMI泡沫在先進復合材料領域得到了廣泛的應用。中等密度的PMI泡沫具有很好的壓縮蠕變性能，可以在120oC -180oC溫度、0.3-0.5MPa的壓力下熱壓罐固化。PMI泡沫能滿足通常的預浸料固化工藝的蠕變性能要求，
從工藝的角度來講，蜂窩和泡沫相比，機械加工相對簡單；對于復雜形狀，可以通過熱成型的方法對芯材成型。泡沫夾層結構和蜂窩夾層結構相比，能夠適應更高的共固化溫度和壓力，不需要進行填充處理。在同樣的共固化條件下，泡沫夾層結構的復合材料蒙皮的力學性能相對要高。另外，泡沫芯材還能直接用于各種液體樹脂成型工藝，例如各種樹脂轉移模塑工藝等。
從設計的角度來講，除了常用的全高度夾層結構和蒙皮夾層結構以外，還可以設計泡沫填充帽形加筋條結構。另外泡沫的力學性能是各向同性，而蜂窩是各向異性。在復雜的受力狀態下，泡沫比蜂窩更能滿足結構和強度要求。
在使用過程中，泡沫因為是閉孔結構，和開孔的蜂窩結構相比，具有較低的吸水率，減少維修成本。
選擇合適的泡沫材料，需要考慮下面幾個因素。
長期使用溫度，可以參見泡沫材料動態剪切模量選擇泡沫的規格。
工藝要求。根據固化工藝的溫度、壓力和時間，確定滿足壓縮蠕變要求的泡沫規格和型號。
密度要求，通常選擇的泡沫密度在50kg/m3-120kg/m3之間。
樹脂的粘度。例如液體樹脂成型，推薦使用細小泡沫孔隙的型號，減少泡沫表面樹脂吸收率，減輕結構重量。
更多信息請關注復合材料信息網http://m.lzzz.net
與沒有泡沫夾層結構的層壓板相比， 泡沫夾層結構能夠顯著的提高結構的強度和剛度。文章總結了復合材料結構中夾層結構的新應用，對比了蜂窩和泡沫在設計、工藝和使用過程的差異性。針對夾層結構的不同設計方式，做了詳細的介紹；同時針對不同的泡沫對比了其動態剪切模量和壓縮蠕變性能。針對常用的工藝，介紹了如何選擇泡沫的密度和類型以及新的泡沫芯材的型號。
針對目前汽車復合材料結構量大低成本的特點，結合復雜的大型三維結構， 夾層結構的制造成本和生產周期卻是個無法回避的劣勢。采用PMI泡沫模具內發泡技術， 能夠對具有復雜形狀的芯材進行高生產率的規模量產。
1、夾層結構原理概述和芯材的選擇
復合材料夾層結構通常采用先進復合材料做面板，其夾芯為輕質材料。夾層結構的彎曲剛度性能主要取決于面板的性能和兩層面板之間的高度，高度越大其彎曲剛度就越大。夾層結構的芯材主要承受剪應力并支持面板不失去穩定性，通常這類結構的剪力較小。選擇輕質材料作為夾芯，可較大幅度地減輕構件的重量。當然，對于面板很薄的夾層結構，還應考慮抗沖擊載荷的能力，所以面板的小厚度必須滿足一定的條件。此外，夾層結構的使用經驗還表明：在從成本方面評估夾層結構時，不僅要考慮制造成本，還必須考慮使用期的全壽命成本。
目前汽車夾層結構主要的使用位置有：前蓋，后蓋，地板，門等。
通過在兩層面板中加入輕質的芯材， 夾層結構能夠有效地優化結構的受力狀態， 其主要原理是增加結構的截面慣性矩， 將彎曲應力轉化為拉升應力。
表1比較了不同結構中大彎曲剛度和抗彎強度。 這三個結構具有相同厚度的表面鋪層， 以及不同厚度的夾芯。 運用夾層結構理論， 我們可以用較少的鋪層材料， 而達到比較高的結構強度。
夾層結構可以運用在多個領域。 在航空制造領域， 這是進行減重重要的結構。 風機葉片在大規模生產中也會采用這個結構。 然而， 雖然有很強的需求， 夾層結構仍然沒有廣泛的運用在三維結構的部件中。 這主要是因為其生產工藝復雜， 很難大規模量產運用到具有復雜三維結構的部件中。
芯材能夠極大地影響夾層結構部件的性能。 它主要承受壓縮應力和剪切應力。 同時， 應當能夠很好的與表面鋪層進行粘合。 當然， 重量越輕越好。 另外在滿足機械性能的同時， 易加工型是需要重點考慮的。
很多材料都可以作為芯材使用。 比如， 鋁蜂窩就可以作為聚合物泡沫的一個替代材料， 其具有較高的抗壓強度， 低密度， 以及大部分聚合物材料所不具備的不可燃特性。 但是由于蜂窩結構的開放結構。 限制了其在芯材中的使用。 而且雖然蜂窩具有很高的抗壓強度， 但是這個特性只適用于一個方向， 這決定了蜂窩夾層結構只能運用在近二維結構中。 對于三維結構， 由于蜂窩無法承受三維方向上的載荷， 所以無法與各向同性材料競爭。
通常在夾層結構設計中，泡沫材料的密度（50kg/m3-120kg/m3）比蜂窩密度（32 kg/m3或48kg/m3）要高，剪切強度也低于同樣密度的蜂窩材料，這也是目前蜂窩材料的應用多于泡沫材料的原因。 但是泡沫在工藝、設計和使用過程中，也有其獨特的優勢。
目前，先進復合材料夾層結構中常用的泡沫芯材是贏創工業集團生產的PMI泡沫：PMI （Polymethacrylimide，聚甲基丙烯酰亞胺）泡沫在進行適當的高溫處理后，能承受高溫的復合材料固化工藝要求，這樣使得PMI泡沫在先進復合材料領域得到了廣泛的應用。中等密度的PMI泡沫具有很好的壓縮蠕變性能，可以在120oC -180oC溫度、0.3-0.5MPa的壓力下熱壓罐固化。PMI泡沫能滿足通常的預浸料固化工藝的蠕變性能要求，
從工藝的角度來講，蜂窩和泡沫相比，機械加工相對簡單；對于復雜形狀，可以通過熱成型的方法對芯材成型。泡沫夾層結構和蜂窩夾層結構相比，能夠適應更高的共固化溫度和壓力，不需要進行填充處理。在同樣的共固化條件下，泡沫夾層結構的復合材料蒙皮的力學性能相對要高。另外，泡沫芯材還能直接用于各種液體樹脂成型工藝，例如各種樹脂轉移模塑工藝等。
從設計的角度來講，除了常用的全高度夾層結構和蒙皮夾層結構以外，還可以設計泡沫填充帽形加筋條結構。另外泡沫的力學性能是各向同性，而蜂窩是各向異性。在復雜的受力狀態下，泡沫比蜂窩更能滿足結構和強度要求。
在使用過程中，泡沫因為是閉孔結構，和開孔的蜂窩結構相比，具有較低的吸水率，減少維修成本。
選擇合適的泡沫材料，需要考慮下面幾個因素。
長期使用溫度，可以參見泡沫材料動態剪切模量選擇泡沫的規格。
工藝要求。根據固化工藝的溫度、壓力和時間，確定滿足壓縮蠕變要求的泡沫規格和型號。
密度要求，通常選擇的泡沫密度在50kg/m3-120kg/m3之間。
樹脂的粘度。例如液體樹脂成型，推薦使用細小泡沫孔隙的型號，減少泡沫表面樹脂吸收率，減輕結構重量。
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