探究泡沫夹层结构复合材料应用现状论文

摘要：

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。

　　关键词：泡沫夹层结构; 复合材料; 泡沫芯材; 力学性能;

　　The Research Progress of Foam Sandwich Structure Composite Material

　　XU Zhu

　　Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute

　　Abstract：

　　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。

　　Keyword：foam sandwich structure; composite materials; foam core material; mechanical properties;

　　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。1 PVC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。2 PMI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。