泡沫复合材料的应用与发展

周秀燕，王非

(哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨150036)

泡沫复合材料的应用与发展

周秀燕，王非

(哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨150036)

本文介绍了可制备泡沫夹芯复合材料的几种常见结构泡沫材料的特征;分析了各自优缺点以及它们的应用领域。根据泡沫夹芯复合材料的结构特点，分析其独特力学性能特征。同时阐述了泡沫夹芯复合材料的应用前景和国内对其发展亟待解决的问题。

泡沫复合材料;夹层结构;芯材

1　引言

自二战以来，对质轻、高比强度、和高比刚度材料的需求增加，具有低密度芯结构的夹层复合材料被人们广泛重视。夹层结构常规由比较薄、高强的面板和比较厚且质轻的芯子交接而成，结构如图1所示。它具有质量轻、弯曲刚度与强度大、抗失稳定性强、耐疲劳以及吸音、抗振消震和隔热等特点［1-2］。因此广泛应用航空、运载火箭、风力发电机叶片以及民品中的体育器材、医疗设备配件、汽车、建筑等领域［3-4］。夹层结构的芯材多种多样，如硬质泡沫、蜂窝材料(Nomex、铝蜂窝)以及巴萨轻木(Balsa)等。其中泡沫芯材性能更加稳定、抗疲劳性好，防水防霉变，同时品种、功能的多样化，更能满足人们对夹层复合材料材料多方面的需求，因此得到人们更加广泛关注和研究。

图1　轻质芯体和高强面板组成的夹层结构

2　常见泡沫夹芯材料的种类及性能

作为结构泡沫材料，其目的主要用来增加复合材料刚度同时减轻整体质量。目前应用比较多的结构泡沫芯材有聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)、聚酰亚胺(PI)、丙烯腈-苯乙烯(SAN)、聚醚酰亚胺(PEI)及聚氨酯(PUR)等。几种闭孔泡沫在同一放大倍数下的表面扫描电镜图如图2所示。

图2　几种泡沫的表面扫描电镜图［18］

(1)PVC泡沫材料

PVC泡沫材料是一种交联闭孔型材料，具有各向同性，质轻，工艺简单，生产周期短，制造成本低，优良的静、动力性能，利用热变形能力可制造曲面结构，利用热导率低、隔热性能好制造隔热材料，具有耐腐蚀，不易受潮，使用温度-240℃～80℃的特性，其缺点为作为芯材夹层结构剪切强度较低，不适合作为主承力结构。2011年我国首次在将PVC泡沫夹层板应用于卫星结构隔板，证实PVC可以替代铝蜂窝成为次承力结构。在风力发电中，兆瓦级叶片采用的芯材多以PVC结构泡沫材料为主。全复合材料隐身导弹巡洋舰Visby其泡沫芯子也是PVC材料构成［5-8］。

(2)PET泡沫材料

PET又称涤纶树脂，泡沫类型是闭孔热塑性泡沫，是近年发展起来的泡沫材料，具有理想的尺寸稳定性，对外界有良好的阻隔性，优良的耐磨性和表面阻滞性能，最高使用温度可达200℃。目前，美国华盛顿大学制备出表面结晶形态完整的PET发泡材料，其质轻而坚硬;瑞士Alcan Airex公司推出的AIREX T90是一种易于加工的PET发泡芯板，能承受150℃的加工温度而不膨胀、不产生气体，可长期于100℃以下环境使用;日本推出的Cel Pet不仅质轻，更具有耐油性，耐化学药品性和减震性能。同时PET树脂可制备可再生发泡片应用于高温使用环境［9-11］。

(3)PMI泡沫材料

PMI树脂主链中含有双甲基六元酰亚胺环，因此在密度相同的条件下，PMI是强度和刚度最高的泡沫材料。PMI泡沫经适当的高温处理以后，能满足190℃的固化工艺对泡沫尺寸稳定性的要求，其卓越的热力学性能决定其可应用于航空航天、军事领域的芯材结构材料［12-14］。PMI泡沫是一种孔隙基本一致、均匀的100%闭孔泡沫，在高温下具有高抗蠕变性能，和各种树脂体系相容性良好，使得界面粘结强度高，可取代蜂窝材料制备高性能的夹层结构芯材。目前市场上PMI泡沫产品主要有德国德固赛公司的ROHACELL和日本积水化学公司的FORMAC两种类型。PMI泡沫已经应用到直升机尾翼、悬翼、客机起落架舱门、飞机客舱气密隔板;火箭的载荷段整流罩、列车头车体、医疗床板、风力发电叶片等等［15］。

(4)PI泡沫材料

PI泡沫材料长期使用温度250℃～300℃，短期可耐400℃～500℃，是稳定性最好的聚合物之一。PI泡沫材料有其独特性能，例如可作为透波材料，制备雷达天线罩电磁窗透波材料，使用温度达230℃;可作为阻尼材料，制备保护头盔的的冲击吸收垫，同时具有高阻燃性;耐高低温、低放气量材料;介电材料等［16-17］。

SAN泡沫属于热塑性材料主要针对船舶市场而开发，大多数情况下，在船舶结构中可以用SAN泡沫代替线性PVC泡沫，但其价格略高于PVC泡沫。PS泡沫曾广泛用在船舶、冲浪板制造行业，但因力学性能差，很少在高性能结构件中使用。PUR泡沫其力学性能一般，作为结构材料使用时，常用作层合板的纵、横桁条或加强筋之芯材，也能用于受载较小的夹层板中，起到隔热或隔音的作用。PUR泡沫的使用温度为150℃左右，吸声性能良好，成型非常简单，但是机械加工过程中易碎或掉渣，其价格相对便宜，发泡工艺也比较简单。目前主要在运动器材，例如网球拍、冰球棒中用做工艺芯材，并起到一定的阻尼作用。另外在冲浪板中也普遍使用PUR泡沫或EPS(聚苯乙烯)泡沫作为芯材。PEI泡沫由聚醚酰亚胺/聚醚砜发泡而成，具有很高的使用温度和良好的防火性能，但逐步被PMIS类型泡沫取代。酚醛(PF)泡沫具有轻质、防火、隔热、隔音、高比强度、导热系数低、绝缘等优异性能。

泡沫夹层材料的性能与非常多的因素相关，Cunningham A等人［19］在2001年提出PU硬质泡沫的性能与各种因素关系的模拟方程如下式:

Y:泡沫材料的性能;ρ:泡沫体的密度;CC:化学组成;CS:泡体结构;PM:聚合物形态结构;GE:闭合气孔种类。此外还包括增强体的性能和界面结构等影响因素，在这些因素中，既存在着相对独立的因素，也存在着具有交互作用的因素，在具体的材料体系中，需要综合考虑影响最终性能变化的因素并分析其中的主次性，才能准确有效地揭示材料性能改变的本质［20］。几种常见泡沫的剪切模量、剪切强度和压缩强度随密度的变化如图3-5所示。

图3　几种泡沫的剪切模量随密度的变化

图4　几种泡沫的剪切强度随密度的变化

3　泡沫夹芯复合材料的力学性能分析

图5　几种泡沫的压缩强度随密度的变化

泡沫夹层复合材料一般由上下面板、中间的芯材粘结而成，其传递载荷的方式类似于工字梁，弯矩引起的面内拉压应力和面内剪应力主要由上下面板承受，而芯材主要承受横向力产生的剪应力。其力学性能与一般复材有相同之处，同时也有其独特性质。第一，面板和芯材的强度、模量以及热膨胀系数的不同决定其各项异性的特征，利用这一特点可以设计满足不同方向强度和刚度的需求，但也同时决定着其力学性能问题的求解困难。第二，泡沫夹芯复材一般有高性能面板和低密度芯组成，二者的界面性能的好坏直接决定复材的性能，即取决于胶黏剂的性能。如果面板/芯材界面性能低，将发生脱粘分层导致材料结构的失效。研究发现界面脱粘是导致夹芯复材失效的重要破坏形式之一。第三，泡沫夹心复合材料失效模式复杂。在外载荷的作用下，将发生面板的断裂、起皱、芯材的剪切失效以及界面胶接材料的蠕变或者应力松弛导致脱粘分层等多种失效形态［21］。

为了弥补现有夹芯结构材料界面性能薄弱的缺点，可以通过对粘弹性胶接层进行优化选择;可以通过固化工艺将短纤维引入层间从而提高层间断裂扩展所需要的能量耗散改善抗断裂性能;也可以通过缝纫法一体化成型工艺，提高泡沫夹芯结构的弯曲强度、平压强度和侧压强度，而且泡沫夹芯材料的抗弯、平压和侧压性能均随缝纫密度增加而增加［22］，等等。提高夹芯复合材料的界面性能一直是人们致力研究的重要内容。

马志超等人［23］利用经典梁理论和夹层板理论构建了泡沫芯材复合材料的弯曲刚度和压缩强度与弹性模量、压缩强度等材料参数的关系，利用传递矩阵法建立了纵波声速、衰减系数、损耗因子等材料参数与泡沫芯材复合材料水中插入损失的关系。

4　结语

随着质轻高强、不同特性材料需求的增长，国内外研究人员早已将目光转向了泡沫芯材夹层复合材料。多种多样的泡沫决定着使用、设计泡沫芯材复合材料的复杂性，必须考虑使用性能需求、环境、外载荷施加方式、生产成本等多方面的因素。尽管近年国内对于高性能泡沫芯材研制和应用取得突出成绩，但是核心技术的掌握仍有待提高，以满足国内军、民品日益增长的市场需求。

［1］沈军，谢怀勤.航空用复合材料的研究与应用进展［J］.玻璃钢/复合材料，2006(5):48-54.

［2］赵景丽，张广成.蜂窝夹层结构复合材料的性能研究［D］.西北工业大学，2002.

［3］胡爱军，王志媛，金诤，等.泡沫夹芯型吸波隐身结构复合材料的发展趋势［J］.宇航材料工艺，2009，39(1):1-4.

［4］李涛，陈蔚，成理，等.泡沫夹层结构复合材料的应用与发展［J］.科技创新导报，2009，14:3-5.

［5］马立，朱大雷.卫星结构用PVC泡沫芯与铝蜂窝芯夹层板的比较［J］.航天制造技术，2013，1:1-5.

［6］曹铁男.混杂纤维增强泡沫夹芯结构力学性能研究［D］.哈尔滨工业大学，2012.

［7］Demir H，Sipahiogˇlu M，Balköse D，et al.Effect of additives on flexible PVC foam formation［J］.journal of materials processing technology，2008，195(1):144-153.

［8］Mostafa A，Shankar K，Morozov E V.Influence of shear keys orientation on the shear performance of composite sandwich panel with PVC foam core:numerical study［J］.Materials＆Design，2013，51:1008-1017.

［9］Xanthos M，Dhavalikar R，Tan V，et al.Properties and applications of sandwich panels based on PET foams［J］.Journal of reinforced plastics and composites，2001，20(9):786-793.

［10］陈志兵，何缓敏.PET发泡成型研究进展［J］.塑料科技，2010(4):100-104.

［11］Garrido M，Correia J R，Keller T.Effects of elevated temperature on the shear response of PET and PUR foams used in composite sandwich panels［J］.Construction and Building Materials，2015， 76:150-157.

［12］李应平，郑化安，付东升，等.聚甲基丙烯酰亚胺泡沫材料生产研究进展［J］.塑料工业，2014，42(6):8-11.

［13］Roosen D.PMI FOAMS FOR THE MARINE INDUSTRY.In: FRC 2000–Composites for the Millennium.Edited by Gibson AG:Woodhead Publishing;2000.pp.99-104.

［14］Seibert H F.Applications for PMI foams in aerospace sandwich structures［J］.Reinforced plastics，2006，50(1):44-48.

［15］王宝春，郑威，袁秀梅.泡沫塑料研究进展［J］.工程塑料应用，2009，37(10):77-82.

［16］贺传兰，孙素明，朱敬芝.一步法制备热塑性聚酰亚胺泡沫关键因素探讨［J］.工程塑料应用，2013，41(1):43-46.

［17］Williams M K，Holland D B，Melendez O，et al.Aromatic polyimide foams:factors that lead to high fire performance［J］.Polymer degradation and stability，2005，88(1):20-27.

［18］刘魁.风电叶片玻璃钢/复合材料夹层结构的泡沫芯材［J］.塑料工业，2012，39(11):104-106.

［19］Almanza O，Arcos y Rábago L O，Rodíguez-Pérez M A，et al.Structure-property relationships in polyolefin foams［J］.Journal of Macromolecular Science，Part B，2001，40(3-4):603-613.

［20］杨继年.短纤维和POE增强增韧PP泡沫复合材料的制备及性能研究［D］.南京航空航天大学，2009.

［21］Kim J K，Yu T X.Forming and failure behaviour of coated，laminated and sandwiched sheet metals:a review［J］.Journal of Materials Processing Technology，1997，63(1):33-42.

［22］田桂.缝纫泡沫夹心复合材料的制备及力学性能表征［J］.火箭推进，2013，39(6):55-59.

［23］马志超，张用兵，郭万涛，等.泡沫夹芯复合材料力学性能与水声性能综合设计初探［J］.材料开发与应用，2013(3): 55-61.

［23］曹明法，胡培.船用玻璃钢/复合材料夹层结构中的泡沫芯材［J］.江苏船舶，2004，21(2):3-6.

Development and Application of Foam Composite Materials

ZHOU Xiuyan，WANG Fei
(Harbin FRP Institute，Harbin 150036)

The characteristics of several kinds of common foam were introduced to prepare foam sandwich structural composite materials in this paper，and the respective advantages and disadvantages as well as their application fields of these foam sandwich composite materials were analyzed at the same time，the unique mechanical performance characteristics were also studied according to the structure characteristics of the foam sandwich composites.It was summarized that the application prospect of foam sandwich composites in recent years and the problem need be solved for their development in China.

foam composite;sandwich structure core material

2015-07-17)

周秀燕(1989-)，女，黑龙江人，硕士，工程师。研究方向:复合材料成型工艺技术。E-mail:zhou_ xiu_yan@126.com.