高性能夹层复合材料集装箱研制

1　新型控温航空货运集装箱设计

RAP e2是一个所谓的冷藏ULD(成组装运设备)，包括一个整体的升降式底座，也可作为飞机货舱底板的一个标准约束界面。集装箱由两部分组成：货舱和温度控制单元隔间。两个隔间通过隔热板连接，带有独创的空气导引装置和管道，使空气均匀地分布在整个货舱中。集装箱货舱的内部尺寸是6.38m3，相当于五个欧洲规格托盘或四个美国规格托盘，具有承受5吨净重(4933kg)的承载能力。Envirotainer公司投入大量资金研发复合材料集装箱，现有总计达4000多个自动温控集装箱。
　　与传统铝／聚氨酯泡沫结构相比，RAP e2项目提供改进的热、结构和冲击顺伤性能。

2　制造工艺

       采用夹层复合材料设计的决定向Envirotainer工程师提出了挑战，开发VARTM(真空辅助树脂传递模塑)制造工艺，能使集装箱高效批量生产，同时使夹层复合材料性能最大化。结果是玻璃纤维增强真空灌注聚酯，纤维质量分数是70％，采用泡沫芯子的夹层结构，提供优异的结构性能。集装箱设计成在极端航空条件下能承载和装入5吨分散货物，该条件相当于-4g(负重力)。比如，这就意味着集装箱壳体能承受20吨以上的载荷。
　　对于VARTM制造工艺，利用配套的刚性和柔性模具制备两个夹层部件，通过一次注射成型组成集装箱整个结构部件。玻璃纤维、芯材、嵌件、底板和门锁杆型腔都集成在灌注工艺中，所以，在装配前除了去除模具残留物外，只需最少的后加工。
　　该VARTM制备工艺的另外一个特性是能够形成方内角，最大化货舱空间，意味着模具是无脱模角。通常，脱模角对这类工艺是必要的。

3　轻质耐久的货舱底板

RAP e2集装箱设计的一个难点是底板。优先选择低密度芯材使其达到最佳隔热性能。闭孔泡沫材料的密度与隔热陛能在某种程度上是线性关系，但是低密度材料的压缩强度是最低的，受限制的。当使用时，集装箱底板承受托盘载荷高达5吨的货物。错位或非均匀装载货物可能引起底板出现大的集中载荷。整个集装箱厚度60-80mm，选择低密度泡沫芯材使其达到最佳隔热性能。为在提高底板压缩强度和耐久性的同时保持轻质，设计成多层夹层结构，第一层上面附上较高密度的芯材。这是一种轻质、高隔热和高压缩的双夹层材料。
　　为保护玻璃纤维层压板表层免受叉车和托盘的刮伤和撕裂，许多不同的解决方案需经受大量磨损测试。最后，HPL(高压层压板)层证明是最耐用的底板材料。在生产中，这层是在灌注过程中被粘接在多层底板上。

4　限制损伤尺寸的设计

集装箱损伤的第一个原因是叉车。它们是重型机械，伸出尖锐的叉齿，偶尔叉槽发生错位。实际上，保护轻质航空货运集装箱完全避免碰撞中出现裂口是不可能的。
　　为保证集装箱的结构强度，在夹层结构蒙皮中使用多轴向玻璃纤维织物。这有助于结构载荷均匀分布。一般来说，在芯材两边铺设同样的材料，力求得到平衡对称的夹层结构，但是在这种隋况下，它有可能是—个低劣产品。在叉车发生碰撞或更多危险情况下，叉齿完全割开整个箱壁是很有可能的。当外部夹层板是多轴向织物时，这就不是个大问题。叉齿割断外部纤维，因为芯材可以作为砧骨起作用，引起的局部损伤与叉车横截面差不多。这种损坏比较容易修补。
　　在夹层箱壁后面，当叉齿离开时，沿着箱壁的整个内侧撕裂连续纤维，就像在厚木板上钉钉子时，背面会出现颗粒。为防止此现象出现，研发一种结合纤维的创新新方法，在集装箱壳体两面获得同样的限制损伤尺寸。由于非对称夹层纤维铺层，该结构被巧妙设计，防止任何弯曲或嵌入的内张力。

5　更低能量要求的双隔热性能

随着Envirotainer复合材料集装箱队伍的增加，该新产品的价值已被反复不断地验证。与传统铝／聚氨酯泡沫结构相比，隔热陛能增加一倍。集装箱外壳的所有热桥都被消除，在一定程度上是由于取代了高导热的铝／玻璃纤维增强聚酯，也由于低密度硬质泡沫芯材优异的隔热性能。改进的隔热性能导致温控单元的电池组尺寸大幅度下降，寿命增加。

6　提高的坚韧性使损坏频率减半

当把集装箱运到世界各地的飞机停机坪上时，航空货运集装箱所处环境简陋，磨损和撕裂程度较高。除了要经受所有可能的天气情况外，叉车和卡车的碰撞会引起大量损坏。新型复合材料集装箱应用现场统计显示，损坏频率减少2到3倍，因此也减少维修费用。虽然夹层结构板厚只有1mm，但是它已被证明相当坚固，耐冲击。

7　维修简易

如果发生意外损坏，Envirotainer团队制定维修方案，只需要极少的复合材料／夹层结构知识。集装箱几乎可以在世界任何一个机场维修，只需相关人员经过维修方案的培训。在完成培训课程后，不需要Envirotainer公司自己的员工就可修复集装箱的全适航性。这使维修站在世界范围内广泛覆盖。维修原理相当简单：切除破坏的层压板和芯材，打磨损坏区域表面并清理干净，用胶粘剂和一片新的芯材填补孔洞，集装箱表面添加填充物，然后贴上预制层压板贴片，固定贴片并固化。这个工序恢复了夹层板的整个强度。

8　质量保证期望

当运输高价值、温度敏感的保健产品时，必须限制集装箱不可避免的损坏区域，使其面积尽可能的小。叉车可能引起损坏，破坏集装箱壁一个面的整个芯材。一大块隔热材料被破坏，但是货舱的货物仍然必须保持在耐受温度内，直到转移到另外一个冷藏库。人工气候测试证明即使损坏区域与足球尺寸一样大，整个芯材被移走，在室温30℃下通过电池动力，集装箱仍然能保持特定的货舱温度2-8℃30小时以上。

9　原型系列

2011年年中推出20个RAP e2集装箱原型系列。在早期就可以看出夹层复合材料集装箱概念的益处，在这之后很快商业化批量生产。新型集装箱模型研发项目从构想到第一批20个原型在现场测试和评价大约花了四年时间。
　　研发团队由一支复合材料和机械工程师内部团队与FEM顾问合作组成，与供应商关系密切。

10　认证过程

研发团队最大的挑战之一是把复合材料的使用向主导的铝友好型航空工业和航空局(EASA和FAA)介绍。必须严格规范预定用于商用飞机零件的所有材料，在使用前，任何一种新材料必须经过航空局认证。铝是航空工业众所周知的各向同性均质材料，不同等级、质量和合金已经获得航空局认证。这使它更容易实施。
　　设计复合材料集装箱更难，但是期望效益值得付出努力。复合材料制备过程中大量的变量可能产生不同的材料性能。试图单独认证干纤维、树脂和制造技术导致量大、耗时和高花费的认证过程。这就是很少有材料供应商认证的原因，一般需要大型飞机制造商的巨大财务支持。
　　为避免这个问题，没有进行单个材料的认证过程，而是认证集装箱装备成品，一个较陕、经济可行的方法能快速地把产品引入市场。经过航天局认证，集装箱装备通常与原始设计匹配，具有严格的质量和公差准则，设计和生产主体必须相符合。记录每个生产部件，并从确认的生产日期、使用模具、温度、湿度等获得序列号。记录设计数据偏差。任何重要设计更改要经受权威机构严格测试来证实结构。当与航天局合作时，工程师和技术员责任巨大，常常推动Envirotainer公司引领创新高科技和高质量产品市场。

11　概念获奖

       复合材料集装箱收效明显，引起市场广泛关注。设计概念获得2012年巴塞尔质量分配创新冷链优秀奖，Envirotainer公司以其杰出的出口业绩获得2012年8月瑞典"Export Hermes"奖。
　　制药和医疗保健公司要求产品在整个冷链体系中保持在特定的温差范围内，一般是+2~+8℃，或者常温+15~+25℃。这为高质量和高安全温控运输产品带来巨大的需求。

12　结　论

      RAP e2集装箱是一个优化夹层复合材料产品，几乎利用了这种设计的所有优势。夹层结构保证结构完整陛，轻质芯材既是夹芯材料也是隔热材料。与传统金属板和框架相比，从金属板和框架到玻璃纤维增强聚酯壁和门的变化消除热桥，夹层材料的坚韧性实际上提高耐冲击／损伤性，从而增加了产品寿命。