复合材料夹层结构泡沫芯材的性能特点和应用

一、 前言

在航天航空、交通运输结构的设计中，要求构件尽可能轻而不损失强度是对设计人员的最大挑战。在保证强度、刚度的同时，还要求所设计的薄壁结构在承受拉、压及剪切载荷的综合作用下不失稳。过去传统的飞机结构设计方法仍在一些范围内使用，通过用长桁和肋/框组成纵、横向加强件来提高板的稳定性。实际上，某些次结构也可以使用夹层结构设计来满足强度、刚度要求，例如蒙皮、舱门、口盖和翼身整流罩等。夹层结构的夹芯通常采用蜂窝或泡沫芯材。

二、复合材料夹层结构芯材介绍

 在设计时，对于面板考虑的主要因素是材料的强度和刚度，而对于芯材，考虑的主要因素是最大幅度的减轻重量。在飞机结构中芯材通常使用铝蜂窝、泡沫或NOMEX®蜂窝，如图1所示。铝蜂窝或NOMEX®蜂窝具有压缩模量高和重量轻的优点，它们是飞机结构广泛使用夹芯材料，通常与碳/玻璃纤维预浸料一起使用。常见的结构有机翼前缘、方向舵、起落架舱门、翼身和翼尖整流罩等。尽管蜂窝夹层结构在性能上比金属板金结构有突出的优点，但是航空公司还是在积极寻找其替代材料，因为蜂窝夹芯材料在使用过程中需要高昂的维护修理费用。在某些情况下如果面板出现裂纹和孔隙时，水和水汽就很容易地进入蜂窝。在低温情况下，进入蜂窝孔中的水被冰冻以后会发生膨胀，将破坏邻近的蜂窝孔格的粘结，这就降低了夹层结构的性能而必须进行修理。

图1: 铝蜂窝、PMI泡沫和NOMEX®蜂窝

根据国外文献报道，20年内收集的蜂窝雷达罩维修记录表明，大约85%蜂窝雷达罩因为蜂窝进水原因需要维修，大多数航空公司证实波音737飞机蜂窝雷达罩的平均无故障维修使用时间少于2年。蜂窝夹层构件的维护费用使得原本质轻的优点与泡沫夹芯结构相比不再存在，由于刚性泡沫夹芯是闭孔的，水和水汽不能进入夹芯内部，减少了维护检查的成本，所以泡沫夹芯结构的全寿命成本就更加经济，尽管达到相同承剪能力时泡沫的重量要比蜂窝稍重一些。同时，近年来随着降低制造成本的要求，RTM（树脂传递模塑）工艺技术的推广，需要有一种轻质闭孔材料来代替，而蜂窝结构不易满足RTM工艺的要求。

铝蜂窝：铝蜂窝夹层结构一般应用在承受剪切载荷较大的部位，其面板通常也是金属板材，因为铝蜂窝和碳纤维面板一同使用时，如果两种材料之间电绝缘处理不当，就会发生电化腐蚀。

 NOMEX®蜂窝： NOMEX®蜂窝是采用芳纶纸浸润酚醛树脂制成，具有广泛的应用领域。NOMEX®蜂窝和铝蜂窝相比，局部失稳的问题要小得多，因为NOMEX®蜂窝的蜂窝壁可以做得相对要厚一些。另外，因为NOMEX®材料不导电，不存在接触电化腐蚀的问题。NOMEX®蜂窝还能够满足FST（烟雾毒性）要求。


    PMI（聚甲基丙烯酰亚胺）泡沫：PMI泡沫在进行适当的高温处理后，也能承受高温的复合材料固化工艺要求，这样使得PMI泡沫在航空领域得到了广泛的应用。中等密度的PMI泡沫具有很好的压缩蠕变性能，可以在120oC -180oC温度、0.3-0.5Mpa的压力下热压罐固化。PMI泡沫能满足通常的预浸料固化工艺的蠕变性能要求。作为航空材料的PMI泡沫是一种均匀的刚性闭孔泡沫，孔隙大小基本一致。PMI泡沫也能满足FST要求。


    PVC 泡沫：PVC泡沫的主要优点是价格相对便宜，通常用来制造小型飞机构件，制造工艺不需要热压罐，固化温度低于120oC。在使用RTM工艺的时，需要对PVC泡沫加热后释放的气体给予一定的重视，因为这会导致面板材料内部产生孔隙。


    综合上面的对比，可以看出目前航天航空复合材料夹层结构可以选用的泡沫芯材主要是PMI泡沫材料，和蜂窝材料相比某些方面有一定的优势。下面，就简单地介绍PMI泡沫材料的生产制造和性能特点。

三、PMI泡沫的基本力学性能

PMI泡沫通过加热甲基丙烯酸/甲基丙烯腈共聚板，发泡制造。在发泡共聚板的过程中，共聚物转变成聚甲基丙烯酰亚胺。发泡温度在170oC以上，根据密度和型号不同而不同。目前，世界上主要PMI泡沫产品是德国德固赛公司生产的ROHACELL®系列产品，工艺过程如图2所示。

图2：PMI泡沫的生产工艺过程


图3：ROHACELL-51 WF 的微结构

   孔穴的基本特征：孔壁厚度：t=12um，孔穴大小：l=0.6mm，如图3。

    ROHACELL WF泡沫的孔穴大小在0.6-0.8 mm左右。

    线弹性状态下，当泡沫体是由液体组员制得时（有许多这种泡沫体，例如聚胺酯泡沫），表面张力可将材料拉向棱边，越过孔面只留下一层薄膜，它容易破裂。因此，虽然泡沫体具有初始闭合的孔穴，但其刚度完全来自孔棱，其模量则等同于开孔泡沫体。但是PMI泡沫材料孔面就由真正的固体部分构成，这些孔面会增加多孔体的刚度。闭孔泡沫体的压缩变形机制由三部分组成：孔壁弯曲、棱收缩和膜延伸以及被封入气体的压力。

   其中，为孔穴棱边所含固体的体积分数，剩余部分即为孔壁所含固体的体积分数。那么，若孔棱厚度为te，孔壁厚度为tf， 。

 是多孔固体的密度
 是构成孔壁的固体材料的密度

    可见，泡沫的强度和相对密度有关，同时更加重要的是和有关， 是泡沫结构中孔隙棱边材料占泡沫材料的比率。最差的泡沫材料分形式是完全开孔的泡沫材料，所有材料都杆状分布在孔隙的棱边位置，这是 等于1。最好的泡沫材料分布形式是所有的泡沫材料位于孔隙的孔壁位置，这时 等于0，相对屈服强度和相对密度成正比。所以，期望有相对较低的值。和其他的结构泡沫相比，ROHACELL （RC）的 较低。这个比值的范围是0.72到0.80。从这里可以看出，要得到更高比剪切强度的泡沫可以通过1）开发新的制造工艺，降低 值。2）提高生产泡沫树脂的剪切强度。3）孔隙的大小小于裂纹扩展或发生失稳的临界直径。4）使用杆状的增强材料增强泡沫。

四、PMI泡沫夹层结构的结构优势

在夹层结构中，PMI泡沫材料可以作为结构性单元。过去，一般仅仅把泡沫作为填充材料，不考虑其强度和刚度对结构的贡献。主要原因是过去使用的泡沫材料，例如PUR泡沫，一般是在结构完成以后，空腔内发泡，这样泡沫的质量，均匀性和力学性能难以保证。PMI泡沫采用的是独特的固体发泡技术，泡沫的质量、均匀性和力学性能都可以保证。PMI泡沫是目前比强度和比刚度最高的聚合物硬质泡沫材料。通过计算，如果把PMI泡沫作为夹层结构的结构性单元，面板可以减少1－2层碳纤维铺层。PMI泡沫夹层结构可以作为结构性夹层结构使用，应用领域突破了过去蜂窝等非结构性夹层结构的传统观点。

五、PMI泡沫夹层结构的工艺优势

PMI泡沫还具有突出的耐压缩蠕变性能。也可以这样说，PMI泡沫的比强度和比刚度是使得材料具有良好的使用性能，PMI泡沫耐压缩蠕变性能使得材料同时也具备了良好的工艺性能。碳纤维环氧复合材料体系的固化需要设定的压力，温度和时间为固化条件。如果采用节约成本的共固化工艺，作为芯材的泡沫材料，需要具有良好的耐压缩蠕变性能。经过试验，PMI泡沫能够满足各种固化条件的要求。

通常对于泡沫夹层结构，可以采用的工艺有：

模压工艺：模压工艺的特点是模具成本相对较高，优点是能够准确的保证复合材料的厚度和尺寸；同时具有两个光洁表面的构件。通常采用模压工艺的构件有飞行控制部件，直升机旋翼，运动器材和医疗床板等。在模压工艺中，通过赋予泡沫芯材一定的过盈量，在合模固化过程中，过盈量给面板的固化提供反压力。PMI泡沫的耐压缩蠕变性能是过盈量转变成反压力的前提和保证，可以通过设定合适的过盈量，根据铺层的树脂含量，固化体系，面板厚度，调整反压力的大小，满足固化压力的要求。

热压罐工艺：热压罐工艺的特点是一面硬模，一面软模（真空袋）。通过抽真空以及热压罐内加压，对固化中的复合材料层板加压。如果采用共固化工艺，也就是碳纤维复合材料面板的固化、夹层结构芯材与面板的粘接一次性完成。PMI泡沫的空隙相对蜂窝要小，能够对面板的固化提供足够的支撑，不会象蜂窝结构面板出现电报效应。

RTM工艺：液体树脂注射是一种相对较新的优化制造工艺，借助RTM（树脂转注模）的技术，生产高性能夹层结构构件。目的是为了简化生产过程，降低制造成本，节约原材料的价格。选用价格相对较低，具有良好的铺覆性能的布，可以实现批量生产，构件能达到使用高质量的预浸料的效果。如果将蜂窝的孔隙加以密封，不让低黏度的注射树脂流入蜂窝孔隙，在RTM制造工艺中，也可以选择蜂窝作为夹心材料。不过，通常如果采用RTM工艺生产夹层结构复合材料，一般采用泡沫芯材。和热压罐工艺相同，芯材也需要具有良好的耐压缩蠕变性能，满足树脂注射压力和注射温度的要求。

六、PMI泡沫夹层结构耐久性方面的优势

泡沫夹层结构与NOMEX®蜂窝夹层结构比较的另一个特点是其抗吸湿性好得多，由于泡沫是闭孔的，湿气和水分很难进入到夹芯里面去。两种材料的吸湿实验对比见图4。目前，舰载机型以及一些雷达透波构件（雷达罩）尽可能的避免采用蜂窝结构，减少维护成本。

图4：PMI泡沫和蜂窝吸湿实验对比曲线

直升机的桨叶

七、PMI泡沫在航天航空夹层结构中得最新应用
    
    PMI泡沫还广泛应用在各种型号的直升机桨叶中作为芯材，采用模压固化工艺，例如Lynx, EC135，EH101，Tiger等，如图5。

图5：PMI泡沫夹层结构直升机桨叶

    新一代的“虎”式直升机的引擎罩是使用PMI泡沫ROHACELLâ XT 作为芯材，和BMI预浸料共固化。构件的长期使用温度达到160°C。只有使用ROHACELLâ XT才能实现共固化，降低成本的同时减轻重量。

空中客车A340-500/600和A380气密机舱的隔板

A340-500/600和A380气密机舱的隔板采用了ROHACELL泡沫填充A筋条结构形式，如图6、图7所示。首先，把泡沫CNC 精确加工和热成型，然后和上下蒙皮共固化。高性能PMI泡沫芯材在固化过程中具有很好的耐压缩蠕变性能，使面板压实，消除表面凹凸不平。和蜂窝芯相比，在热压罐固化过程中，PMI泡沫各向同性的孔隙结构还能满足侧压下的尺寸稳定性的要求，不同于蜂窝结构，无需用泡沫胶填充。另外，泡沫还能将热压罐的压力均匀的传递给泡沫下方面板的铺层，使其压实，没有压痕等表面缺陷。

图6  A340的后压力框


图7  已成型、 待用的泡沫加强筋

泡沫芯材不仅可以在铺层、固化过程中，用做芯模，还是在加筋条中起到一定的结构作用。因为泡沫的压缩强度很高，它可以提高结构的稳定性，减少夹层结构中预浸料铺层，达到减重的目的。

在弯曲和轴向压力作用下，薄壁复合材料结构常常会发生稳定破坏。失稳破坏总是在材料到达压缩破坏强度以前，在受压部位出现。一个非常成熟、有效的途径是将加强筋粘接在壳结构上，提高壳结构的抗失稳能力。空心的A形加筋条结构的侧壁和凸边容易产生失稳，导致结构过早破坏。

图 8  空心A形加筋条和PMI泡沫填充A形加筋条的轴压载荷/应变曲线

和空心A形加筋条相比，ROHACELL®填充的加强筋中的泡沫芯材起到一定的结构作用，提高抗失稳性能，在到达材料屈服载荷前，保证结构的形状和强度。在结构出现初始失稳时，泡沫填充A加筋条的面内压缩强度和空心加筋条相比可以提高达100%（图8)。这就可以更好地利用碳纤维/环氧面板强度，芯材主要承受和加强筋侧表面垂直方向的拉应力和压应力。 

八、在现有泡沫芯材基础上的进一步发展

将泡沫夹层结构构件推广到大载荷、轻质结构，一个重要途径是增加其剪切强度。因为PMI泡沫芯材的性能的提高往往是通过增加密度来实现，因此必须寻找一个能将增强纤维和泡沫芯材相互结合的途径。一个结构上非常成功的方法是加上45o斜向贯穿的腹向结构，大小尺寸可根据应力要求调整。泡沫芯材和蒙皮之间的良好的界面性能对提高结构冲击损伤性能有所帮助。可以用Z方向纤维增强材料提高蒙皮和泡沫芯材之间的界面性能。可以利用柔性单面缝纫头进行单面缝合，缝线形成的环穿过蒙皮，进入泡沫芯材，如图9所示。在热压罐里构件注射树脂后，线环浸渍树脂，在制件固化过程中也随之固化。

图9：经过缝合的剪切增强夹层结构/ 单面缝合头 (KSL, Lorsch)

    
    美国Aztex公司在PMI泡沫的基础上又开发了两种新型的芯材，X-Cor和K-Core。X-Core使用Z-Fiber®针(完全固化的纤维/树脂针)，加强轻质PMI泡沫，如图10所示。露出泡沫表面的Z-Fiber®在铺层时，埋入蒙皮，提高蒙皮-芯材之间的胶接性能。Z-Fiber®形成的桁架结构承受剪切和压缩载荷，泡沫对Z-Fiber的稳定的侧向支撑。

图10：X-core及其示意图

   
    K-Cor® 也是利用Z-Fiber®针纵向加强。与X-Core不同，将露出来的Z-Fiber®和泡沫表面压平，如图11所示。

图11：K-core及其示意图

使用 Z-Fiber®加强PMI泡沫，据Aztex资料介绍，和未加强的泡沫材料相比较，剪切强度可以提高四倍以上，压缩强度十倍以上，提高损伤容限，可以适应高温或常温共固化工艺，可以最大限度的实现芯材的优化，其破坏方式为延性破坏。目前已用在了Sikorsky – RAH-66 直升机的地板等位置，替代NOMEX®蜂窝芯。

       Webcore 公司使用碳纤维或玻璃纤维在闭孔泡沫的厚度方向上缝合。根据不同的要求，使用不同的泡沫材料和不同的纤维产品，主要用在液体树脂注射成型工艺中。TYCOR A使用碳纤维缝线增强，主要用在航天航空领域，例如Boeing Huntington Beach，CH-47 和X-45 起落架舱门，如图12所示。TYCOR B使用玻璃纤维缝线增强，主要用在船舶，铁路车辆等工业领域，如图13所示。

图12：TYCOR A 板材


图13：TYCOR B 板材

九、 结论

随着复合材料蜂窝夹层结构在使用过程中出现的一系列问题，国内外航天航空界研究人员将目光转向了高性能的聚合物泡沫材料芯材，主要是PMI泡沫材料。在夹层结构构件中使用泡沫芯既可以降低制造成本，也能作为结构材料。如果仅仅作为结构材料考虑，泡沫芯夹层结构和蜂窝芯夹层结构的设计相比主要在重量方面处于劣势。但是，如果在使用周期内作一个综合的比较，泡沫芯夹层结构考虑到制造和维护方面的优势，仍然是一个比较好的选择。如何将泡沫芯夹层结构的缺点降到最低，提高芯材-蒙皮之间的界面性能，是将来泡沫夹层结构面临的主要问题，结合国内外的最新研究和应用表明：缝纫或针刺是提高泡沫芯材性能的有效途径。