一、 前言

在航天航空、交通運輸結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，要求構(gòu)件盡可能輕而不損失強度是對設(shè)計人員的最大挑戰(zhàn)。在保證強度、剛度的同時，還要求所設(shè)計的薄壁結(jié)構(gòu)在承受拉、壓及剪切載荷的綜合作用下不失穩(wěn)。過去傳統(tǒng)的飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計方法仍在一些范圍內(nèi)使用，通過用長桁和肋/框組成縱、橫向加強件來提高板的穩(wěn)定性。實際上，某些次結(jié)構(gòu)也可以使用夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計來滿足強度、剛度要求，例如蒙皮、艙門、口蓋和翼身整流罩等。夾層結(jié)構(gòu)的夾芯通常采用蜂窩或泡沫芯材。

二、復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)芯材介紹

 在設(shè)計時，對于面板考慮的主要因素是材料的強度和剛度，而對于芯材，考慮的主要因素是最大幅度的減輕重量。在飛機結(jié)構(gòu)中芯材通常使用鋁蜂窩、泡沫或NOMEX®蜂窩，如圖1所示。鋁蜂窩或NOMEX®蜂窩具有壓縮模量高和重量輕的優(yōu)點，它們是飛機結(jié)構(gòu)廣泛使用夾芯材料，通常與碳/玻璃纖維預(yù)浸料一起使用。常見的結(jié)構(gòu)有機翼前緣、方向舵、起落架艙門、翼身和翼尖整流罩等。盡管蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在性能上比金屬板金結(jié)構(gòu)有突出的優(yōu)點，但是航空公司還是在積極尋找其替代材料，因為蜂窩夾芯材料在使用過程中需要高昂的維護修理費用。在某些情況下如果面板出現(xiàn)裂紋和孔隙時，水和水汽就很容易地進入蜂窩。在低溫情況下，進入蜂窩孔中的水被冰凍以后會發(fā)生膨脹，將破壞鄰近的蜂窩孔格的粘結(jié)，這就降低了夾層結(jié)構(gòu)的性能而必須進行修理。

圖1: 鋁蜂窩、PMI泡沫和NOMEX®蜂窩

根據(jù)國外文獻報道，20年內(nèi)收集的蜂窩雷達罩維修記錄表明，大約85%蜂窩雷達罩因為蜂窩進水原因需要維修，大多數(shù)航空公司證實波音737飛機蜂窩雷達罩的平均無故障維修使用時間少于2年。蜂窩夾層構(gòu)件的維護費用使得原本質(zhì)輕的優(yōu)點與泡沫夾芯結(jié)構(gòu)相比不再存在，由于剛性泡沫夾芯是閉孔的，水和水汽不能進入夾芯內(nèi)部，減少了維護檢查的成本，所以泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的全壽命成本就更加經(jīng)濟，盡管達到相同承剪能力時泡沫的重量要比蜂窩稍重一些。同時，近年來隨著降低制造成本的要求，RTM（樹脂傳遞模塑）工藝技術(shù)的推廣，需要有一種輕質(zhì)閉孔材料來代替，而蜂窩結(jié)構(gòu)不易滿足RTM工藝的要求。

鋁蜂窩：鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)一般應(yīng)用在承受剪切載荷較大的部位，其面板通常也是金屬板材，因為鋁蜂窩和碳纖維面板一同使用時，如果兩種材料之間電絕緣處理不當(dāng)，就會發(fā)生電化腐蝕。

 NOMEX®蜂窩： NOMEX®蜂窩是采用芳綸紙浸潤酚醛樹脂制成，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。NOMEX®蜂窩和鋁蜂窩相比，局部失穩(wěn)的問題要小得多，因為NOMEX®蜂窩的蜂窩壁可以做得相對要厚一些。另外，因為NOMEX®材料不導(dǎo)電，不存在接觸電化腐蝕的問題。NOMEX®蜂窩還能夠滿足FST（煙霧毒性）要求。


    PMI（聚甲基丙烯酰亞胺）泡沫：PMI泡沫在進行適當(dāng)?shù)母邷靥幚砗螅材艹惺芨邷氐膹?fù)合材料固化工藝要求，這樣使得PMI泡沫在航空領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(yù)浸料固化工藝的蠕變性能要求。作為航空材料的PMI泡沫是一種均勻的剛性閉孔泡沫，孔隙大小基本一致。PMI泡沫也能滿足FST要求。


    PVC 泡沫：PVC泡沫的主要優(yōu)點是價格相對便宜，通常用來制造小型飛機構(gòu)件，制造工藝不需要熱壓罐，固化溫度低于120oC。在使用RTM工藝的時，需要對PVC泡沫加熱后釋放的氣體給予一定的重視，因為這會導(dǎo)致面板材料內(nèi)部產(chǎn)生孔隙。


    綜合上面的對比，可以看出目前航天航空復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)可以選用的泡沫芯材主要是PMI泡沫材料，和蜂窩材料相比某些方面有一定的優(yōu)勢。下面，就簡單地介紹PMI泡沫材料的生產(chǎn)制造和性能特點。

三、PMI泡沫的基本力學(xué)性能

PMI泡沫通過加熱甲基丙烯酸/甲基丙烯腈共聚板，發(fā)泡制造。在發(fā)泡共聚板的過程中，共聚物轉(zhuǎn)變成聚甲基丙烯酰亞胺。發(fā)泡溫度在170oC以上，根據(jù)密度和型號不同而不同。目前，世界上主要PMI泡沫產(chǎn)品是德國德固賽公司生產(chǎn)的ROHACELL®系列產(chǎn)品，工藝過程如圖2所示。

圖2：PMI泡沫的生產(chǎn)工藝過程


圖3：ROHACELL-51 WF 的微結(jié)構(gòu)

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

    ROHACELL WF泡沫的孔穴大小在0.6-0.8 mm左右。

    線彈性狀態(tài)下，當(dāng)泡沫體是由液體組員制得時（有許多這種泡沫體，例如聚胺酯泡沫），表面張力可將材料拉向棱邊，越過孔面只留下一層薄膜，它容易破裂。因此，雖然泡沫體具有初始閉合的孔穴，但其剛度完全來自孔棱，其模量則等同于開孔泡沫體。但是PMI泡沫材料孔面就由真正的固體部分構(gòu)成，這些孔面會增加多孔體的剛度。閉孔泡沫體的壓縮變形機制由三部分組成：孔壁彎曲、棱收縮和膜延伸以及被封入氣體的壓力。

   其中，為孔穴棱邊所含固體的體積分數(shù)，剩余部分即為孔壁所含固體的體積分數(shù)。那么，若孔棱厚度為te，孔壁厚度為tf， 。

 是多孔固體的密度
 是構(gòu)成孔壁的固體材料的密度

    可見，泡沫的強度和相對密度有關(guān)，同時更加重要的是和有關(guān)， 是泡沫結(jié)構(gòu)中孔隙棱邊材料占泡沫材料的比率。最差的泡沫材料分形式是完全開孔的泡沫材料，所有材料都桿狀分布在孔隙的棱邊位置，這是 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，這時 等于0，相對屈服強度和相對密度成正比。所以，期望有相對較低的值。和其他的結(jié)構(gòu)泡沫相比，ROHACELL （RC）的 較低。這個比值的范圍是0.72到0.80。從這里可以看出，要得到更高比剪切強度的泡沫可以通過1）開發(fā)新的制造工藝，降低 值。2）提高生產(chǎn)泡沫樹脂的剪切強度。3）孔隙的大小小于裂紋擴展或發(fā)生失穩(wěn)的臨界直徑。4）使用桿狀的增強材料增強泡沫。

四、PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢

在夾層結(jié)構(gòu)中，PMI泡沫材料可以作為結(jié)構(gòu)性單元。過去，一般僅僅把泡沫作為填充材料，不考慮其強度和剛度對結(jié)構(gòu)的貢獻。主要原因是過去使用的泡沫材料，例如PUR泡沫，一般是在結(jié)構(gòu)完成以后，空腔內(nèi)發(fā)泡，這樣泡沫的質(zhì)量，均勻性和力學(xué)性能難以保證。PMI泡沫采用的是獨特的固體發(fā)泡技術(shù)，泡沫的質(zhì)量、均勻性和力學(xué)性能都可以保證。PMI泡沫是目前比強度和比剛度最高的聚合物硬質(zhì)泡沫材料。通過計算，如果把PMI泡沫作為夾層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性單元，面板可以減少1－2層碳纖維鋪層。PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)可以作為結(jié)構(gòu)性夾層結(jié)構(gòu)使用，應(yīng)用領(lǐng)域突破了過去蜂窩等非結(jié)構(gòu)性夾層結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)觀點。

五、PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)的工藝優(yōu)勢

PMI泡沫還具有突出的耐壓縮蠕變性能。也可以這樣說，PMI泡沫的比強度和比剛度是使得材料具有良好的使用性能，PMI泡沫耐壓縮蠕變性能使得材料同時也具備了良好的工藝性能。碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料體系的固化需要設(shè)定的壓力，溫度和時間為固化條件。如果采用節(jié)約成本的共固化工藝，作為芯材的泡沫材料，需要具有良好的耐壓縮蠕變性能。經(jīng)過試驗，PMI泡沫能夠滿足各種固化條件的要求。

通常對于泡沫夾層結(jié)構(gòu)，可以采用的工藝有：

模壓工藝：模壓工藝的特點是模具成本相對較高，優(yōu)點是能夠準(zhǔn)確的保證復(fù)合材料的厚度和尺寸；同時具有兩個光潔表面的構(gòu)件。通常采用模壓工藝的構(gòu)件有飛行控制部件，直升機旋翼，運動器材和醫(yī)療床板等。在模壓工藝中，通過賦予泡沫芯材一定的過盈量，在合模固化過程中，過盈量給面板的固化提供反壓力。PMI泡沫的耐壓縮蠕變性能是過盈量轉(zhuǎn)變成反壓力的前提和保證，可以通過設(shè)定合適的過盈量，根據(jù)鋪層的樹脂含量，固化體系，面板厚度，調(diào)整反壓力的大小，滿足固化壓力的要求。

熱壓罐工藝：熱壓罐工藝的特點是一面硬模，一面軟模（真空袋）。通過抽真空以及熱壓罐內(nèi)加壓，對固化中的復(fù)合材料層板加壓。如果采用共固化工藝，也就是碳纖維復(fù)合材料面板的固化、夾層結(jié)構(gòu)芯材與面板的粘接一次性完成。PMI泡沫的空隙相對蜂窩要小，能夠?qū)γ姘宓墓袒峁┳銐虻闹危粫蠓涓C結(jié)構(gòu)面板出現(xiàn)電報效應(yīng)。

RTM工藝：液體樹脂注射是一種相對較新的優(yōu)化制造工藝，借助RTM（樹脂轉(zhuǎn)注模）的技術(shù)，生產(chǎn)高性能夾層結(jié)構(gòu)構(gòu)件。目的是為了簡化生產(chǎn)過程，降低制造成本，節(jié)約原材料的價格。選用價格相對較低，具有良好的鋪覆性能的布，可以實現(xiàn)批量生產(chǎn)，構(gòu)件能達到使用高質(zhì)量的預(yù)浸料的效果。如果將蜂窩的孔隙加以密封，不讓低黏度的注射樹脂流入蜂窩孔隙，在RTM制造工藝中，也可以選擇蜂窩作為夾心材料。不過，通常如果采用RTM工藝生產(chǎn)夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，一般采用泡沫芯材。和熱壓罐工藝相同，芯材也需要具有良好的耐壓縮蠕變性能，滿足樹脂注射壓力和注射溫度的要求。

六、PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)耐久性方面的優(yōu)勢

泡沫夾層結(jié)構(gòu)與NOMEX®蜂窩夾層結(jié)構(gòu)比較的另一個特點是其抗吸濕性好得多，由于泡沫是閉孔的，濕氣和水分很難進入到夾芯里面去。兩種材料的吸濕實驗對比見圖4。目前，艦載機型以及一些雷達透波構(gòu)件（雷達罩）盡可能的避免采用蜂窩結(jié)構(gòu)，減少維護成本。

圖4：PMI泡沫和蜂窩吸濕實驗對比曲線

直升機的槳葉

七、PMI泡沫在航天航空夾層結(jié)構(gòu)中得最新應(yīng)用
    
    PMI泡沫還廣泛應(yīng)用在各種型號的直升機槳葉中作為芯材，采用模壓固化工藝，例如Lynx, EC135，EH101，Tiger等，如圖5。

圖5：PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)直升機槳葉

    新一代的“虎”式直升機的引擎罩是使用PMI泡沫ROHACELLâ XT 作為芯材，和BMI預(yù)浸料共固化。構(gòu)件的長期使用溫度達到160°C。只有使用ROHACELLâ XT才能實現(xiàn)共固化，降低成本的同時減輕重量。

空中客車A340-500/600和A380氣密機艙的隔板

A340-500/600和A380氣密機艙的隔板采用了ROHACELL泡沫填充A筋條結(jié)構(gòu)形式，如圖6、圖7所示。首先，把泡沫CNC 精確加工和熱成型，然后和上下蒙皮共固化。高性能PMI泡沫芯材在固化過程中具有很好的耐壓縮蠕變性能，使面板壓實，消除表面凹凸不平。和蜂窩芯相比，在熱壓罐固化過程中，PMI泡沫各向同性的孔隙結(jié)構(gòu)還能滿足側(cè)壓下的尺寸穩(wěn)定性的要求，不同于蜂窩結(jié)構(gòu)，無需用泡沫膠填充。另外，泡沫還能將熱壓罐的壓力均勻的傳遞給泡沫下方面板的鋪層，使其壓實，沒有壓痕等表面缺陷。

圖6  A340的后壓力框


圖7  已成型、 待用的泡沫加強筋

泡沫芯材不僅可以在鋪層、固化過程中，用做芯模，還是在加筋條中起到一定的結(jié)構(gòu)作用。因為泡沫的壓縮強度很高，它可以提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減少夾層結(jié)構(gòu)中預(yù)浸料鋪層，達到減重的目的。

在彎曲和軸向壓力作用下，薄壁復(fù)合材料結(jié)構(gòu)常常會發(fā)生穩(wěn)定破壞。失穩(wěn)破壞總是在材料到達壓縮破壞強度以前，在受壓部位出現(xiàn)。一個非常成熟、有效的途徑是將加強筋粘接在殼結(jié)構(gòu)上，提高殼結(jié)構(gòu)的抗失穩(wěn)能力。空心的A形加筋條結(jié)構(gòu)的側(cè)壁和凸邊容易產(chǎn)生失穩(wěn)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過早破壞。

圖 8  空心A形加筋條和PMI泡沫填充A形加筋條的軸壓載荷/應(yīng)變曲線

和空心A形加筋條相比，ROHACELL®填充的加強筋中的泡沫芯材起到一定的結(jié)構(gòu)作用，提高抗失穩(wěn)性能，在到達材料屈服載荷前，保證結(jié)構(gòu)的形狀和強度。在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)初始失穩(wěn)時，泡沫填充A加筋條的面內(nèi)壓縮強度和空心加筋條相比可以提高達100%（圖8)。這就可以更好地利用碳纖維/環(huán)氧面板強度，芯材主要承受和加強筋側(cè)表面垂直方向的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。 

八、在現(xiàn)有泡沫芯材基礎(chǔ)上的進一步發(fā)展

將泡沫夾層結(jié)構(gòu)構(gòu)件推廣到大載荷、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，一個重要途徑是增加其剪切強度。因為PMI泡沫芯材的性能的提高往往是通過增加密度來實現(xiàn)，因此必須尋找一個能將增強纖維和泡沫芯材相互結(jié)合的途徑。一個結(jié)構(gòu)上非常成功的方法是加上45o斜向貫穿的腹向結(jié)構(gòu)，大小尺寸可根據(jù)應(yīng)力要求調(diào)整。泡沫芯材和蒙皮之間的良好的界面性能對提高結(jié)構(gòu)沖擊損傷性能有所幫助。可以用Z方向纖維增強材料提高蒙皮和泡沫芯材之間的界面性能。可以利用柔性單面縫紉頭進行單面縫合，縫線形成的環(huán)穿過蒙皮，進入泡沫芯材，如圖9所示。在熱壓罐里構(gòu)件注射樹脂后，線環(huán)浸漬樹脂，在制件固化過程中也隨之固化。

圖9：經(jīng)過縫合的剪切增強夾層結(jié)構(gòu)/ 單面縫合頭 (KSL, Lorsch)

    
    美國Aztex公司在PMI泡沫的基礎(chǔ)上又開發(fā)了兩種新型的芯材，X-Cor和K-Core。X-Core使用Z-Fiber®針(完全固化的纖維/樹脂針)，加強輕質(zhì)PMI泡沫，如圖10所示。露出泡沫表面的Z-Fiber®在鋪層時，埋入蒙皮，提高蒙皮-芯材之間的膠接性能。Z-Fiber®形成的桁架結(jié)構(gòu)承受剪切和壓縮載荷，泡沫對Z-Fiber的穩(wěn)定的側(cè)向支撐。

圖10：X-core及其示意圖

   
    K-Cor® 也是利用Z-Fiber®針縱向加強。與X-Core不同，將露出來的Z-Fiber®和泡沫表面壓平，如圖11所示。

圖11：K-core及其示意圖

使用 Z-Fiber®加強PMI泡沫，據(jù)Aztex資料介紹，和未加強的泡沫材料相比較，剪切強度可以提高四倍以上，壓縮強度十倍以上，提高損傷容限，可以適應(yīng)高溫或常溫共固化工藝，可以最大限度的實現(xiàn)芯材的優(yōu)化，其破壞方式為延性破壞。目前已用在了Sikorsky – RAH-66 直升機的地板等位置，替代NOMEX®蜂窩芯。

       Webcore 公司使用碳纖維或玻璃纖維在閉孔泡沫的厚度方向上縫合。根據(jù)不同的要求，使用不同的泡沫材料和不同的纖維產(chǎn)品，主要用在液體樹脂注射成型工藝中。TYCOR A使用碳纖維縫線增強，主要用在航天航空領(lǐng)域，例如Boeing Huntington Beach，CH-47 和X-45 起落架艙門，如圖12所示。TYCOR B使用玻璃纖維縫線增強，主要用在船舶，鐵路車輛等工業(yè)領(lǐng)域，如圖13所示。

圖12：TYCOR A 板材


圖13：TYCOR B 板材

九、 結(jié)論

隨著復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在使用過程中出現(xiàn)的一系列問題，國內(nèi)外航天航空界研究人員將目光轉(zhuǎn)向了高性能的聚合物泡沫材料芯材，主要是PMI泡沫材料。在夾層結(jié)構(gòu)構(gòu)件中使用泡沫芯既可以降低制造成本，也能作為結(jié)構(gòu)材料。如果僅僅作為結(jié)構(gòu)材料考慮，泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)和蜂窩芯夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計相比主要在重量方面處于劣勢。但是，如果在使用周期內(nèi)作一個綜合的比較，泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)考慮到制造和維護方面的優(yōu)勢，仍然是一個比較好的選擇。如何將泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)的缺點降到最低，提高芯材-蒙皮之間的界面性能，是將來泡沫夾層結(jié)構(gòu)面臨的主要問題，結(jié)合國內(nèi)外的最新研究和應(yīng)用表明：縫紉或針刺是提高泡沫芯材性能的有效途徑。