复合材料泡沫夹层结构的材料和应用

PET泡沫的性能及应用前景已有107 次阅读2010-11-24 14:59|个人分类:塑料工艺在夹层结构中，夹芯材料的强度和刚度比表层材料低很多，但其在夹层结构中起到的却是“四两拨千斤”的神奇效果，可以大大提高结构的刚度和抗载荷能力。

加铝（Alcan）复合材料集团芯材事业部的姚辉介绍了该公司推出的新型PET泡沫AIREX?T92，其力学性能大大增强，特别是剪切延伸率得到了空前提高。

该泡沫可以作为夹芯材料应用于风电叶片、轨道交通、船舶和工业应用等各个领域。

表1: T92与T91的力学性能数据对比（以T91的性能为100%）表2: T92.100与C70/C71的力学性能数据对比（以T92.100的性能为100%）加铝复合材料集团芯材事业部的PET泡沫AIREX®T90和T91自2005年推出以来取得了巨大成功，已被广泛应用于风电叶片、轨道交通、船舶和工业应用等领域。

通过生产AIREX®T90和T91，AIREX®积累了丰富的经验和精湛的技艺，这也使其成功研发并推出新的PET泡沫AIREX®T92。

本文对该新型PET泡沫AIREX®T92的静、动态力学性能，高低温下的力学性能和前景进行了介绍。

表3: T92.130与C70/C71的力学性能数据对比（以T92.130的性能为100%）*其中C70.55密度为60 kg/m3，C70.75密度为80 kg/m3，C71.55密度为60 kg/m3，C71.75密度为80 kg/m3。

静态力学性能AIREX®T92系列含有三个密度的产品，分别为：T92.100，T92.110，T92.130，密度规格依次为105 kg/m3，115 kg/m3和135 kg/m3。

本文将T92的力学性能与T91对应产品的力学性能进行了比较，列于表1；还将T92的力学性能与常用的PVC泡沫AIREX®C70和C71相关产品进行了比较，结果列于表2和表3。

复合材料蜂窝夹层结构在飞机中的应用摘要：飞机结构设计的基本原则是在满足强度要求的情况下使结构尽可能轻，这一要求必然导致需利用稳定的薄蒙皮承受拉伸载荷和压缩载荷，以及剪切、扭转、弯曲载荷的耦合作用。

传统的飞机结构设计中使用了纵向加强件和增稳桁条、翼肋和隔框等结构加强蒙皮，这样不可避免会带来结构增重问题。

提高结构比刚度的有效结构形式之一是夹层结构，复合材料夹层结构具有重量轻、强度刚度好，耐热、吸声隔音、抗冲击、耐疲劳等特点，已被广泛应用于航空航天中。

关键词：复合材料；蜂窝夹层；飞机；结构设计蜂窝夹层结构复合材料是50年代末发展起来的一种轻质、高强、各向异性的复合材料。

蜂窝夹层结构的密度小,可以明显的减轻结构重量;它的导热系数低,可以作为绝热和保温构件使用;它的比强度和比刚度高,可根据特殊的要求进行各向异性设计与制造。

因此长期以来备受航空、航天等领域的关注,尤其在航空工业中,蜂窝夹层结构复合材料己成功的大量应用于飞机的主、次承力结构件,如机翼、机身、尾翼和雷达罩等部位。

由于飞机飞行的环境条件比较苛刻,要求飞机用材料不仅有足够的强度、抗冲击性和刚度,而且还需良好的耐疲劳性、阻燃性、减重及抗腐蚀等许多特殊要求。

为了使飞机能正常进行飞行,在对所选用的材料性能进行全面的分析后,还需探索清楚构件性能与成型工艺之间的规律,这是材料应用的重要环节。

一、蜂窝夹芯结构的特点1、发挥复合效应的优越性。

夹层结构复合材料是由各组分材料经过复合工艺形成的,但它并不是由几种材料简单的复合,而是按复合效应形成新的性能,这种复合效应是夹层结构复合材料仅有的。

例如当夹芯板承受弯曲载荷时,上蒙皮被拉伸,下蒙皮被压缩,芯子传递剪切力。

从力学角度分析,它与工字梁很相似,面板相当于工字梁的翼缘,芯材相当于工字梁的腹板。

不同的是芯材与面板不是同一材料,芯材是分散的,而不是集中在狭腹板上。

由于轻质夹芯的高度比面板高出几倍,剖面的惯性距随之四次方增大,且面板有夹芯支持不易失稳。

夹层结构复合材料设计原理及其应用
夹层结构复合材料是一种由两层或多层材料组成的复合材料，其中夹层材料通常是一种轻质、高强度的材料，如泡沫塑料、蜂窝结构、铝合金等，而外层材料则通常是一种高强度、高刚度的材料，如碳纤维、玻璃纤维等。

夹层结构复合材料的设计原理是通过组合不同的材料，以达到优化材料性能的目的。

夹层结构复合材料的应用非常广泛，特别是在航空航天、汽车、建筑等领域。

在航空航天领域，夹层结构复合材料被广泛应用于飞机机身、机翼、尾翼等部件中，以提高飞机的强度和刚度，同时减轻重量，提高燃油效率。

在汽车领域，夹层结构复合材料被应用于车身、底盘等部件中，以提高汽车的安全性能和燃油效率。

在建筑领域，夹层结构复合材料被应用于建筑外墙、屋顶等部件中，以提高建筑的抗风、抗震性能，同时减轻建筑重量，降低建筑成本。

夹层结构复合材料的设计原理是通过选择不同的材料，以达到优化材料性能的目的。

例如，在航空航天领域，夹层结构复合材料通常由碳纤维和泡沫塑料组成，碳纤维提供高强度和高刚度，泡沫塑料提供轻质和吸能性能。

在汽车领域，夹层结构复合材料通常由玻璃纤维和铝合金组成，玻璃纤维提供高强度和高刚度，铝合金提供轻质和耐腐蚀性能。

在建筑领域，夹层结构复合材料通常由钢板和聚氨酯泡沫组成，钢板提供高强度和高刚度，聚氨酯泡沫提供轻质和隔热性能。

夹层结构复合材料是一种非常重要的材料，它具有轻质、高强度、高刚度、吸能性能等优点，被广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。

夹层结构复合材料的设计原理是通过选择不同的材料，以达到优化材料性能的目的。

未来，随着科技的不断发展，夹层结构复合材料将会得到更广泛的应用。

夹层结构复合材料的应用
夹层结构复合材料广泛应用于各个领域，包括航空航天、汽车、船舶、建筑、体育用品等。

在航空航天领域，夹层结构复合材料被广泛应用于飞机机身、机翼、尾翼等部件上，以提高飞机的强度、刚度和降低重量。

复合材料具有高强度和优秀的抗腐蚀性能，能够满足航空航天领域对材料的高要求。

在汽车领域，夹层结构复合材料被用于汽车车身和结构件中，以提高汽车的强度和安全性能，减少燃料消耗和碳排放。

复合材料具有高比强度和高比刚度，可以减轻汽车的自重，提高燃油利用率。

在船舶领域，夹层结构复合材料被应用于船体、桅杆、舵柄等部件中，以提高船舶的强度和耐久性。

复合材料具有良好的抗海水腐蚀性能和防霉性能，能够延长船舶的使用寿命。

在建筑领域，夹层结构复合材料被用于建筑的外墙、屋顶和构件中，以提高建筑的防火性能、抗地震性能和节能性能。

复合材料具有低导热性能和优异的耐磨性能，能够减少建筑的能耗。

在体育用品领域，夹层结构复合材料被应用于运动器材如高尔夫球杆、网球拍、滑雪板等中，以提高器材的强度、刚度和耐用性。

复合材料具有优秀的振动吸收性能和抗冲击性能，能够提供更好的运动体验。

总体而言，夹层结构复合材料在各个领域中都有广泛应用，通过其独特的性能和优势，为各行业带来了许多创新和发展机会。

复合材料夹层结构在航空领域的运用◎孙锐（作者单位：航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司工程技术部）设计人员在实际开展飞机结构设计工作时，始终面对强结构以及高效率这一要求。

各类结构在设计过程中都需要满足不失稳这一需求，尤其是在受到拉力、压力以及剪切荷载作用力的情况下结构不会发生改变。

在航空领域当中应用复合材料夹层结构是其发展的主要趋势与方向，也是在社会经济不断发展过程中提出的客观要求。

现阶段夹层结构在飞机结构设计中使用的范围不断拓宽，这充分说明复合材料夹层结构在航空领域起到的作用与价值。

一、常用芯材的客观分析1.蜂窝芯材的特性。

蜂窝材料具有各向异性的特点。

蜂窝因为存在开孔结构，不适用湿法工艺或树脂注射工艺（如RTM 树脂传递模塑）。

铝蜂窝或芳纶纸蜂窝具有压缩模量高和重量轻的优点，它们是飞机结构上广泛使用的夹芯材料。

但在某些情况下如面板出现裂纹和孔隙时，水或水汽就很容易进入蜂窝。

温度下降后，进入蜂窝孔中的水被冰冻后体积会发生膨胀，将破坏邻近蜂窝孔格的粘接，降低了夹层结构的性能，这时必须对蜂窝材料进行维修。

强度以及比刚度较高，是铝蜂窝这一结构材料的明显特征。

剪切载荷较大的部位是铝蜂窝层结构应用的主要位置，一般会利用金属板材作为面板使用。

在一定重量条件下，铝蜂窝夹芯材料可以最大限度降低自身厚度。

同时这也是其缺陷，在壁厚太薄的影响下，蜂窝表面可能会有严重的局部失稳出现。

在同一阶段内使用铝蜂窝以及碳纤维面板时，无法顺利结合两种材料。

在膨胀系数方面，上述两种材料具备相当大的差异，所以会导致明显的固化变形问题出现。

两种材料之间极易发生电化学腐蚀问题。

没有恰当处理电绝缘是导致其出现的主要原因。

2.泡沫芯材的特征。

在隔热以及隔音能力方面，硬质聚氨酯泡沫远远高于其他泡沫，工艺简单、价格便宜是硬质聚氨酯泡沫的明显优势与特征，但是其存在力学性能较差这一缺陷，在机械加工中极其容易出现易碎或者掉渣的问题。

已成型的复合材料层压板蒙皮腔体内是注射硬质聚氨酯泡沫的最终位置。

复合材料中常见的夹芯材料介绍1、夹芯结构材料定义夹芯结构材料（sandwich material），又叫夹层结构材料，是一种复合材料夹层结构。

夹层结构材料的整体受力原理类似工字梁。

夹层结构材料的面板承受由弯矩引起的面内正应力和面内剪切应力，芯材主要承受由面板传来的横向剪切应力，与此同时还具有稳定两块面板，防止局部屈服的作用。

夹层结构材料具有优良的比刚度和比强度，即在同等刚度和强度下，重量更低。

此外，夹层结构材料还具有削弱噪音与震动、隔热、抗疲劳、阻燃、吸声、隔震等优点。

夹层结构材料通过合理选择芯材和面板，可以有效降低材料的单位体积成本。

常用的夹层结构材料芯材主要分为三类：硬质泡沫、蜂窝和轻木。

硬质泡沫主要有：聚氯乙烯（PVC）、聚醚酰亚胺（PEI）、聚氨酯（PU）、聚乙烯（PET）、聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）。

蜂窝：常见的蜂窝芯材有NOMEX蜂窝、铝蜂窝、棉布蜂窝、玻璃布蜂窝等。

轻木：轻木芯材是一类天然可再生芯材，原料为巴尔沙轻木2、夹芯材料的应用介绍通常夹层结构材料的强度要高于单独的面板材料或芯材刚度、强度，且重量、成本等均低于单一材料，因此被广泛应用于建筑、公路运输、轨道交通、航空、传播、风电等领域。

芯材是风电叶片关键材料之一，在叶片的前缘、后缘以及腹板等部位，一般采用夹层结构来增加结构刚度，防止局部失稳，提高整个叶片的抗载荷能力。

叶片常用芯材为PVC 泡沫和Balsa。

随着风电市场的日趋成熟，叶片向大型化方向发展，对叶片的重量、质量、成本以及材料的一致性提出新的要求。

现已开发出不同的新型芯材，逐渐在风能行业中得到应用和认可，主要包括聚对苯二甲酸乙二醇酯泡沫（PET）、聚甲基丙烯酰亚胺泡沫（PMI）、聚醚酰亚胺泡沫（PEI）、丙烯腈-苯乙烯泡沫（SAN）、聚苯乙烯泡沫（PS）、纤维增强复合材料芯材等。

对于芯材，除了要求优异的力学性能外，还需考虑芯材的加工、承受的温度、制品形状以及在叶片中使用的工艺性能。