摘要：泡沫夾層結構複合材料是由面板（蒙皮）與輕質泡沫芯材組成的層狀結構複合材料。該文從泡沫夾層結構的芯材種類、泡沫夾層結構複合材料的力學效能、電效能等方面綜述了泡沫夾層結構複合材料近年來的研究現狀。
關鍵詞：泡沫夾層結構； 複合材料； 泡沫芯材； 力學效能；
The Research Progress of Foam Sandwich Structure Composite Material
XU Zhu
Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute
Abstract：
Foam sandwich composite is composed of panel（ skin） and lightweight foam core，it is a layered structure composite material。 Research status on the type of foam core sandwich structure，mechanical properties and electrical properties of the foam sandwich composites，and other aspects of foam sandwich composites in recent years were reviewed in this paper。
Keyword：foam sandwich structure； composite materials； foam core material； mechanical properties；
夾層結構是由高強度面板和輕質芯材料所構成的一種結構形式。泡沫夾層結構複合材料是採用纖維增強複合材料板材做蒙皮，泡沫塑料做夾芯材料的一種夾層結構。泡沫塑料夾層結構最大特點是質量輕、剛度大，保溫、隔熱效能好，同時又能通過選擇合適的面板、芯材和粘接劑來滿足特定條件下的使用要求。因此在運載火箭、航空、船舶、列車機車、風力發電機等領域得到了大量應用，尤其適用於剛度要求高，受力不大和保溫隔熱效能要求高的部件，如飛機尾翼、保溫通風管道等。
1 泡沫夾層結構芯材的種類
泡沫夾層結構複合材料中常用的泡沫芯材有聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚氨酯（PUR）、聚醚醯亞胺（PEI）及聚甲基丙烯醯亞胺（PMI）等，其中佔市場份額最大的是PVC泡沫芯材。在密度相同的條件下，PMI是強度和剛度最高的泡沫材料。
1。1 PVC泡沫
PVC分為未交聯PVC和交聯PVC泡沫兩種。交聯PVC的強度和剛度比未交聯PVC的高，但是韌性較差。黃自尚[1] 將熱可逆交聯技術引入聚氯乙烯泡沫材料製備，研究了綠色發泡方法獲得可熱塑反覆加工的高效能PVC泡沫材料。交聯PVC泡沫通常用於船底、舷部、甲板、艙壁及上層建築中。王雁國等[2] 以聚氯乙烯（PVC）為基體，馬來酸酐為接枝劑，異氰酸酯、三聚氰胺為交聯劑，製備出泡孔直徑分佈較為均勻、效能優異的硬質交聯PVC泡沫塑料；該硬質交聯PVC泡沫塑料的力學效能具備同瑞士Airex C70產品相當的力學效能。線形PVC泡沫是一類具有高韌性、良好抗衝擊性能、能量吸收效能和耐疲勞效能的泡沫材料，這種泡沫通常用於船體受衝擊荷載比較大的部位，例如船底和舭舷部。
1。2 PMI泡沫塑料
隨著航天航空等特殊領域的快速發展，要求芯層材料具有更高的強度、剛度和耐熱性。聚甲基丙烯醯亞胺泡沫塑料具有很好的壓縮蠕變效能[3] ，可以在120℃~180℃、0~0。5MPa的壓強下在熱壓罐中固化，能滿足預浸料固化工藝對泡沫尺寸穩定性的要求，適用共固化的夾層結構構件中。PMI泡沫採用固體發泡工藝製作，為孔隙基本一致、均勻的100%閉孔泡沫。目前對於PMI泡沫的研究多數是針對德國贏創德固賽公司的'ROHACELL的PMI泡沫效能及應用的研究，國內近年來也開始研究聚甲基丙烯醯亞胺泡沫塑料的製備方法及效能研究[4—5] 。PMI正是具有高強度重量比和較高的耐壓縮蠕變效能，而且能夠採用製造成本最低的一步共固化工藝完成，大幅度降低製造成本。廣泛應用於高速火車的車頭、高速船、直升機結構、運載火箭的主要結構等。
2 泡沫夾層結構的效能研究
2。1 泡沫夾層結構力學效能的研究
夾層結構的力學效能取決於表層和芯部材料的力學效能及幾何尺寸，其內容重要主要涉及夾層結構的強度和剛度。強度包括複合材料的拉、壓效能，剪下強度，疲勞強度和衝擊時的力學行為等。剛度是指夾層結構複合材料的拉、壓、剪下模量。
王娜等[6] 結合船用泡沫玻璃鋼夾層結構的適用理論和有限元分析方法，對泡沫玻璃鋼夾層板的彎曲強度進行分析。張富賓等[7—8] 研究了泡沫夾芯複合材料面板厚度、芯材密度對複合材料夾層樑彎曲力學效能的影響，通過三點彎曲試驗研究顯示隨著上面板厚度增大，夾層樑破壞模式由芯材壓陷破壞變為芯材剪下破壞；夾層樑極限承載力隨著上面板厚度的增大而增大。同時通過對比五種不同密度泡沫芯材複合材料夾層樑進行三點彎試驗研究，結果夾層樑極限承載力隨芯材密度的增大而增大；芯材密度的增加，夾層樑破壞模式由芯材壓陷變為面板受壓屈服破壞。
近年來國內外學者對Z向增強泡沫夾層結構的力學效能進行了研究。Z向增強泡沫夾層結構複合材料效能遠高於普通夾層結構複合材料，並優於相同密度的蜂窩夾層結構，而結構重量低於蜂窩夾層結構，其效益成本很高，是一種理想的航空用夾層結構複合材料。X—cor泡沫夾層結構是採用Z—pinning技術增強的新型夾層結構[9] ，很大程度上彌補了空白泡沫夾層結構的不足。單杭英等[10] 通過剪下效能考察了Z—pin對泡沫夾層結構的增強效果，對比X—cor夾層結構與相同材料同尺寸的未增強件和去除泡沫的夾層結構，分析研究了剪下剛度和剪下強度試驗值和理論值的對比情況。K—cor增強泡沫夾層結構是採用Z—pin技術對傳統泡沫夾層結構進行縱向增強的一種新型複合材料，具有比蜂窩夾層結構及傳統X—cor夾層結構更優越的效能。鄭瑩瑩[11] 研究了環氧K—cor夾層結構中不完全固化Z—pin的拉擠成型工藝及其壓彎工藝；採用滾筒剝離測試顯示K—cor增強泡沫夾層結構滾筒剝離強度遠遠大於X—cor增強泡沫夾層結構及空白泡沫夾層結構。
採用縫合工藝能提高泡沫夾層結構的面外效能和層間效能，楊慧等[12—13] 研究了縫合複合材料泡沫夾層結構的結構穩定性和層間剪下效能。通過壓縮穩定性試驗研究了未縫合泡沫夾層結構和不同縫合密度的縫合泡沫夾層結構的穩定性，結果表明縫合會降低泡沫夾層結構的穩定性，縫合密度增加時，泡沫夾層結構穩定性效能降低。通過層間剪下試驗研究不同縫合密度下單向帶面板和織物面板複合材料泡沫夾層結構的層間剪下強度及其變化規律，縫合泡沫夾層結構最大剪下載荷和層間剪下強度均優於未縫合泡沫夾層結構的，且層間剪下效能隨著縫合密度的增加而增加。賴家美等[14] 採用改進鎖式縫合方法，真空輔助樹脂傳遞模（VARTM）工藝製備縫合泡沫夾層結構複合材料，對其進行了三點彎曲測試，在縫合密度較大和纖維層較多的情況下，彎曲效能優異。實驗表明採用縫合泡沫夾層結構可以提高複合材料的彎曲效能。格構腹板增強型泡沫夾層結構也能提高泡沫夾層結構力學效能。格構腹板增強型泡沫夾層結構是將塊狀芯材按規則排布，以適當方式在塊狀芯材之間填放玻纖布，通過匯入樹脂固化後形成格構腹板結構。腹板能夠顯著增強了芯材的抗剪效能，提高了結構的剛度、面板與芯材的抗剝離能力，以及結構的整體承載能力。洪俊青[15] 等研究了格構腹板增強型泡沫複合材料夾層結構腹板平面內屈曲分析，研究了在平面內荷載作用下，腹板間距、腹板高度、泡沫芯材彈性模量等因素對格構腹板增強型泡沫夾層結構腹板屈曲效能的影響。黃翔等[16] 基於有限元分析軟體建立了考慮斜坡過渡區面板鋪層遞減的泡沫夾層結構的有限元模型，研究了泡沫夾層結構在單軸壓縮載荷作用下的力學行為，泡沫夾層結構坡度角在25°~30°時能夠達到提高結構承載能力及減輕結構質量的雙重目的。
在工程應用中，複合材料泡沫夾層結構很容易遭受各種外來物體的衝擊，尤其是低速衝擊。低速衝擊引起的衝擊損傷將引起復合材料泡沫夾層結構剛度及強度的急劇下降，從而對複合材料泡沫夾層結構的安全性產生威脅。王傑[17] 以碳纖維平紋織物層壓板為面板，以PUR泡沫為夾芯的複合材料夾層結構的低速衝擊及衝擊後壓縮效能進行了實驗和數值研究。
萬玉敏等[18] 採用碳纖維增強環氧樹脂預浸料鋪層作為泡沫夾層複合材料的面板，PMI泡沫作為芯材製得泡沫夾層複合材料，對比同樣材料的複合材料層合板，泡沫夾層複合材料的抗衝擊能力明顯優於複合材料層合板。李默[19] 研究了不同鋪設角度面板/泡沫夾芯複合材料準靜態侵徹和低速衝擊性質實驗和資料，為泡沫夾芯複合材料應用於T型樑、殼和平板等工程結構的防衝擊提供了理論參考。馮維超等[20] 針對泡沫夾層結構箱蓋受燃氣流衝擊的破壞形式進行了實驗和數值分析建立了三維漸進損傷模型，揭示了在衝擊條件下層合板、泡沫和膠層的損傷破壞形式。
2。2 泡沫夾層結構其他效能的研究
PMI泡沫複合材料具有眾多優良特性被廣泛應用於航天航空、軍工、船舶、汽車及高速列車等各個領域。PMI泡沫塑料是一種輕質硬質泡沫塑料，具有100%的閉孔結構，比交聯聚氯乙烯（XPVC）、聚氨酯（PUR）等硬質泡沫塑料具有更高的強度、模量和抗蠕變效能，是目前耐熱性最好的剛性結構泡沫塑料之一。PMI泡沫塑料又是一種低介電材料，張樂等[21] 研究了PMI泡沫夾層結構中PMI泡沫塑料的密度和厚度對夾層結構的高頻介電效能的影響。
PMI泡沫夾層複合材料具有優異的寬頻透波效能，被廣泛用於製備透波雷達天線罩。單忠偉等[22] 從複合材料結構原理出發，選擇石英纖維增強環氧樹脂複合材料為蒙皮，PMI泡沫為芯材的夾層結構方案，採用三維全波電磁場模擬軟體比較了不同蒙皮厚度和芯材厚度對夾層結構透波效能的影響，得到了理論最優夾層複合材料結構，可用於天線罩的寬頻透波要求。
3 結語
隨著複合材料蜂窩夾層結構在使用過程中出現的一系列問題，泡沫夾層複合材料越來越受到國內外航天航空研究人員的關注，尤其是是PMI泡沫夾層結構。泡沫夾層複合材料是複合材料領域中一個重要的市場應用，研究高效能的泡沫芯材和優化結構提高泡沫夾層複合材料的效能是拓展應用市場的關鍵。
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