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[复合材料] 夹芯材料简介

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发表于 2016-9-2 08:42:01 | 显示全部楼层 |阅读模式
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一、原理

      自二十世纪四十年代低密度的夹芯材料就已用于复合材料,它可提高弯曲强度、降低重量。具有相同负荷能力的夹层结构要比实体层状结构轻好几倍。夹芯材料能够降低单位体积的成本、削弱噪音与震动、增加耐热、抗疲劳和防火性能等。夹芯材料的作用机理是将剪切力从表皮层传向内层,使两个表皮层在静态和动态载荷下都能保持稳定,并且吸收冲击能来提供抗破坏性能。

二、分类

       用于复合材料夹层结构的夹芯材料主要有:硬质泡沫、蜂窝和轻木三类。
①硬质泡沫主要有聚氯乙烯(PVC)、聚氨酯(PU)、聚醚酰亚胺(PEI)和丙烯腈-苯乙烯(SAN或AS)、聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)、发泡聚酯(PET)等。
②蜂窝夹芯材料有玻璃布蜂窝、NOMEX蜂窝、棉布蜂窝、铝蜂窝等。蜂窝夹层结构的强度高,刚性好,但蜂窝为开孔结构,与上下面板的粘接面积小,粘接效果一般没有泡沫好。
③轻木夹芯材料是一种天然产品,市场常见的轻木夹芯主要产自南美洲的种植园,由于气候原因,轻木在当地生长速度特别快,所以比普通木材轻很多,且其纤维具有良好的强度和韧性,特别适合用于复合材料夹层结构。

三、应用领域

       夹芯材料的应用领域广阔,涉及能源、航空航天、船舶、交通运输、建筑等领域。

航空航天
       飞机的主要部件,如机身,机翼和尾翼可采用PVC泡沫夹芯材料复合结构,同时使用丁二烯。在生产中不必进行高压高温处理。飞机的重量得以减轻。直升飞机最新一代复合螺旋桨叶采用密度较低、可耐大多数溶剂且可经受高压蒸煮温度和压力的PMI泡沫夹芯材料。它采用传统预浸工艺制造。这种新型复合螺旋桨叶的寿命可达10000h/L,是先前金属桨叶寿命的十倍。今天超轻型竞赛飞机、飞机模型和现代"超级风车"的桨叶都使用了轻质木质夹芯材料。

船舶
       常规的交联PVC泡沫己在船舶中广泛应用。瑞士海军的护卫舰使用了28、13.5、0.09m片状构造的丁二烯蜂窝夹芯材料。聚氨酯(PU)发泡夹芯材料也常用于船舶的建造。80kg/m&sup3;高密度泡沫可应用于承载部件如船舷等;80~120kg/m&sup3;的泡沫专门用作甲板和上部构造的芯材。硬质PU泡沫广泛用于水槽、绝缘板、结构性填料和充空填料。大型冷藏拖网鱼船很多是整体成型的夹芯构,用玻璃布制作内外蒙皮,夹芯材料的厚度为100mm。该类船具有轻质、高强、耐海水腐蚀、抗微生物附着以及吸收撞击能。很多游艇的船底、表面使用了标准的轻质木,以保证最大的剪切和挤压强度;船前部和甲板使用了密度较低的轻质木;隔壁面板室内地板和家具也使用了轻质木夹芯材料。
       在多杂物(浮木等)漂浮的巴拿马运河中营运的快速渡轮,其抗破坏能力应是首先考虑的,其次是总重量轻以保证渡轮的速度。由于这些原因,一种线型PVC泡沫芯材被选作船壳底材,另一类型的PVC泡沫芯材作船壳侧面材料和舷侧突出部。部件使用玻纤增强表皮层和真空袋膜工艺;甲板和船舱侧面使用横纹轻质木夹芯材料,其表面用交联环氧树脂/玻纤板材做舱房表皮层,以保证渡轮达到ABS标准。

交通运输
      交联的PVC夹芯材料在铁路运输中得到广泛应用,并用于公共汽车和有轨 电车及摩托车等。一级方程式赛车模仿自然蜂窝结构,使用空心六边形管相互作用增强原理制作芯材。赛车具有高的抗冲击强度和能量吸收能力。比赛用自行车也采用这种蜂窝结构芯材。法国制造的铁路冷藏车采用PVC泡沫夹芯材料提高隔热效果。其它夹芯材料用于运输车辆主要是利用它们的绝缘性,如聚异氰酸酯绝缘泡沫塑料等。

建筑
       夹芯材料在建筑上的应用十分广泛。在内外墙上使用纤维板、胶合板等各种夹芯材料,使墙壁具有隔音、隔热、轻质、高强等优点。由于顶棚强度要求不太高,只要求重量轻、刚性好,有一定防火、保温性能,其次是美观和价格便宜,安装方便,因此通常采用各种纤维芯材和PE钙塑泡沫芯材等。其它夹芯材料用在建筑上主要是利用它们的绝缘性。

风能
      夹芯材料是风电叶片的关键材料之一,为增加结构刚度,防止局部失稳,提高整个叶片的抗载荷能力,在叶片的前缘、后缘以及剪切肋等部位,一般都会采用夹层结构。
      用于风电叶片的夹芯材料主要有交联PVC泡沫、Balsa轻木和PET泡沫。典型的设计方案是,把强度较高的Balsa轻木(密度为150 kg/m&sup3;)用于承受载荷较大的靠近叶根的部位,交联PVC泡沫(密度为60 kg/m&sup3;)用于承载较小的靠近叶尖的部位,从叶根向叶尖方向,夹芯材料的厚度逐渐减小。也有叶片厂家只使用Balsa轻木或泡沫。

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