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在航天航空、交通運輸結構的設計中，輕且不損失質量，是設計人員對構件最大的挑戰(zhàn)！

PART 01

復合材料夾層結構泡沫芯材

上世紀80年代末，航空公司首先提出飛機結構中應當避免使用蜂窩夾層結構，因為在使用過程中，其表面容易發(fā)生損傷，產生顯微裂紋并浸入水分。另外，蜂窩也不適用于液體樹脂注射工藝（RTM）。
在高性能復合材料領域，復合材料夾層結構是制造輕質、高強度部件的首選。其中飛機結構廣泛使用的夾芯材料，通常與碳/玻璃纖維預浸料一起使用。常見的結構有機翼前緣、方向舵、起落架艙門、翼身和翼尖整流罩等。

有數據顯示，贏創(chuàng)德固賽ROHACELL?系列泡沫的密度范圍有0.03g/cm3-0.2g/cm3，是鋁密度的1/90-1/14，是碳纖維復合材料的1/50-1/8。
想要達到同樣的力學性能，使用ROHACELL?三明治結構能在全碳纖維復合材料的重量基礎上再減重25%。

PART 02

PMI不僅僅做為一種輕質材料

#可以使用夾層結構設計來滿足強度、剛度要求。#

在相同密度的泡沫中，PMI泡沫是目前比強度和比剛度最高的硬質閉孔泡沫材料。

其中有些泡沫體是由液體組分制得時（例如聚氨酯泡沫），線彈性狀態(tài)下，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成，這些孔面會增加多孔體的剛度。

在夾層結構中，PMI泡沫材料可以作為結構性單元。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構的貢獻。主要原因是過去使用的泡沫材料，例如PUR泡沫，一般是在結構完成以后，空腔內發(fā)泡，這樣泡沫的質量，均勻性和力學性能難以保證。

PMI泡沫采用的是獨特的固體發(fā)泡技術，泡沫的質量、均勻性和力學性能都可以保證。也有計算得出，如果把PMI泡沫作為夾層結構的結構性單元，面板可以減少1－2層碳纖維鋪層。

PART 03

優(yōu)勢性能

#耐久性方面的優(yōu)勢#

泡沫夾層結構與蜂窩夾層結構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，減少了維護檢查的成本，所以泡沫夾芯結構的全壽命成本就更加經濟，盡管達到相同承剪能力時泡沫的重量要比蜂窩稍重一些。

根據國外文獻報道，20年內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。蜂窩夾層構件的維護費用使得原本質輕的優(yōu)點與泡沫夾芯結構相比不再存在。兩種材料的吸濕實驗對比見下圖。目前，艦載機型以及一些雷達透波構件（雷達罩）盡可能的避免采用蜂窩結構，減少維護成本。? ? ? ??

#PMI泡沫還具有突出的耐壓縮蠕變性能#

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)氧復合材料體系的固化需要設定的壓力，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。經過試驗，PMI泡沫能夠滿足各種固化條件的要求。

#其他優(yōu)勢性能#

?在各種溫度下都具有很好的力學性能，即使在低密度情況下

? 可承受高達220°C的高溫? 獨特的壓縮蠕變性能，可以滿足高溫180℃的共固化工藝? 良好的動力學性能? 針對不同的固化工藝，定制孔隙大小

PART 04

?PMI泡沫在航天航空夾層結構中的最新應用

PMI泡沫還廣泛應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，如下圖所示。

新一代的“虎”式直升機的發(fā)動機短艙是使用PMI泡沫 ROHACELL? XT 作為芯材，和BMI預浸料共固化。構件的長期使用溫度達到160°C。只有使用ROHACELL?XT才能實現(xiàn)共固化，降低成本的同時減輕重量。

隨著復合材料蜂窩夾層結構在使用過程中出現(xiàn)的一系列問題，國內外航天航空界研究人員將目光轉向了高性能的聚合物泡沫材料芯材，主要是PMI泡沫材料。在夾層結構構件中使用泡沫芯既可以降低制造成本，也能作為結構材料。如果僅僅作為結構材料考慮，泡沫芯夾層結構和蜂窩芯夾層結構的設計相比主要在重量方面處于劣勢。但是，如果在使用周期內作一個綜合的比較，泡沫芯夾層結構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。如何改善泡沫芯夾層結構，提高芯材-蒙皮之間的界面性能，是將來泡沫夾層結構面臨的主要問題，結合國內外的最新研究和應用表明：縫紉或針刺是提高泡沫芯材性能的有效途徑。

同時近年來隨著降低制造成本的要求，RTM工藝技術的推廣，需要有一種輕質閉孔材料來代替，而蜂窩結構不易滿足RTM工藝的要求。

? 適用于液體樹脂注射工藝（RST）

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（樹脂轉注模）的技術，生產高性能夾層結構構件。目的是為了簡化生產過程，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，構件能達到使用高質量的預浸料的效果。
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工藝生產夾層結構復合材料，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。??