玻璃钢复合材料船舶夹层结构中的泡沫芯材

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1、玻璃钢复合材料船舶夹层结构中的泡沫芯材结构泡沫芯材的历史回顾玻璃钢復合材料（FRP/CM）中常用的泡沫芯材有聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚氨酯（PUR）、丙烯腈-苯乙烯（SAN）、聚醚酰亚胺（PEI）及聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）等泡沫，其中PS和PUR泡沫通常仅作为浮力材料，而不是结构用途。目前PVC泡沫已几乎完全代替PUR泡沫而作为结构芯材，只是在一些现场发泡的结构中除外。严格意义上讲，第一种用在承载构件夹层结构中的结构泡沫芯材是使用异氰酸酯改性的PVC泡沫，或称交联PVC。第一个采用PVC泡沫夹芯的夹层结构是保温隔热车厢。交联PVC 的生产工艺是由德国人林德曼在上世纪30年代后期

2、发明的。二次大战以后法国将该工艺列入战争赔偿中，由克勒贝尔蕾洛雷特塑料公司（Kleber Renolit）开始生产Klegecell交联 PVC 泡沫，主要是一些用在保温隔热车厢中的低密度产品。上世纪5060年代，克勒贝尔蕾洛雷特塑料公司给几家欧洲公司发放了 PVC泡沫的生产许 可证。另外两家美国公司，B.F歌德雷奇（B.F Goodrich）和佳士迈威（Johns-Manville）也 买到了许可证开始生产，但是几年以后就停产。当所有的生产许可证都过期以后，交联PVC 的生产工艺过程转为公开。进入70年代以后，多数原来的欧洲许可生产厂家也已停产。目前 两个主要的生产厂家是戴博（Diab）公司

3、的Divinycell和Klegecell系列PVC泡沫及爱瑞 柯斯（Airex）公司的Herex系列PVC泡沫。20世纪40年代后期，林德曼使用高压气体作为发泡剂，制造出未经过改性的PVC泡沫，也叫线性 PVC 泡沫。英国于1943年首先制成聚苯乙烯泡沫塑料，1944年美国道化学有限公司用挤出法大批量的生产聚苯乙烯泡沫塑料。第二次世界大战期间，德国拜尔的试验人员对二异氰酸酯及羟基化合物的反应进行研究，制得了 PUR硬质泡沫塑料、涂料和粘合剂。1952年，拜尔公司报道了软质聚氨酯泡沫塑料的研究成果。1993年，加拿大的ATC公司开始生产SAN泡沫。其制造工艺和线性PVC相似。PMI泡沫是由德国

4、罗姆（Rohm）公司于1966年首先用丙烯腈、甲基丙烯腈、丙烯酰胺 和甲基丙烯酸酯热塑性树脂在180oC下发泡并交联制作聚甲基丙烯酰亚胺泡沫的技术，接着 日本的积水化学公司于1967年使用辐射交联方法制作聚甲基丙烯酰亚胺泡沫。夹层结构的工作原理及优点作为孔隙材料芯材可以起到减轻结构的重量，增加结构的刚度，提高结构的强度等作用。夹层结构一 般是由上面板、上面板与芯材的粘结层、芯材、下面板与芯材的粘结层以及下面板所构成，这五个要素组 成了一个整体的夹层结构。夹层结构传递荷载的方式类似于工字梁（见图1）,上下面板（翼板）主要承受 由弯矩引起的面内拉压应力和面内剪应力，而芯材（腹板）主要承受由横向力产

5、生的剪应力（见图2）。图1工字梁和夹层结构的对比SkinShearCareSkinTension图2夹层结构对称间支梁的弯曲为了使夹层结构的各要素能协同承载，面板与芯材之间的粘接层必须能传递荷载，这样至少应具备和 芯材一样的强度。通常，如果加载以后，夹层结构的芯材发生破坏，其破坏位置一般位于粘接层下面的芯 材部分，因为粘接层芯材表面的孔隙中由于填充了胶粘剂/树脂，提高了粘接层泡沫的强度。选择正确的 胶粘剂对夹层结构的强度也有非常重要的意义，通常在选择胶粘剂的时候除了强度以外，还需要考虑使用 温度、烟雾条件及其与芯材的面板材料的兼容性。如果选择与面板材料共固化，则胶粘剂或胶膜的固化条 件需要与面

6、板的共固化条件相一致。結构构造诃弩曲刚度#(kg m- ni 宽(kg m1) Q夬层结构：d一层航筠的无捻粗纱布: 一层的短切紆维毡 1才厚度60kgm5PVC 沫芯 材p一层病昭虫：的无捻粗纱布J 一层S 1 5 的短切纤维毡198非夹层结构：A七层的无捻粗纱布屮 六层若賠曲的短切紆维毡丰0.1874320.90表1夹层结构和非夹层结构的刚度和重量之对比表1中的结构构造是常见的FRP船舶中的铺层设计。可以看出，在弯曲刚度相近的情况下，夹层结构 的重量比非夹层结构减轻很多。泡沫夹层结构的优点还有：良好的隔热和隔音性能、抗冲击损伤性能及施工简便性等。在夹层结构中 由于芯材是孔隙材料，整个夹层结

7、构的导热系数和R值均比非夹层结构低。由于层合板的层数减少，降低 了铺层制作成型的工作量，同时因为夹层结构的刚度较高，减少了加筋的数量，这有利于冲击荷载的扩散。 此外，孔隙芯材还能降低船舶航行中的噪声。泡沫芯材的性能和应用对于芯材，除了剪切模量和强度以外，还需考虑材料的其他性能特点。压缩强度与承受局部荷载的性 能相关，这种局部荷载包括工具的坠落、拖船调船时由拖柱、带缆桩和吊环等产生的局部荷载。图3和图4 表示了不同泡沫芯材的剪切模量和剪切强度，图5为几种常见泡沫芯材的压缩强度。由于泡沫材料是孔隙塑料，还需要根据设计夹层构件的温度要求，参考泡沫的热变形温度来选择适当 的泡沫芯材。常见泡沫的热变形温

8、度参见图5。30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100105 110 密度（kg/m3I剪切强度|MPa30507090110誉度kgrm3!压缩强度MPa30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100105密度Icg/ni3KOHACELL IQPVC, linearsundiidWJW250200150100SO交联PVC泡沫：这种泡沫是由热塑性的PVC和交联热固性聚氨酯组成，通常简称交联PVC泡沫，其主要 产品型号为Divinycell、Klegecell以及Herex C。交联PVC的强度和刚度

9、比线性PVC的高，但是韧性要 差。交联PVC泡沫的热稳定温度为120oC。所以在和环氧预浸料共同使用时，需要注意PVC的热蠕变性 能。使用温度范围为-240oC +80oC,并且能够耐多种化学物质腐蚀。尽管PVC泡沫是可燃材料，但阻 燃型的PVC泡沫可用于有严格防火要求的结构中，例如列车车厢等。但是需要注意的是PVC在燃烧以后， 会产生HCl。PVC泡沫耐苯，所以能够和聚酯树脂共同使用。PVC泡沫主要用在一些不需要压力罐的工艺中。选择 固化工艺方法时，应虑及PVC泡沫在温度升高时会释放气体，在采用RTM工艺时需要注意。交联PVC泡 沫通常用于船底、舷部、甲板、舱壁及上层建筑中。主要厂商有Air

10、ex和Diab公司，有多种不同的型号和 密度可供选择。线性PVC泡沫：这类泡沫具有高的韧性、良好的抗冲击性能、能量吸收性能和耐疲劳性能。线性PVC 泡沫的强度和刚度相对交联PVC来讲要低。在施工过程中需要注意的是，树脂中的笨会渗透到泡沫里面， 使树脂固化不完全，同时引起泡沫降解。这种泡沫通常用于船体受冲击荷载比较大的部位，例如船底和舭 舷部。目前主要产品是Airex公司的Airex R 63系列。PS泡沫：曾广泛用在船舶、冲浪板制造行业。虽然其具有重量轻（40kg/m3），成本低，易于机械加 工等主要优点，但因力学性能差，很少在高性能结构构件中使用。另外，这种泡沫不能和聚酯树脂同时使 用，因为

11、树脂中含有的苯会降解泡沫。PUR泡沫：与其他泡沫相比，其力学性能一般，树脂/芯材界面易产生老化，从而导致面板剥离。作 为结构材料使用时，常用作层合板的纵、横桁条或加强筋之芯材。有时PUR泡沫也能用于受载较小的夹层 板中，起到隔热或隔音的作用。该类泡沫的使用温度是150乂左右，吸声性能良好，其成形非常简单，但 是机械加工过程中易碎或掉渣。PUR泡沫价格相对便宜，发泡工艺也比较简单，采用液体发泡。国内国外 有众多的生产厂商。SAN泡沫：它属于热塑性材料，如加拿大ATC公司生产的Corecell泡沫，主要是针对船舶市场而开 发的。发泡制作工艺和线性PVC的工艺基本相同。性能也和线性PVC基本相同，热

12、稳定性能比线性PVC 好，相当于普通交联PVC。大多数情况下，在船舶结构中可以用SAN泡沫代替线性PVC泡沫。PEI 泡沫：由聚醚酰亚胺/聚醚砜发泡而成，具有很高的使用温度和良好的防火性能，不过其价位相对 较高，但是这种泡沫可以在兼有结构要求和防火要求的部位使用，其使用温度为-194oC+ 180oC。由于 能满足严格的防火阻燃要求，适合在飞机和列车内使用。目前市场上有Airex公司的Airex R82之PEI泡 沫。PMI泡沫：在相同密度的条件下，PMI是强度和刚度最高的泡沫材料。其高温下耐蠕变性能使得该泡 沫能够适用高温固化的树脂和预浸料。PMI泡沫经适当的高温处理以后，能满足190oC的

13、固化工艺对泡沫 尺寸稳定性的要求,适用与环氧或BMI树脂共固化的夹层结构构件中。PMI泡沫是采用固体发泡工艺制作， 其为孔隙基本一致、均匀的100%闭孔泡沫。目前市场上有德国德固赛（Degussa）公司生产的ROHACELL 和日本积水化学公司生产的FORMAC之PMI泡沫。泡沫芯材的加工机械加工泡沫芯材：大多数泡沫芯材可以使用木工工具加工或成形，包括带锯，车削，穿孔，打磨和 仿形。在切割过程中，因为材料的导热系数低 ，高密度泡沫的给进速度应略低一些，否则材料会发热，甚 至烧焦。在加工泡沫以前，最好先和制造厂家联络，因为每种泡沫的性能都有不同的特点。加工泡沫材料 时，使用的锯条要求相邻的锯齿拌

14、开，这样在锯切过程中，通过锯齿带出切割过程中产生的锯屑，然后用 真空装置吸除。特殊分格板：对于不同的用途，泡沫芯材的厂家可以提供各种不同的分格板，满足各种夹层结构外形 的需要。其一面用玻璃纤维网格粘接，泡沫切成1 x 1 的正方形小块，这样泡沫板就可以自由变形；另外 一种是两面切割，或三个方向切割。泡沫还是切割成1 x 1的正方形小块，但是切割的深度是整个厚度的 2/3。这样泡沫板芯材有了一定的自由变形能力，但是这样切割的主要目的为了使树脂流动，且手糊过程中 排出气体，此外一般厂家还可以提供表面有沟槽的泡沫芯材，表面沟槽的深度一般为0.12 ，在面板相对 较厚情况下，用作真空注射过程中的树脂流

15、动通道。泡沫芯材的使用材料的准备：泡沫材料必须在干燥的环境下保存，否则会影响其与面板的粘接。同时，对于PMI泡沫 应予以特别的注意，因为PMI泡沫在吸水后，热蠕变性能会下降。泡沫上的灰尘应使用真空吸尘器吸除， 或用压缩空气吹除，但要记住，千万不能用水或什么其他的液体冲洗。冲洗的结果只能使灰尘进入泡沫表 面的开孔中。某些强烈的溶剂（例如丙酮）还有可能降解表面的泡沫材料，降低芯材与面板的粘接强度。 清洁干净的泡沫表面与面板粘接后，一般粘接强度不会出什么问题。FRP泡沫夹层板的制作：泡沫几乎适用于所有的FRP成型制作工艺。复合材料夹层结构的主要成型工 艺有：手糊喷射成型，真空袋注射成型及预浸料热压罐

16、成型等。在手糊喷射工艺中，芯材与面板之间的粘接非常重要。一般常见的船舶泡沫夹层板依次由胶衣层， 短切毡层，外面板FRP铺层，泡沫芯材和内面板FRP铺层。必须注意的是在内外面板与泡沫之间，需要加 上一层特别的粘接基层，将泡沫与面板材料粘接。这层的材料是CBA （Core Bond Adhesive，例如 Divilette, Corebond, Baltekbond等）或富树脂的CSM （短切毡）。CSM的最小厚度为225g/m2，树脂 与纤维的重量比为3： 1左右。 CSM 浸润树脂以后，在泡沫表面涂覆与层合板相同的树脂，以填充泡沫表 面的开孔，然后埋入CSM中。泡沫芯材埋入CSM或CBA的过

17、程可以使用真空袋辅助均匀加压。在使用真空袋的工艺中，如果泡沫芯材是有切口的分格板，在加压以后，泡沫均匀地压入粘接基层中， 树脂或CBA就填入泡沫切口。大多数的真空袋工艺的过程是：在底部面板铺层的基础上，先加泡沫粘接基 层，再铺设泡沫夹层，然后使用真空袋将泡沫压入粘接基层中。当采用真空辅助成型工艺时，则需要在泡 沫上面覆盖一层剥离层，剥离层外面是透气毡，透气毡的外面才是真空袋膜。剥离层常常采用一层薄的尼 龙膜，而透气毡的作用是使真空压力能均匀施压在泡沫的表面。另外一种能确保泡沫芯材的切口能被全部填充的方法是使用树脂注射工艺。其工艺过程为：先将未浸 胶的玻璃纤维和芯材铺设在模具中，再使用真空袋密封

18、，待抽真空以后，注入树脂，浸润纤维和芯材。通 常将树脂分散传递到构件各个部位的方法是利用泡沫芯材表面的沟槽或切口，来引导树脂的流动。采用这 种工艺方法制作的夹层结构具有纤维含量高、铺层时间不受限制、不需要手糊树脂并进行压实等优点。另外一种高端的工艺过程是预浸料/热压罐或真空袋成型。由于PVC泡沫通常的固化温度不超过 80oC，在加温加压以后，泡沫孔隙中的气体会释放出来，从而破坏芯材与面板之间的粘接。但如果PVC 泡沫经过特殊的热处理，则可以达到120oC，1Bar以上，例如Divinycell HT, Klegecell TR,和 Airlite/Herex C71,而且热处理还会提高泡沫的热

19、尺寸稳定性，即泡沫的热蠕变性能。泡沫、巴萨木和蜂窝之间的对比多年以来，船舶制造中使用的芯材是巴萨（Balsa）轻木，更多情况下也使用普通的木胶合板。这类材 料相对成本较低，具有很高的压缩强度，但是比泡沫要重（一般密度都大于100kg/m3），而且容易吸水， 最终腐烂。和Balsa相比，泡沫芯材轻，吸水少，耐腐蚀。泡沫的疲劳性能和耐久性也比Balsa好。但是 有些情况下，例如局部荷载很高或交叉接头的位置（例如：引擎安装处或楔子周围），Balsa要优于泡沫材 料。如果使用高密度泡沫，价格相对Balsa要高很多。蜂窝材料例如Nomex （芳纶纸和酚醛树脂）和铝蜂窝常用在航空领域，因为它们具有的高强度、高 温稳定性和轻质的特点。但是蜂窝在船舶制造中存在许多的缺点：蜂窝和面板的粘接接触面积相对较小， 抗疲劳性能较差；蜂窝的开孔容易渗水导致芯材和面板的粘接破坏等等。结论泡沫芯材在造船行业的应用越来越普遍，泡沫芯材有各种各样不同的类型、密度和使用方法。在使用设计泡沫芯材夹层结构的过程中，芯材的选择非常关键。必须考虑到使用环境、固化方法、荷载要求和综 合成本等诸多因素.