PMI硬质泡沫在汽车复合材料结构夹层结构中的应用 2014-10-31.pdf

1 PMI硬质泡沫在汽车复合材料结构夹层结构中的应用 胡培 ， 尹君 赢创特种化学 (上海 )有限公司 春东路 55号 ， 闵行 ， 上海 Tel: +86 (021) 6119 1373 email: pei.hu@ 胡培 ， 工学硕士 现任职于赢创特种化学 （ 上海 ） 有限公司 ， 担任 ROHACELL®泡沫产品 亚太区高级业务发展经理 1998年 ， 同济大学复合材料 专业研究生毕业 2001年 加入赢创工业集团至今 摘要 与没有泡沫夹层结构的层压板相比 ， 泡沫夹层结构 能够显著的提高结构的强度和刚度 文章总结了 复合材料 结构中夹层结构的最新应用 ， 对比了蜂窝和泡沫在设计、工艺和使用过程的差异性针对夹层结构的不同设计方式 ， 做了详细的介绍；同时针对不同的泡沫对比了其动态剪切模量和压缩蠕变性能针对常用的工艺 ， 介绍了如何选择泡沫的密度和类型以及最新的泡沫芯材的型号 针对 目前 汽车 复合 材料 结构 量大低成本 的特点 ， 结合复杂的大型三维结构 ， 夹层结构 的制造成本和生产周期却是个无法回避的劣势 采用 PMI 泡沫模具内发泡技术 ， 能够对具有复杂形状的 芯材 进行高生产率的规模量产 。

1、 夹层结构 原理概述 和 芯材的选择 复合材料夹层结构通常采用先进复合材料做面板 ， 其夹芯为轻质材料夹层结构的弯曲刚度性能主要取决于面板的性能和两层面板之间的高度 ， 高度越大其弯曲刚度就越大夹层结构的 芯材 主要承受剪应力并支持面板不失去稳定性 ， 通常这类结构的剪力较小选择轻质材料作为夹芯 ， 可较大幅度地减轻构件的重量当然 ， 对于面板很薄的夹层结构 ， 还应考虑抗冲击载荷的能力 ， 所以面板的最小厚度必须满足一定的条件此外 ， 夹层结构的使用经验还表明 ：在从成本方面评估夹层结构时 ， 不仅要考虑制造成本 ， 还必须考虑 使用期的全寿命成本 目前 汽车 夹层结构主要的使用位置有： 前盖 ， 后盖 ， 地板 ， 门等 通过在两层面板中加入轻质的 芯材 ， 夹层结构 能够有效地优化结构的受力状态 ， 其主要原理是增加结构的截面惯性矩 ， 将弯曲应力转化为拉升应力 表 1 比较了不同结构中最大弯曲 刚度和抗弯强度 这三个结构具有相同厚度的表面铺层 ， 以及不同厚度的夹芯 运用 夹层结构 理论 ， 我们可以用较少的铺层材料 ， 而达到比较高的结构强度 。

2 图 1 夹层结构 的最大理论 弯曲 刚度和弯曲 强度 厚度 重量 弯曲 刚度 弯曲 强度 t = 1 1 1 1 t = 2 ~ 1 ~12 ~ 6 t = 4 ~ 1 ~ 48 ~ 12 夹层结构 可以运用在多个领域 在航空制造领域 ， 这是进行减重最重要的结构 风机叶片在大规模生产中也会采用这个结构 然而 ， 虽然有很强的需求 ， 夹层结构 仍然没有广泛的运用在三维结构的部件中 这主要是因为其生产工艺复杂 ， 很难大规模量产运用到具有复杂三维结构的部件中 芯材 能够极大地影响 夹层结构 部件的性能 它主要承受压缩应力和剪切应力 同时 ， 应当能够很好的与表面铺层进行粘合 当然 ， 重量越轻越好 另外在满足机械性能的同时 ， 易加工型是需要重点考虑的 很多材料都可以作为 芯材 使用 比如 ， 铝蜂窝就可以作为聚合物泡沫的一个替代材料 ， 其具有较高的抗压强度 ， 低密度 ， 以及大部分聚合物材料所不具备的不可燃特性 但是由于蜂窝结构的开放结构 限制了其在 芯材 中的使用 而且虽然蜂窝具有很高的抗压强度 ， 但是这个特性只适用于一个方向 ， 这决定了蜂窝 夹层结构 只能运用在近二维结构中 。

对于三维结构 ， 由于蜂窝无法承受三维方向上的载荷 ， 所以无法与各向同性材料竞争 t2t4t3 夹 层 结 构 的 芯 材蜂 窝 芯 泡 沫 芯波 纹 板 芯 、 巴 莎木金 属 蜂 窝 非 金 属 蜂 窝P S 泡 沫 P U R 泡 沫S A N 泡 沫P E I泡 沫 P M I泡 沫P V C 泡 沫（ 线 性 P V C 和 交 联 P V C 泡 沫 ）P E T 泡 沫图 2、复合材料夹层结构的常见芯材 通常在夹层结构设计中 ， 泡沫材料的密度（ 50kg/m3-120kg/m3）比蜂窝 密度 （ 32 kg/m3 或 48kg/m3）要高 ， 剪切强度也低于同样密度的蜂窝材料 ， 这也是目前蜂窝材料的应用多于泡沫材料的原因 但是泡沫在工艺、设计和使用过程中 ， 也有其独特的优势 目前 ， 先进 复合材料夹层 结构中最常用的泡沫芯材是 赢创 工业 集团 生产 的 PMI 泡沫： PMI （ Polymethacrylimide， 聚甲基丙烯酰亚胺 ） 泡沫在进行适当的高温处理后 ， 能承受高温的复合材料固化工艺要求 ， 这样使得 PMI 泡沫在 先进复合材料 领域得到了广泛的应用。

中等密度的 PMI 泡沫具有很好的压缩蠕变性能 ， 可以在 120oC -180oC温度、 0.3-0.5MPa的压力下热压罐固化 PMI泡沫能满足通常的预浸料固化工艺的蠕变性能要求 ， 从工艺的角度来讲 ， 蜂窝和泡沫相比 ， 机械加工相对简单；对于复杂形状 ， 可以通过热成型的方法对芯材成型泡沫夹层结构和蜂窝夹层结构相比 ， 能够适应更高的共固化温度和压力 ， 不需要进行填充处理在同样的共固化条件下 ， 泡沫夹层结构的复 合材料蒙皮的力学性能相对要高另外 ， 泡沫芯材还能直接用于各种液体树脂成型工艺 ， 例如各种树脂转移模塑工艺等 从设计的角度来讲 ， 除了常用的全高度夹层结构和蒙皮夹层结构以外 ， 还 可以设计泡沫填充帽形加筋条结构 另外泡沫的力学性能是各向同性 ， 而蜂窝是各向异性在复杂的受力状态下 ， 泡沫比蜂窝更能满足结构和强度要求 在使用过程中 ， 泡沫因为是闭孔结构 ， 和开孔的蜂窝结构相比 ， 具有较低的吸水率 ， 减少维修成本 选择合适 的泡沫材料 ， 需要考虑下面几个 因素 4  长期使用温度 ， 可以 参见 泡沫材料动态剪切模量选择泡沫的规格  工艺要求。

根据固化工艺的温度、压力和时间 ， 确定满足压缩蠕变要求的泡沫规格和型号  密度要求 ， 通常选择的泡沫密度在 50kg/m3-120kg/m3之间  树脂的粘度例如液体树脂成型 ， 推荐使用细小泡沫孔隙的型号 ， 减少泡沫表面树脂吸收率 ， 减轻结构重量 2、夹层结构主要设计形式 设计 示意图 刚度 重量 铺层工作量 组装工作量 适合的芯材 全高度夹层结构 ++ + ++ ++ 蜂窝和泡沫 蒙皮夹层结构 + ++ + 0 蜂窝和泡沫 泡沫填充帽形加筋条 + + 0 ++ 泡沫 图 3、复合材料夹层结构主要设计 形式 对 于 结构高度大的 结构 ， 采用 蒙皮 夹层结构能明显减轻重量 对于结构高度小的结构（ 例如 定风翼 ） ， 采用全高度夹层结构代替梁肋式结构也能带来明显的减重效果夹层结构最大的优点是具有较大的弯曲刚度和强度 在弯曲和轴向压力作用下 ， 薄壁复合材料结构常常会发生稳定破坏 ， 失稳破坏总是在材料到达压缩破坏强度以前 ， 在受压部位出现 ， 为此工程师常常设计加筋条结构 对于常用的加筋板 ， 图 4（ a）中 ， 加筋板分 3 步制造 ， 包括面板固化、加筋条固化和二次胶接。

尽管可以通过一些高效率、低成本的方法 ，例如挤出工艺制造出加强筋 ， 但是由于采用了二次胶接 ， 抵消了成本优势另外一种方法是加强筋和面板采用共固化工艺 ， 如图 4（ b）所示 ， 设计中可以采用和树脂有相同固化周期的胶膜来提高胶接面整体性加强筋可以经过预固化或者未经预固化 ， 这样加强筋和蒙皮结合在一起图 4（ c）中 ， 增加了设计尺度 ， 这也带来微观的设计图 4（ d）是放弃整个 I 形加强筋的概念 ， 采用泡沫填充帽形加筋条的设计方法和 空心的帽形加筋条结构 相比 ， 避免了帽筋条 的侧壁产生失稳 ， 导致结构过早破坏 5 图 4、加筋板的设计 (a) 机械连接或者胶接 (b) 共 固化 (c) 整体铺层 (d) 全新设计 图 5、 空心 帽形加 筋条和 PMI泡沫 填充帽形加筋 条轴压载荷 /应变曲线 泡沫填充 帽形 加筋条的面内压缩强度和空心加筋条相比 ， 在结构出现初始失稳时 ， 失稳载荷 提高 约 100%（图 5)芯材主要承受和加强筋侧表面垂直方向的拉应力和压应力 ， 避免在 碳纤维 /环氧 复合材料 面板达到屈服强度前 ， 结构过早地发生失稳破坏 。

对于常用的夹层结构共固化工艺 ， 例如泡沫填充帽形加筋条结构 ， 芯材还作为蒙皮复合材料的芯模 ， 起到工艺辅助材料的功能 ， 在复合材料蒙皮或面板的固化压力和温度条件下 ， 提供足够的尺寸稳定性 ， 保证蒙皮或面板能够压实泡沫和蜂窝相比 ， 更加适合于共固化工艺 3、 PMI刚性泡沫的生产 聚合物刚性泡沫能够允许用户使用数控加工或者热变性成型的方式 ， 来加工成用户所需要的形状 由赢创工业集团 Evonik Industries AG 生产的 PMI 刚性泡沫就具有这样的特性 PMI 泡沫是由 MAA 和MAN共聚反应而成 (见图 6) 6 图 6、 MAA和 MAN共聚反应 与其它的聚合物泡沫相比 ， ROHACELL® PMI硬质泡沫提供极其优越的比强度 而且能够在 180°C高温下耐受很高的压力 ， 这使其作为很多应用和工艺方法的首选材料 4、 PMI泡沫的模具内发泡技术 在实际使用中 ， 过高的数控加工成本让这种工艺难以运用在大规模的量产中 由于碳纤维量产技术的飞跃 ， 对于高性能复杂形状的夹芯泡沫的市场需求也在不断的增长 ROHACELL® Triple F是一种颗粒状的泡沫 芯材 ， 专门用于模具内发泡工艺 ， 由赢创工业集团 Evonik Industries AG研发 。

这种技术能够通过减少材料损耗 ， 降低人工成本 ， 缩短工艺时间 ， 有效地降低了单件制件的成本 在这种工艺中 ， PMI泡沫聚合 板被粉碎为颗粒 ， 并且通过预发泡来获得想要的密度 这一步非常重要 ， 即必须在聚合物中保留一定数量的发泡剂 然后将这些颗粒装入封闭的模具内加热 ， 发泡会重新开始 ，这些颗粒将不断的增大 由于模具型腔的限制 ， 这些颗粒会不断地变形 ， 并且最终填满整个模具型腔 冷却阶段中 ， 这些聚合物会回到稳定的状态 ， 然后就可以开模取出具有与模具一致形状的泡沫芯 (见图7) 图 7 PMI泡沫模具内发泡的生产步骤 通过实验 ， 我们发现通过颗粒发泡的泡沫材料 ， 其性能低于完整发泡工艺的泡沫 通过将ROHACELL® IG-F和 ROHACELL® Triple F进行对比试验 ， 抗压强度以及抗剪切强度都发生了显著的降低 ， 这主要是由于颗粒之间较低的结合力造成的 为了改善这一问题 ， 在预发泡的颗粒中需要加入粘合剂 在模具内发泡时 ， 高温会让粘合剂融化 ， 在冷却后形成颗粒之间良好的粘结强度 。

这极大地7 改善了泡沫芯材的机械强度 ， 在高密度的应用中 ， 甚至能够达到正常工艺生产的 ROHACELL® 泡沫 (见图 8) 图 8、 ROHACELL® IG-F和 ROHACELL® Triple F 采用 /不采用粘合剂的压缩强度 。