玻璃鋼復(fù)合材料船舶夾層結(jié)構(gòu)中的泡沫芯材結(jié)構(gòu)泡沫芯材的歷史回顧玻璃鋼/復(fù)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）、丙烯月青-苯乙烯（SAN）、聚醚酰亞胺（PEI）及聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）等泡沫，其中PS和PUR泡沫通常僅作為浮力材料，而不是結(jié)構(gòu)用途。目前PVC泡沫已幾乎完全代替PUR泡沫而作為結(jié)構(gòu)芯材，只是在一些現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡的結(jié)構(gòu)中除外。嚴(yán)格意義上講，第一種用在承載構(gòu)件夾層結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)泡沫芯材是使用異氰酸酯改性的PVC泡沫，或稱交聯(lián)PVC。第一個(gè)采用PVC泡沫夾芯的夾層結(jié)構(gòu)是保溫隔熱車廂。交聯(lián)PVC的生產(chǎn)工藝是由德國(guó)人林德曼在上世紀(jì)30年代后期發(fā)明的。二次大戰(zhàn)以后法國(guó)將該工藝列入戰(zhàn)爭(zhēng)賠償中，由克勒貝爾蕾洛雷特塑料公司（KleberRenolit）開始生產(chǎn)Klegecell?交聯(lián)PVC泡沫，主要是一些用在保溫隔熱車廂中的低密度產(chǎn)品。上世紀(jì)50-60年代，克勒貝爾蕾洛雷特塑料公司給幾家歐洲公司發(fā)放了PVC泡沫的生產(chǎn)許可證。另外兩家美國(guó)公司，B.F歌德雷奇（B.FGoodrich）和佳士邁威（Johns-Manville）也買到了許可證開始生產(chǎn)，但是幾年以后就停產(chǎn)。當(dāng)所有的生產(chǎn)許可證都過期以后，交聯(lián)PVC的生產(chǎn)工藝過程轉(zhuǎn)為公開。進(jìn)入70年代以后，多數(shù)原來的歐洲許可生產(chǎn)廠家也已停產(chǎn)。目前兩個(gè)主要的生產(chǎn)廠家是戴博（Diab）公司的Divinycell?和Klegecell?系列PVC泡沫及愛瑞柯斯（Airex）公司的Herex?系列PVC泡沫。20世紀(jì)40年代后期，林德曼使用高壓氣體作為發(fā)泡劑，制造出未經(jīng)過改性的PVC泡沫，也叫線性PVC泡沫。英國(guó)于1943年首先制成聚苯乙烯泡沫塑料，1944年美國(guó)道化學(xué)有限公司用擠出法大批量的生產(chǎn)聚苯乙烯泡沫塑料。第二次世界大戰(zhàn)期間，德國(guó)拜爾的試驗(yàn)人員對(duì)二異氰酸酯及羥基化合物的反應(yīng)進(jìn)行研究，制得了PUR硬質(zhì)泡沫塑料、涂料和粘合劑。1952年，拜爾公司報(bào)道了軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的研究成果。1993年，加拿大的ATC公司開始生產(chǎn)SAN泡沫。其制造工藝和線性PVC相似。PMI泡沫是由德國(guó)羅姆（Rohm）公司于1966年首先用丙烯青、甲基丙烯青、丙烯酰胺和甲基丙烯酸酯熱塑性樹脂在180oC下發(fā)泡并交聯(lián)制作聚甲基丙烯酰亞胺泡沫的技術(shù)，接著日本的積水化學(xué)公司于1967年使用輻射交聯(lián)方法制作聚甲基丙烯酰亞胺泡沫。夾層結(jié)構(gòu)的工作原理及優(yōu)點(diǎn)

作為孔隙材料芯材可以起到減輕結(jié)構(gòu)的重量，增加結(jié)構(gòu)的剛度，提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度等作用。夾層結(jié)構(gòu)一般是由上面板、上面板與芯材的粘結(jié)層、芯材、下面板與芯材的粘結(jié)層以及下面板所構(gòu)成，這五個(gè)要素組成了一個(gè)整體的夾層結(jié)構(gòu)。夾層結(jié)構(gòu)傳遞荷載的方式類似于工字梁（見圖1），上下面板（翼板）主要承受由彎矩引起的面內(nèi)拉壓應(yīng)力和面內(nèi)剪應(yīng)力，而芯材（腹板）主要承受由橫向力產(chǎn)生的剪應(yīng)力（見圖2）。圖1工字梁和夾層結(jié)構(gòu)的對(duì)比SkinGoreSkinShearSkinTension圖2夾層結(jié)構(gòu)對(duì)稱間支梁的彎曲為了使夾層結(jié)構(gòu)的各要素能協(xié)同承載，面板與芯材之間的粘接層必須能傳遞荷載，這樣至少應(yīng)具備和芯材一樣的強(qiáng)度。通常，如果加載以后，夾層結(jié)構(gòu)的芯材發(fā)生破壞，其破壞位置一般位于粘接層下面的芯材部分，因?yàn)檎辰訉有静谋砻娴目紫吨杏捎谔畛淞四z粘劑/樹脂，提高了粘接層泡沫的強(qiáng)度。選擇正確的膠粘劑對(duì)夾層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度也有非常重要的意義，通常在選擇膠粘劑的時(shí)候除了強(qiáng)度以外，還需要考慮使用溫度、煙霧條件及其與芯材的面板材料的兼容性。如果選擇與面板材料共固化，則膠粘劑或膠膜的固化條件需要與面板的共固化條件相一致。結(jié)構(gòu)構(gòu)造村彎曲剛度h（kgm-ni寬度）『重量/(kgm1)Q夾層結(jié)構(gòu)：『一層的無捻粗紗布一層45。性血】的短切纖維氈=成厚度60kg'm5PVC泡沫芯材尸一層毛。昏d：的無捻粗紗布一層S15的短切纖維氈019舞7.47^非夾層結(jié)構(gòu)：/七層的無捻粗紗布擔(dān)六層毛嗎皿：的短切纖維氈e0.187432。一汕表1夾層結(jié)構(gòu)和非夾層結(jié)構(gòu)的剛度和重量之對(duì)比表1中的結(jié)構(gòu)構(gòu)造是常見的FRP船舶中的鋪層設(shè)計(jì)?？梢钥闯觯趶澢鷦偠认嘟那闆r下，夾層結(jié)構(gòu)的重量比非夾層結(jié)構(gòu)減輕很多。泡沫夾層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)還有：良好的隔熱和隔音性能、抗沖擊損傷性能及施工簡(jiǎn)便性等。在夾層結(jié)構(gòu)中由于芯材是孔隙材料，整個(gè)夾層結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)和R值均比非夾層結(jié)構(gòu)低。由于層合板的層數(shù)減少，降低了鋪層制作成型的工作量，同時(shí)因?yàn)閵A層結(jié)構(gòu)的剛度較高，減少了加筋的數(shù)量，這有利于沖擊荷載的擴(kuò)散。此外，孔隙芯材還能降低船舶航行中的噪聲。泡沫芯材的性能和應(yīng)用對(duì)于芯材，除了剪切模量和強(qiáng)度以外，還需考慮材料的其他性能特點(diǎn)。壓縮強(qiáng)度與承受局部荷載的性能相關(guān)，這種局部荷載包括工具的墜落、拖船調(diào)船時(shí)由拖柱、帶纜樁和吊環(huán)等產(chǎn)生的局部荷載。圖3和圖4表示了不同泡沫芯材的剪切模量和剪切強(qiáng)度，圖5為幾種常見泡沫芯材的壓縮強(qiáng)度。由于泡沫材料是孔隙塑料，還需要根據(jù)設(shè)計(jì)夾層構(gòu)件的溫度要求，參考泡沫的熱變形溫度來選擇適當(dāng)?shù)呐菽静摹３Ｒ娕菽臒嶙冃螠囟葏⒁妶D5。3035404550556065707580859095100105110密度（kg/m3] I刈切強(qiáng)度|MPa]30 50 70 90 110密度[kgrm3!壓縮強(qiáng)度[MPa]3035404550556065707580859095100105密度[Icg/ni3]KOHACELLIQsundiidPg

linearKOHACELLIQsundiidPg

linearPgtrflM-l'ril250200150100SO交聯(lián)PVC泡沫：這種泡沫是由熱塑性的PVC和交聯(lián)熱固性聚氨酯組成，通常簡(jiǎn)稱交聯(lián)PVC泡沫，其主要產(chǎn)品型號(hào)為Divinycell、Klegecell以及HerexC。交聯(lián)PVC的強(qiáng)度和剛度比線性PVC的高，但是韌性要差。交聯(lián)PVC泡沫的熱穩(wěn)定溫度為120oC。所以在和環(huán)氧預(yù)浸料共同使用時(shí)，需要注意PVC的熱蠕變性能。使用溫度范圍為-240oC—+80oC，并且能夠耐多種化學(xué)物質(zhì)腐蝕。盡管PVC泡沫是可燃材料，但阻燃型的PVC泡沫可用于有嚴(yán)格防火要求的結(jié)構(gòu)中，例如列車車廂等。但是需要注意的是PVC在燃燒以后，會(huì)產(chǎn)生HCl。PVC泡沫耐苯，所以能夠和聚酯樹脂共同使用。PVC泡沫主要用在一些不需要壓力罐的工藝中。選擇固化工藝方法時(shí)，應(yīng)慮及PVC泡沫在溫度升高時(shí)會(huì)釋放氣體，在采用RTM工藝時(shí)需要注意。交聯(lián)PVC泡沫通常用于船底、舷部、甲板、艙壁及上層建筑中。主要廠商WAirex和Diab公司，有多種不同的型號(hào)和密度可供選擇。線性PVC泡沫：這類泡沫具有高的韌性、良好的抗沖擊性能、能量吸收性能和耐疲勞性能。線性PVC泡沫的強(qiáng)度和剛度相對(duì)交聯(lián)PVC來講要低。在施工過程中需要注意的是，樹脂中的笨會(huì)滲透到泡沫里面，使樹脂固化不完全，同時(shí)引起泡沫降解。這種泡沫通常用于船體受沖擊荷載比較大的部位，例如船底和舭舷部。目前主要產(chǎn)品是Airex公司的AirexR63系列。PS泡沫：曾廣泛用在船舶、沖浪板制造行業(yè)。雖然其具有重量輕（40kg/m3），成本低，易于機(jī)械加工等主要優(yōu)點(diǎn)，但因力學(xué)性能差，很少在高性能結(jié)構(gòu)構(gòu)件中使用。另外，這種泡沫不能和聚酯樹脂同時(shí)使用，因?yàn)闃渲泻械谋綍?huì)降解泡沫。PUR泡沫：與其他泡沫相比，其力學(xué)性能一般，樹脂/芯材界面易產(chǎn)生老化，從而導(dǎo)致面板剝離。作為結(jié)構(gòu)材料使用時(shí)，常用作層合板的縱、橫桁條或加強(qiáng)筋之芯材。有時(shí)PUR泡沫也能用于受載較小的夾層板中，起到隔熱或隔音的作用。該類泡沫的使用溫度是150oC左右，吸聲性能良好，其成形非常簡(jiǎn)單，但是機(jī)械加工過程中易碎或掉渣。PUR泡沫價(jià)格相對(duì)便宜，發(fā)泡工藝也比較簡(jiǎn)單，采用液體發(fā)泡。國(guó)內(nèi)國(guó)外有眾多的生產(chǎn)廠商。SAN泡沫：它屬于熱塑性材料，如加拿大ATC公司生產(chǎn)的Corecell?泡沫，主要是針對(duì)船舶市場(chǎng)而開發(fā)的。發(fā)泡制作工藝和線性PVC的工藝基本相同。性能也和線性PVC基本相同，熱穩(wěn)定性能比線性PVC好，相當(dāng)于普通交聯(lián)PVC。大多數(shù)情況下，在船舶結(jié)構(gòu)中可以用SAN泡沫代替線性PVC泡沫。PEI泡沫：由聚醚酰亞胺/聚醚砜發(fā)泡而成，具有很高的使用溫度和良好的防火性能，不過其價(jià)位相對(duì)較高，但是這種泡沫可以在兼有結(jié)構(gòu)要求和防火要求的部位使用，其使用溫度為-194oC—+180oC。由于能滿足嚴(yán)格的防火阻燃要求，適合在飛機(jī)和列車內(nèi)使用。目前市場(chǎng)上有Airex公司的AirexR82之PEI泡沫。PMI泡沫：在相同密度的條件下，PMI是強(qiáng)度和剛度最高的泡沫材料。其高溫下耐蠕變性能使得該泡沫能夠適用高溫固化的樹脂和預(yù)浸料。PMI泡沫經(jīng)適當(dāng)?shù)母邷靥幚硪院螅軡M足190oC的固化工藝對(duì)泡沫尺寸穩(wěn)定性的要求，適用與環(huán)氧或BMI樹脂共固化的夾層結(jié)構(gòu)構(gòu)件中°PMI泡沫是采用固體發(fā)泡工藝制作，其為孔隙基本一致、均勻的100%閉孔泡沫。目前市場(chǎng)上有德國(guó)德固賽(Degussa)公司生產(chǎn)的ROHACELL?和日本積水化學(xué)公司生產(chǎn)的FORMAC?之PMI泡沫。泡沫芯材的加工機(jī)械加工泡沫芯材：大多數(shù)泡沫芯材可以使用木工工具加工或成形，包括帶鋸，車削，穿孔，打磨和仿形。在切割過程中，因?yàn)椴牧系膶?dǎo)熱系數(shù)低，高密度泡沫的給進(jìn)速度應(yīng)略低一些，否則材料會(huì)發(fā)熱，甚至燒焦。在加工泡沫以前，最好先和制造廠家聯(lián)絡(luò)，因?yàn)槊糠N泡沫的性能都有不同的特點(diǎn)。加工泡沫材料時(shí)，使用的鋸條要求相鄰的鋸齒拌開，這樣在鋸切過程中，通過鋸齒帶出切割過程中產(chǎn)生的鋸屑，然后用真空裝置吸除。特殊分格板：對(duì)于不同的用途，泡沫芯材的廠家可以提供各種不同的分格板，滿足各種夾層結(jié)構(gòu)外形的需要。其一面用玻璃纖維網(wǎng)格粘接，泡沫切成1"x1"的正方形小塊，這樣泡沫板就可以自由變形；另外一種是兩面切割，或三個(gè)方向切割。泡沫還是切割成1"x1"的正方形小塊，但是切割的深度是整個(gè)厚度的2/3。這樣泡沫板芯材有了一定的自由變形能力，但是這樣切割的主要目的為了使樹脂流動(dòng)，且手糊過程中排出氣體，此外一般廠家還可以提供表面有溝槽的泡沫芯材，表面溝槽的深度一般為0.12"，在面板相對(duì)較厚情況下，用作真空注射過程中的樹脂流動(dòng)通道。泡沫芯材的使用材料的準(zhǔn)備：泡沫材料必須在干燥的環(huán)境下保存，否則會(huì)影響其與面板的粘接。同時(shí)，對(duì)于PMI泡沫應(yīng)予以特別的注意，因?yàn)镻MI泡沫在吸水后，熱蠕變性能會(huì)下降。泡沫上的灰塵應(yīng)使用真空吸塵器吸除，或用壓縮空氣吹除，但要記住，千萬不能用水或什么其他的液體沖洗。沖洗的結(jié)果只能使灰塵進(jìn)入泡沫表面的開孔中。某些強(qiáng)烈的溶劑(例如丙酮)還有可能降解表面的泡沫材料，降低芯材與面板的粘接強(qiáng)度。清潔干凈的泡沫表面與面板粘接后，一般粘接強(qiáng)度不會(huì)出什么問題。FRP泡沫夾層板的制作：泡沫幾乎適用于所有的FRP成型制作工藝。復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的主要成型工藝有：手糊/噴射成型，真空袋/注射成型及預(yù)浸料/熱壓罐成型等。在手糊/噴射工藝中，芯材與面板之間的粘接非常重要。一般常見的船舶泡沫夾層板依次由膠衣層，短切氈層，外面板FRP鋪層，泡沫芯材和內(nèi)面板FRP鋪層。必須注意的是在內(nèi)外面板與泡沫之間，需要加上一層特別的粘接基層，將泡沫與面板材料粘接。這層的材料是CBA（CoreBondAdhesive，例如Divilette,Corebond,Baltekbond等）或富樹脂的CSM（短切氈）。CSM的最小厚度為225g/m2，樹脂與纖維的重量比為3：1左右。CSM浸潤(rùn)樹脂以后，在泡沫表面涂覆與層合板相同的樹脂，以填充泡沫表面的開孔，然后埋入CSM中。泡沫芯材埋入CSM或CBA的過程可以使用真空袋輔助均勻加壓。在使用真空袋的工藝中，如果泡沫芯材是有切口的分格板，在加壓以后，泡沫均勻地壓入粘接基層中，樹脂或CBA就填入泡沫切口。大多數(shù)的真空袋工藝的過程是：在底部面板鋪層的基礎(chǔ)上，先加泡沫粘接基層，再鋪設(shè)泡沫夾層，然后使用真空袋將泡沫壓入粘接基層中。當(dāng)采用真空輔助成型工藝時(shí)，則需要在泡沫上面覆蓋一層剝離層，剝離層外面是透氣氈，透氣氈的外面才是真空袋膜。剝離層常常采用一層薄的尼龍膜，而透氣氈的作用是使真空壓力能均勻施壓在泡沫的表面。另外一種能確保泡沫芯材的切口能被全部填充的方法是使用樹脂注射工藝。其工藝過程為：先將未浸膠的玻璃纖維和芯材鋪設(shè)在模具中，再使用真空袋密封，待抽真空以后，注入樹脂，浸潤(rùn)纖維和芯材。通常將樹脂分散傳遞到構(gòu)件各個(gè)部位的方法是利用泡沫芯材表面的溝槽或切口，來引導(dǎo)樹脂的流動(dòng)。采用這種工藝方法制作的夾層結(jié)構(gòu)具有纖維含量高、鋪層時(shí)間不受限制、不需要手糊樹脂并進(jìn)行壓實(shí)等優(yōu)點(diǎn)。另外一種高端的工藝過程是預(yù)浸料/熱壓罐或真空袋成型。由于PVC泡沫通常的固化溫度不超過80oC，在加溫加壓以后，泡沫孔隙中的氣體會(huì)釋放出來，從而破壞芯材與面板之間的粘接。但如果PVC泡沫經(jīng)過特殊的熱處理，則可以達(dá)到120oC，1Bar以上，例如DivinycellHT,KlegecellTR,和Airlite/HerexC71，而且熱處理還會(huì)提高泡沫的熱尺寸穩(wěn)定性，即泡沫的熱蠕變性能。泡沫、巴薩木和蜂窩之間的對(duì)比多年以來，船舶制造中使用的芯材是巴薩（Balsa）輕木，更多情況下也使用普通的木膠合板。這類材料相對(duì)成本較低，具有很高的壓縮強(qiáng)度，但是比泡沫要重（一般密度都大于100kg/m3），而且容易吸水，最終腐爛。和Balsa相比，泡沫芯材輕，吸水少，耐腐蝕。泡沫的疲勞性能和耐久性也比Balsa好。但是有些情況下，例如