3、泡沫芯材的性能和應(yīng)用
對于芯材，除了剪切模量和強度以外，還需考慮材料的其他性能特點。材料的其他性能特點。壓縮強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、拖船和吊船時由拖柱、帶纜樁和吊環(huán)等產(chǎn)生的局部荷載。圖和圖4表示了不同泡沫芯材的剪切模量和剪切強，圖5為幾種常見泡沫芯材的壓縮強度。由于泡沫材料是孔隙塑料，還需要根據(jù)設(shè)計夾層構(gòu)件的溫度要求，參考泡沫的熱變形溫度來選擇適當?shù)呐菽静?。常見泡沫的熱變形溫度參見圖6。
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，通常簡稱交聯(lián)PVC泡沫，其主要產(chǎn)品型號為Divinycell、Klegecell以及Herex C。交聯(lián)PVC的強度和剛度比線性PVC的高，但是韌性要差。交聯(lián)PVC泡沫的熱穩(wěn)定溫度為120℃。所以在和環(huán)氧預(yù)浸料共同使用時，需要注意PVC的熱蠕變性能。使用溫度范圍為-240℃~-80℃，并且能夠耐多種化學物質(zhì)腐蝕。盡管PVC泡沫是可燃材料，但阻燃型的PVC泡沫可用于有嚴格防火要求的結(jié)構(gòu)中，例如列車車廂等。但是需要注意PVC在燃燒以后，會產(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，應(yīng)慮及PVC泡沫在溫度升高時會釋放氣體，在采用RTM工藝時需要注意。交聯(lián)PVC泡沫通常用于船底、舷部、甲板、艙壁及上層建筑中。主要廠商有Airex和Diab公司，有多種不同的型號和密度可供選擇。
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泡沫的強度和剛度相對交聯(lián)PVC來講要低。在施工過程中需要注意的是，樹脂中的苯會滲透到泡沫里面，使樹脂固化不完全，同時引起泡沫降解。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Airex R 63系列。
PS泡沫。曾廣泛用在船舶、沖浪板制造行業(yè)。雖然其具有質(zhì)量輕(40kg/ m3)，成本低，易于機械加工等主要優(yōu)點，但因力學性能差，很少在高性能船舶結(jié)構(gòu)構(gòu)件中使用。另外，這種泡沫不能和聚酯樹脂同時使用，因為樹脂中含有的苯會降解泡沫。
PUR泡沫。與其他泡沫相比，其力學性能一般，樹脂／芯材界面易產(chǎn)生老化，從而導致面板剝離。作為結(jié)構(gòu)材料使用時，常用作層合板的縱、橫桁材或加強筋之芯材。有時PUR泡沫也能用于受載荷較小的夾層板中，起到隔熱或隔音的作用。該類泡沫的使用溫度是150。C左右，吸聲性能良好，其成形非常簡單，但是機械加工過程中易碎或掉渣。PUR泡沫價格相對便宜，發(fā)泡工藝也比較簡單，采用液體發(fā)泡，國內(nèi)國外有眾多的生產(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Co recell泡沫，主要是針對船舶市場而開發(fā)的。發(fā)泡制作工藝與線性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，不過其價位相對較高。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，其使用溫度為一194。C～+180℃。由于能滿足嚴格的防火阻燃要求，適合在飛機和列車內(nèi)使用。目前市場上有Airex公司的Airex R82之PEI泡沫。
PMI泡沫。在相同密度的條件下，PMI是強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?shù)母邷靥幚硪院螅軡M足190。aa
4、 泡沫芯材的加工
機械加工泡沫芯材。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。在切割過程中，因為材料的導熱系數(shù)低，密度泡沫的給進速度應(yīng)略低一些，否則材料形會發(fā)熱，否則材料會發(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)，因為每種泡沫的性能都有不同的特點。加工泡沫材料時，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。最常見的泡沫分格板如圖7所示。其一面用玻璃纖維網(wǎng)格粘接，泡沫切成2. 54cm X2. 54cm的正方形小塊，這樣泡沫板就可以自由變形，另外一種是2面切割，或3個方向切割。泡沫還是切割成2. 54cm X2. 54cm的正方形小塊，但是切割的深度是整個厚度的2／3，參見圖8。這樣泡沫板芯材有了一定的自由變形能力，但切割的主要目的是為了使樹脂流動，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，參見圖9。表面溝槽的深度一般為3mm，在面板相對較厚情況下，用作真空注射過程中的樹脂流動通道。
5、泡沫芯材的使用
材料的準備。泡沫材料必須在干燥的環(huán)境下保存，否則會影響其與面板的粘接。同時，對于PMI泡沫應(yīng)予以特別的注意，因為PMI泡沫在吸水后，熱蠕變性能會下降。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，千萬不能用水或其他的液體沖洗。沖洗的結(jié)果只能使灰塵進入泡沫表面的開孔中。某些強烈的溶劑（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度。清潔干凈的泡沫表面與面板粘接后，一般其粘接強度不會出什么問題。
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。材料是CBA（Core Bond Adhesive，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子L，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)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。當采用真空輔助成型工藝時，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，浸潤纖維和芯材。通常將樹脂分散傳遞到構(gòu)件各個部位的方法是利用泡沫芯材表面的溝槽或切口，來引導樹脂的流動。采用這種工藝方法制作的夾層結(jié)構(gòu)具有纖維含量高、鋪層時間不受限制、不需要手糊樹脂并進行壓實等優(yōu)點。
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80。C，在加溫加壓以后，泡沫孔隙中的氣體會釋放出來，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，則可以達到120℃、0. lMPa以上，例如Divinycell HT，Klegecell TR，和Airlite/ Herex C71．而且熱處理還會提高泡沫的熱尺寸穩(wěn)定性，即泡沫的熱蠕變性能。
根據(jù)樹脂或預(yù)浸料的固化溫度要求，表2中列出了常見的樹脂和預(yù)浸料適用的泡沫類型。
6、 泡沫、巴薩木和蜂窩之間的對比
多年以來，船舶制造中使用的芯材是巴薩(Bal-sa)輕木，更多情況下也采用普通的木膠合板。這類材料相對成本較低，具有很高的壓縮強度，但是比泡沫要重，一般密度都大于l00kg/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，例如局部荷載很高或交叉接頭的位置，例如引擎安裝處或楔子周圍，Balsa要優(yōu)于泡沫材料。如果使用高密度泡沫，價格相對Balsa要高很多。
蜂窩材料例如Nomex（芳綸紙和酚醛樹脂）和鋁蜂窩常用在航空領(lǐng)域，因為它們具有高強度、高溫穩(wěn)定性和輕質(zhì)的特點。但是蜂窩在船舶制造中存在許多缺點，蜂窩和面板的粘接接觸面積相對較小，抗疲勞性能較差，蜂窩的開子L容易滲水，導致芯材和面板的粘接破壞等等。
7、結(jié)論
泡沫芯材在造船行業(yè)的應(yīng)用越來越普遍，泡沫芯材有各種各樣不同的類型、密度和使用方法。在使用、設(shè)計泡沫芯材夾層結(jié)構(gòu)的過程中，芯材的選擇非常關(guān)鍵。必須考慮到使用環(huán)境、固化方法、荷載要求和綜合成本等諸多因素。
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