5　PMI泡沫材料和蜂窩材料的對比

　　(1)從工藝的角度來講，蜂窩和泡沫相比，機械加工相對簡單；對于復雜形狀，PMI泡沫芯材可以熱成型。泡沫夾層結構和蜂窩夾層結構相比，能夠適應更高的共固化溫度和壓力，不需要進行填充處理。在同樣的共固化條件下，泡沫夾層結構的復合材料蒙皮的力學性能相對蜂窩夾層結構的要高，因為在共固化條件下，蜂窩壁會導致復合材料的蒙皮纖維發生彎曲，并形成富樹脂區，參見圖7。另外，泡沫芯材還能直接用于各種液體樹脂成型工藝，例如各種樹脂注射工藝等。

　　(2)從設計的角度來講，除了常用的全高度夾層結構和蒙皮夾層結構以外，還可以設計泡沫填充帽形加筋條結構。另外泡沫的力學性能是各向同性，而蜂窩是各向異性。在復雜的受力狀態下，例如翼稍小翼結構中，泡沫比蜂窩更能滿足結構和強度要求。
　　(3)在使用過程中，因為泡沫是閉孔結構，和開孔的蜂窩結構相比，具有較低的吸水率，減少維修成本。圖8對比了蜂窩夾層結構和泡沫夾層結構中在使用過程中的吸水量。根據文獻報道，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點與泡沫夾芯結構相比不再存在，由于剛性泡沫夾芯是閉孔的，水和水汽不能進入夾芯內部，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。

6　PMI泡沫材料的生產制造與性能特點

　　PMI泡沫通過加熱甲基丙烯酸／甲基丙烯腈共聚板，發泡制造。在發泡共聚板的過程中，共聚物轉變成聚甲基丙烯酰亞胺。發泡溫度在170℃以上，具體根據密度和型號不同而不同。航天航空結構中常用的泡沫芯材是德國羅姆公司生產的PMI泡沫，目前，上主要PMI泡沫產品是德國德固賽公司生產的ROHACELL^®系列產品，反應的結構方程式如圖9所示。

　　PMI泡沫作為一種多孔固體，其力學性能和基體材料的性能、相對密度、孔穴的拓撲結構有關。PMI泡沫孔穴的基本特征：孔壁厚度：t=12μm，孔穴大?。簂=0.6mm，如圖10。

　　ROHACELL WF泡沫的孔穴大小在0.6~0.8 mm左右。
　　線彈性狀態下，當泡沫體是由液體組員制得時(有許多這種泡沫體，例如聚胺酯泡沫)，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。閉孔泡沫體的壓縮變形機制由三部分組成：孔壁彎曲、棱收縮和膜延伸以及被封入氣體的壓力。

　　其中，φ為孔穴棱邊所含固體的體積分數，剩余部分(1-φ)即為孔壁所含固體的體積分數。那么，若孔棱厚度為t_e，孔壁厚度為t_f，

　　ρ^*是多孔固體的密度
　　ρ_^s是構成孔壁的固體材料的密度
　　可見，泡沫的強度和相對密度有關，同時更加重要的是和φ有關，φ是泡沫結構中孔隙棱邊材料占泡沫材料的比率。差的泡沫材料分形式是完全開孔的泡沫材料，所有材料都桿狀分布在孔隙的棱邊位置，這是φ等于1。好的泡沫材料分布形式是所有的泡沫材料位于孔隙的孔壁位置，這時φ等于0，相對屈服強度和相對密度成正比。所以，期望有相對較低的φ值。和其他的結構泡沫相比，ROHACELL(RC)的φ較低。這個比值的范圍是0.72到0.80。從這里可以看出，要得到更高比剪切強度的泡沫可以通過(1)開發新的制造工藝，降低φ值。(2)提高生產泡沫樹脂的剪切強度。(3)孔隙的大小小于裂紋擴展或發生失穩的臨界直徑。(4)使用桿狀的增強材料增強泡沫。

7　PMI泡沫復合材料夾層結構的共固化工藝

　　中等密度的PMI泡沫具有很好的壓縮蠕變性能，可以在120~180℃溫度、0.3~0.5MPa的壓力下熱壓罐固化。PMI泡沫在進行適當的高溫處理后，能滿足高溫環氧甚至BMI樹脂復合材料夾層結構的共固化工藝要求。
　　這里提到一個概念，壓縮蠕變。蠕變性能是指材料在一定的溫度情況下，經過一定的時間，在一特定壓力下發生的變形，例如復合材料的熱壓罐固化工藝過程。

　　圖11是使用熱壓罐固化ROHACELL^®WF泡沫芯材夾層結構，固化參數是0.5MPa、2
小時、180℃，共固化工藝。
　　圖中1號試件ROHACELL^®71WF，約含有1％的水分。
　　圖中2號試件ROHACELL^®71WF，使用前在125+／-5℃條件下干燥2小時。
　　圖中3號試件ROHACELL^®71WF-HT
　　圖中4號試件ROHACELL^®51WF-HT
　　(HT=I．在125+／-5℃條件下干燥2小時，然后Ⅱ．在190℃條件下干燥49小時)
　　經過分析，可以看出壓縮蠕變和材料的性能有關，同時和你的壓力、溫度、時間有關。
在加溫、加壓固化時，為了保證在共固化以后，泡沫夾層結構不發生變形，設計時需要考慮
泡沫的蠕變。壓縮蠕變率越低越好。
　　(1)壓縮蠕變性能和材料密度有關：密度越高，壓縮蠕變率越小。
　　(2)壓縮蠕變性能和材料含水率有關：含水率越高，壓縮蠕變率越大。
　　(3)壓縮蠕變性能還和材料的型號有關：相同密度條件下，壓縮蠕變率從高到低的排列
依次為：ROHACELL^®IG>ROHACELL^® WF>ROHACELL^®XT
　　壓縮蠕變性能屬于材料的熱力學性能的范疇，于是我們做了不同泡沫的動態剪切模量。
圖12，可見PMI、PU和PVC在溫度升高的情況下，性能有顯著差異。在溫度達到180℃時，
PMI泡沫的性能才發生明顯的降低。

　　除了動態剪切模量以外，還需要確認泡沫芯材能不能滿足特殊的制造工藝的要求。在夾層結構固化過程中，泡沫必須能夠在一段時間內，承受溫度和壓力的綜合作用。耐壓縮蠕變性能是決定夾層結構構件制造過程可靠性和重復性的重要指標。
　　德國羅姆公司進行了一系列的試驗，在對幾種常見的泡沫塑料測試的基礎上得出以下結論：

　　如果選用Hexel的RTM 6或3M的PR500樹脂的先進RTM工藝，注射壓力和溫度：0.6MPa／180℃，后固化溫度：180℃，根據共固化對芯材壓縮蠕變的要求，只有PMI泡沫(WF型)能夠適用。

　　在125％、0.3MPa、2小時固化條件下，PMIWF泡沫(密度>70kg／m³)是好的芯材材料。如果固化壓力降低到0.2MPa，80kg／m³的PVC HT泡沫也能適用。對于使用壓力罐固化，固化溫度在130℃以上的環氧預浸料夾層結構，只有PMI泡沫能滿足要求。
　　密度大于110 kg／m³的PMI WF-HT類型泡沫能夠滿足180℃／0.7MPa／2小時的固化工藝，壓縮蠕變低于1.5％。
　　針對航天結構，如果采用RTM工藝，密度乏70kg／m³的PMIWF類型的泡沫完全能滿足工藝要求。由于聚氨酯和PVC耐蠕變性能的局限性，工藝過程的溫度不能高于130℃或采用先進RTM工藝。
　　ROHACELL^®XT類型的PMI泡沫甚至可以在190％、0.7MPa和BMI樹脂共固化，后固化溫度達到230℃，充分利用BMI樹脂的玻璃化轉變溫度。

8　選擇正確的泡沫芯材需要考慮的因素

　　(1)基本力學性能
　　(2)工藝要求。根據固化工藝的溫度、壓力和時間，確定滿足壓縮蠕變要求的泡沫規格
和型號。
　　(3)密度要求，通常選擇的泡沫密度在50kg／m^3-80kg／m³之間。
　　(4)樹脂的粘度。例如液體樹脂成型，推薦使用細小泡沫孔隙的RIMA或者RIST型號，減少泡沫表面樹脂吸收率，減輕結構重量。
　　(5)長期使用溫度，例如疲勞和吸潮等
　　(6)抗沖擊性能
　　(7)成本，包括材料成本、制造成本和使用階段的成本

9　PMI泡沫材料在航空結構中的應用

　　(1)直升機的發動機短艙和槳葉
　　新一代的“虎”式直升機的引擎罩是使用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℃。只有使用ROHACELL^®XT才能實現共固化，降低成本的同時減輕重量。
　　另外，PMI泡沫還廣泛應用在各種型號的直升機槳葉中作為芯材，例如Lynx、EC135、EH101、Tiger等，如圖13。

　　(2)空中客車A340-500／600和A380后壓力框
　　A340-500／600和A380后壓力框采用了ROHACELL泡沫填充A筋條結構形式，如圖14、圖15所示。先，把泡沫CNC精確加工和熱成型，然后和上下蒙皮共固化。商陛能PMI泡沫芯材在固化過程中具有很好的耐壓縮蠕變性能，使面板壓實，消除表面凹凸不平。和蜂窩芯相比，在熱壓罐固化過程中，PMI泡沫各向同性的孔隙結構還能滿足側壓下的尺寸穩定性的要求，不同于蜂窩結構，無需用泡沫膠填充。另外，泡沫還能將熱壓罐的壓力均勻的傳遞給泡沫下方面板的鋪層，使其壓實，沒有壓痕等表面缺陷。

　　（3）運載火箭的整流罩和節間段

　　步，先熱成形泡沫芯材。第二步，鋪設外面的預浸料，180℃條件下固化。由于泡沫具備良好的抗蠕變性能，在固化過程中，泡沫芯能夠承受預浸料的固化壓力，使層板完全固化，同時構件表面平整光滑。Delta III火箭的級間段部分也是采用PMI WF類型泡沫，共固化方法制造。和鋁蜂窩相比，制造成本降低了25％左右。這主要有兩個方面的原因：
　　先，常規的鋁蜂窩技術需要多個固化周期，但是PMI泡沫可以使用一個模具共固化，減少了加工的費用。另外，和鋁蜂窩相比，PMI泡沫可以支撐預浸料，表面不會產生局部不平整。因而，減少了預浸料的層數和面層的厚度，確保層合板的質量，提高了抗屈曲強度和
表面平整度。大幅度降低了材料的成本。
　　從節約成本考慮，在波音公司新的Delta IV系列運載火箭中，在有效載荷整流罩、級間段、中間體、隔熱罩和推進器鼻錐結構中都是采用了ROHACELL^®芯材夾層結構的沒汁方案。Delta IV大載荷運載火箭的整流罩長25米，直徑5.5米，是目前使用共固化工藝制作的大泡沫夾層構件。

10　在現有泡沫基礎上的發展

　　將泡沫夾層結構構件推廣到大載荷、輕質結構，一個重要途徑是增加其剪切強度。因為PMI泡沫芯材的性能的提高往往是通過增加密度來實現，因此必須尋找一個能將增強纖維和泡沫芯材相互結合的途徑。一個結構上非常成功的方法是加上45°斜向貫穿的腹向結構，大小尺寸可根據應力要求調整。泡沫芯材和蒙皮之間的良好的界面性能對提高結構沖擊損傷性能有所幫助?？梢杂肸方向纖維增強材料提高蒙皮和泡沫芯材之間的界面性能。
　　(1)可以利用柔性單面縫紉頭進行單面縫合，縫線形成的環穿過蒙皮，進入泡沫芯材。在熱壓罐里構件注射樹脂后，線環浸漬樹脂，在制件固化過程中也隨之固化。
　　(2)采用碳纖維針增強。美國Aztex公司在PMI泡沫的基礎上又開發了兩種新型的芯材X-Cor和K-Core。X-Core使用Z-Fiber^®針(完全固化的纖維，樹脂針)，加強輕質PMI泡沫。露出泡沫表面的壓Z-Fiber^®在鋪層時，埋入蒙皮，提高蒙皮-芯材之間的膠接性能。Z-Fiber^®形成的桁架結構承受剪切和壓縮載荷，泡沫對Z-Fiber^®的穩定的側向支撐。K-Cor^®也是利用Z-Fiber^®針縱向加強。與X-Core不同，將露出來的Z-Fiber^®和泡沫表面壓平。
　　使用Z-Fiber^®加強PMI泡沫，據Aztex資料介紹，和未加強的泡沫材料相比較，剪切強
度可以提高四倍以上，壓縮強度十倍以上，提高損傷容限，可以適應高溫或常溫共固化工藝，可以大限度的實現芯材的優化，其破壞方式為延性破壞。目前已用在了Sikorsky-RAH-66直升機的地板等位置，替代NOMEX^®蜂窩芯。

11　結　論

　　復合材料夾層結構的設計主要有三種形式：全高度夾層結構、蒙皮夾層結構和泡沫填充帽筋條的結構形式。隨著復合材料蜂窩夾層結構在使用過程中出現的一系列問題，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勢，仍然是一個比較好的選擇。如何將泡沫芯夾層結構的缺點降到低，提高芯材一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。