行業(yè)知識
夾芯復(fù)合材料
2019-04-28 09:25:29
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夾芯復(fù)合材料作為更輕、更強(qiáng)、更有競爭力的產(chǎn)品，在國外已經(jīng)廣泛應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電、航空航天、交通運(yùn)輸、船艇制造、建筑和其他工業(yè)領(lǐng)域。二次世界大戰(zhàn)期間，盟軍的蚊式戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)身上已經(jīng)使用了輕木夾芯結(jié)構(gòu)。半個世紀(jì)以來，從產(chǎn)業(yè)角度而言，歐美、澳洲等國家在風(fēng)電力發(fā)電葉片、夾芯玻璃鋼船艇的設(shè)計、生產(chǎn)技術(shù)上的發(fā)展和應(yīng)用比較早。逐年來不斷地應(yīng)用實踐，夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)理論得到完善，力學(xué)界對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的破壞損傷模式的研究也逐漸發(fā)展完善，對輕質(zhì)夾芯材料的采用，將從必然走向自由。
復(fù)合材料與金屬均一材料相比具有自身的特殊性，復(fù)合材料作為“材料”的同時本身又是一種“結(jié)構(gòu)”。近來年，我國風(fēng)力發(fā)電、航空航天工業(yè)的發(fā)展，為夾芯復(fù)合材料的材料研發(fā)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝開發(fā)提供了很好的契機(jī)。夾芯復(fù)合材料理念為“高強(qiáng)度剛度、低重量”要求嚴(yán)格的產(chǎn)業(yè)提供了全新的材料、結(jié)構(gòu)、工藝的解決方案；使復(fù)合材料從傳統(tǒng)單層實心玻璃鋼向夾芯玻璃鋼的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了產(chǎn)品升級，提高了市場競爭力?？梢哉J(rèn)為，夾芯復(fù)合材料作為朝陽產(chǎn)業(yè)，在我國擁有巨大的市場容量和發(fā)展空間。
夾芯復(fù)合材料也被形象稱為“三明治材料”或“三明治結(jié)構(gòu)”，這種材料和結(jié)構(gòu)由上下兩層抗拉抗壓性能優(yōu)異的表層材料（層合木板、金屬、玻璃鋼、碳纖維或芳綸纖維增強(qiáng)樹脂基體塑料）、輕質(zhì)高強(qiáng)并抗剪切的夾芯材料和膠黏劑構(gòu)成。常見的夾芯材料有蜂窩板、巴爾沙輕木和各種高分子的泡沫等?！叭髦巍眾A芯為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了高剛度、高強(qiáng)度、低重量的優(yōu)異組合，從而實現(xiàn)了產(chǎn)品卓越的強(qiáng)重化。以船艇和高速列車車體為例，在不折損結(jié)構(gòu)剛度強(qiáng)度的同時，重量的減輕帶來了動力產(chǎn)品加速提速性能、操縱性能、運(yùn)能運(yùn)力的提升，而運(yùn)能的提升又達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的效果。
采用“三明治”夾芯復(fù)合材料生產(chǎn)產(chǎn)品，夾芯材料的選擇上應(yīng)當(dāng)首先注意材料在力學(xué)、極限溫度等方面的性能特點(diǎn)，選擇合適的材質(zhì)，進(jìn)而配合表層材料和黏結(jié)劑樹脂基體的選擇，包括纖維種類、克重、層數(shù)、夾芯材料密度、厚度。對整個鋪層結(jié)構(gòu)作出鋪層設(shè)計。
結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法有幾種，船艇的夾芯材設(shè)計規(guī)范，我國主要使用國外船級社的規(guī)范指導(dǎo)。另外，使用公式計算軟件做典型鋪層設(shè)計以實用及Ansys、Femap等有限元計算軟件做整體結(jié)構(gòu)分析計算的方法。
由于樹脂基體是通過工藝過程才能實現(xiàn)同纖維增強(qiáng)材料和夾芯芯材的結(jié)合，而工藝的不同會帶來截然不同的數(shù)值纖維含量和瑕疵數(shù)量多少，從而很大程度上影響最終結(jié)構(gòu)的性能和疲勞壽命。傳統(tǒng)敞開式手糊工藝的纖維含量只有40%左右，并且氣泡含量多。而采用“三明治”夾芯材料制作以真空袋壓法是目前最為清潔、方便、優(yōu)質(zhì)的真空導(dǎo)流工藝。
真空導(dǎo)流工藝是將玻璃纖維增強(qiáng)材料和泡沫夾芯材料干法預(yù)鋪設(shè)在密閉的模具內(nèi)，然后安裝供樹脂進(jìn)入和流動擴(kuò)散的進(jìn)膠接頭和引流管道，隨后通過真空薄膜袋密封和真空泵的抽氣實現(xiàn)整個模具面積上鋪層內(nèi)部的高真空環(huán)境（一般為99%以上的真空度）。在系統(tǒng)保壓良好的情況下將低粘度的樹脂通過進(jìn)膠管道由大氣壓注入系統(tǒng)內(nèi)部，樹脂按照預(yù)先設(shè)計的管道擴(kuò)散，在預(yù)訂時間內(nèi)浸泡有鋪層結(jié)構(gòu)，而后膠化固化。
整個真空導(dǎo)流過程可重復(fù)，可質(zhì)量控制，產(chǎn)品氣泡含量降到最低，產(chǎn)品的纖維含量達(dá)到65%以上。而且由于真空薄膜的密閉作用把苯乙烯等有害氣體的擴(kuò)散降低了90%以上，實現(xiàn)了健康、環(huán)保的要求。