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玻璃鋼夾芯材料的主要作用及應(yīng)用

發(fā)布時間：2017-06-02

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自二十世紀(jì)四十年代低密度的"芯" 就已用于復(fù)合材料，它可分隔表皮材料可提高彎曲強(qiáng)度、降低重量。具有相同負(fù)荷能力的夾層結(jié)構(gòu)要比實(shí)體層狀結(jié)構(gòu)輕好幾倍。芯材還能對整體強(qiáng)度起加強(qiáng)作用，降低單位體積的成本、削弱噪音與震動、增加耐熱、抗疲勞扣防火性能等。芯材的作用機(jī)理是將剪切力從表皮層傳向內(nèi)層，使兩個表皮層在靜態(tài)和動態(tài)載荷下都能保持穩(wěn)定，并且吸收沖擊能來提供抗破壞性能。

芯材大致上分成三類：泡沫類，柔韌或堅硬；蜂窩類，一般選為更高規(guī)格的應(yīng)用；膜袋制法和三維（3D）織物或無紡布。

芯材應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，涉及航空航天、船舶、交通運(yùn)輸、建筑等領(lǐng)域。

1、航空航天

航空部門特別需要輕質(zhì)高強(qiáng)的材料。夾層結(jié)構(gòu)獲得低密度芯材的方法之一是復(fù)合模袋法。它在泡沫中將微珠有序結(jié)合，典型的是玻璃微珠。輕而堅硬的芯材或?qū)硬模糜陲w機(jī)、航空器和其它領(lǐng)域。它們具有防火、低導(dǎo)電和抗破環(huán)的特性。

飛機(jī)的主要部件，如機(jī)身，機(jī)翼和尾翼可采用PVC泡沫芯材復(fù)合結(jié)構(gòu)，同時使用丁二烯。在生產(chǎn)中不必進(jìn)行高壓高溫處理。飛機(jī)的重量得以減輕。直升飛機(jī)最新一代復(fù)合螺旋槳葉采用密度較低、可耐大多數(shù)溶劑且可經(jīng)受高壓蒸煮溫度和壓力的PMI泡沫芯材。它采用傳統(tǒng)預(yù)浸工藝制造。這種新型復(fù)合螺旋槳葉的壽命可達(dá)10000h/L先前的金屬槳葉壽命提高十倍。飛機(jī)的機(jī)艙地板對材料的要求非常挑剔。由于其使用的特殊性，要求其輕質(zhì)、高硬度、耐疲勞及長壽命。現(xiàn)在飛機(jī)上使用了芳族聚酰胺纖維為芯材的地板和其它類似的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品最大的優(yōu)點(diǎn)是有效而持久，即使用于噴氣式飛機(jī)的過道，也完全滿足了機(jī)艙地板材料的要求。飛機(jī)上最早使用的鋁質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)雖然輕質(zhì)更結(jié)實(shí)，但是它不耐腐蝕、易扭曲、導(dǎo)熱、有導(dǎo)致點(diǎn)載荷破壞的傾向，而以芳族聚酰胺纖維為芯材的地板完全克服了鋁質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)的這些缺陷。

美國新澤西洲的巴爾特得公司在20世紀(jì)60年代宇航員乘坐的探測號上使用了輕質(zhì)木芯材。它使宇航員乘坐的探測號經(jīng)受了降落時的沖擊。70年代輕質(zhì)木芯材被用來隔離盛有大量液氮的艙體。今天超輕型競賽飛機(jī)，飛機(jī)模型和現(xiàn)代"超級風(fēng)車"的槳葉都使用了輕質(zhì)木芯材。

2、船舶

常規(guī)的交聯(lián)PVC泡沫己在船舶中廣泛應(yīng)用。瑞士海軍的護(hù)衛(wèi)艦使用了28、13.5、0.09m片狀構(gòu)造的丁二烯蜂窩芯材。聚氨酯（PU）發(fā)泡芯材也常用于船舶的建造。80kg/m³高密度泡沫可應(yīng)用于承載部件如船舷等；80～120kg/m³的泡沫專門用作甲板和上部構(gòu)造的芯材。硬質(zhì)PU泡沫廣泛用于水槽、絕緣板、結(jié)構(gòu)性填料和充空填料。大型冷藏拖網(wǎng)魚船海王星號甲板室是整體成塑的夾芯結(jié)構(gòu)，用玻纖布制作內(nèi)外蒙皮和芯材，芯材的厚度為100mm。該船具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐海水腐蝕、抗微生物附著以及吸收撞擊能。該船在條件惡劣的巴倫支海和北大西洋營運(yùn)。煙草競速隊11.5m長的高速機(jī)船贏得了1998年西海岸機(jī)船賽F2級（10.5~12.2m）冠軍。它的船底和表面使用了標(biāo)準(zhǔn)的輕質(zhì)木，以保證最大的剪切和擠壓強(qiáng)度；船前部和甲板使用了密度較低的輕質(zhì)木；隔壁面板，室內(nèi)地板和家具也使用了輕質(zhì)木芯材；泡沫芯材船頭取代了陳舊笨重的式洋。其結(jié)果是重量降低22％，速度提高了24km/h，達(dá)到136km/h了以上。

在多雜物（浮木等）漂浮的巴拿馬運(yùn)河中營運(yùn)的快速渡輪，其抗破壞能力應(yīng)是首先考慮的，其次是總重量輕以保證渡輪的速度。由于這些原因，一種線型PVC泡沫芯材（密度140kg/m³）被選作船殼底材，密度80kg/m³的PVC泡沫芯材作船殼側(cè)面材料和舷側(cè)突出部。部件使用玻纖增強(qiáng)表皮層和真空袋膜工藝；甲板和船艙側(cè)面使用密度為78kg/m³的橫紋輕質(zhì)木芯材，其表面用AL-600R/10（輕質(zhì)木的專用表面處理劑）處理，以提高粘結(jié)力；交聯(lián)環(huán)氧樹脂/玻纖板材做艙房表皮層；材料加工運(yùn)用計算機(jī)層壓設(shè)計程序，以保證渡輪達(dá)到ABS標(biāo)準(zhǔn)。

3、交通運(yùn)輸

通用汽車（GM）第5代C－5雪佛蘭車使用了夾層結(jié)構(gòu)的底板系統(tǒng)。這個夾層已進(jìn)行了優(yōu)化，以提高速度，降低噪音，減輕搖擺以及提供足夠的剛度支持汽車的座位。通用汽車公司選用控制密度的橫紋輕質(zhì)木。這種材料由計算機(jī)數(shù)控切割，可減少安裝時間。交聯(lián)的PVC芯材在鐵路運(yùn)輸中得到應(yīng)用，典型的實(shí)例是丹麥的火車，并用于公共汽車和有軌電車及摩托車等。

一級方程式賽車模仿自然蜂窩結(jié)構(gòu)，使用空心六邊形管相互作用增強(qiáng)原理制作芯材。賽車具有高的抗沖擊強(qiáng)度和能量吸收能力。比賽用自行車也采用這種蜂窩結(jié)構(gòu)芯材。法國制造的鐵路冷藏車采用PVC泡沫芯材提高隔熱效果。其它芯材用于運(yùn)輸車輛主要是利用它們的絕緣性，如聚異氰酸酯絕緣泡沫塑料等。

4、建筑

夾芯材料在建筑上的應(yīng)用十分廣泛。在內(nèi)外墻上使用纖維板、膠合板等各種夾芯材料，使墻壁具有隔音、隔熱、輕質(zhì)、高強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。由于頂棚強(qiáng)度要求不太高，只要求重量輕、剛性好，有一定防火、保溫性能，其次是美觀和價格便宜，安裝方便，因此通常采用各種纖維芯材和PE鈣塑泡沫芯材等。其它芯材用在建筑上主要是利用它們的絕緣性，如美國艾洛特公司生產(chǎn)的聚異氰酸酯絕緣泡沫塑料用于工業(yè)隔離門，冷凍裝置、墻板和通風(fēng)管道。美國蜂窩芯材公司的紙質(zhì)芯材應(yīng)用于耐化學(xué)腐蝕的門，建筑板材和內(nèi)裝飾及地板。

降低成本、增強(qiáng)隔熱性和降低噪音是休閑設(shè)施制造商們考慮的主要因素。減重、節(jié)省油料和優(yōu)美的外形也是選擇使用芯材時要考慮的因素。密度60kg/m³的交聯(lián)PVC泡沫可在真空袋膜制法的聚酯/玻纖層中使用。跨度較小且較低的門體可用40kg/m³PVC硬質(zhì)泡沫。門體更輕、外觀好，制造成本低。

未來建筑技術(shù)的競爭是材料的有效利用。未來復(fù)合材料設(shè)計的關(guān)鍵在于芯材的選擇。（來源：復(fù)合材料社區(qū)）

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