5　PMI泡沫材料和蜂窝材料的对比

　　(1)从工艺的角度来讲，蜂窝和泡沫相比，机械加工相对简单；对于复杂形状，PMI泡沫芯材可以热成型。泡沫夹层结构和蜂窝夹层结构相比，能够适应更高的共固化温度和压力，不需要进行填充处理。在同样的共固化条件下，泡沫夹层结构的复合材料蒙皮的力学性能相对蜂窝夹层结构的要高，因为在共固化条件下，蜂窝壁会导致复合材料的蒙皮纤维发生弯曲，并形成富树脂区，参见图7。另外，泡沫芯材还能直接用于各种液体树脂成型工艺，例如各种树脂注射工艺等。

　　(2)从设计的角度来讲，除了常用的全高度夹层结构和蒙皮夹层结构以外，还可以设计泡沫填充帽形加筋条结构。另外泡沫的力学性能是各向同性，而蜂窝是各向异性。在复杂的受力状态下，例如翼稍小翼结构中，泡沫比蜂窝更能满足结构和强度要求。
　　(3)在使用过程中，因为泡沫是闭孔结构，和开孔的蜂窝结构相比，具有较低的吸水率，减少维修成本。图8对比了蜂窝夹层结构和泡沫夹层结构中在使用过程中的吸水量。根据文献报道，20年内收集的蜂窝雷达罩维修记录表明，大约85％蜂窝雷达罩因为蜂窝进水原因需要维修，大多数航空公司证实波音737飞机蜂窝雷达罩的平均无故障维修使用时间少于2年。蜂窝夹层构件的维护费用使得原本质轻的优点与泡沫夹芯结构相比不再存在，由于刚性泡沫夹芯是闭孔的，水和水汽不能进入夹芯内部，减少了维护检查的成本，所以泡沫夹芯结构的全寿命成本就更加经济，尽管达到相同承剪能力时泡沫的重量要比蜂窝稍重一些。

6　PMI泡沫材料的生产制造与性能特点

　　PMI泡沫通过加热甲基丙烯酸／甲基丙烯腈共聚板，发泡制造。在发泡共聚板的过程中，共聚物转变成聚甲基丙烯酰亚胺。发泡温度在170℃以上，具体根据密度和型号不同而不同。航天航空结构中常用的泡沫芯材是德国罗姆公司生产的PMI泡沫，目前，上主要PMI泡沫产品是德国德固赛公司生产的ROHACELL^®系列产品，反应的结构方程式如图9所示。

　　PMI泡沫作为一种多孔固体，其力学性能和基体材料的性能、相对密度、孔穴的拓扑结构有关。PMI泡沫孔穴的基本特征：孔壁厚度：t=12μm，孔穴大小：l=0.6mm，如图10。

　　ROHACELL WF泡沫的孔穴大小在0.6~0.8 mm左右。
　　线弹性状态下，当泡沫体是由液体组员制得时(有许多这种泡沫体，例如聚胺酯泡沫)，表面张力可将材料拉向棱边，越过孔面只留下一层薄膜，它容易破裂。因此，虽然泡沫体具有初始闭合的孔穴，但其刚度完全来自孔棱，其模量则等同于开孔泡沫体。但是PMI泡沫材料孔面就由真正的固体部分构成，这些孔面会增加多孔体的刚度。闭孔泡沫体的压缩变形机制由三部分组成：孔壁弯曲、棱收缩和膜延伸以及被封入气体的压力。

　　其中，φ为孔穴棱边所含固体的体积分数，剩余部分(1-φ)即为孔壁所含固体的体积分数。那么，若孔棱厚度为t_e，孔壁厚度为t_f，

　　ρ^*是多孔固体的密度
　　ρ_^s是构成孔壁的固体材料的密度
　　可见，泡沫的强度和相对密度有关，同时更加重要的是和φ有关，φ是泡沫结构中孔隙棱边材料占泡沫材料的比率。差的泡沫材料分形式是完全开孔的泡沫材料，所有材料都杆状分布在孔隙的棱边位置，这是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，这时φ等于0，相对屈服强度和相对密度成正比。所以，期望有相对较低的φ值。和其他的结构泡沫相比，ROHACELL(RC)的φ较低。这个比值的范围是0.72到0.80。从这里可以看出，要得到更高比剪切强度的泡沫可以通过(1)开发新的制造工艺，降低φ值。(2)提高生产泡沫树脂的剪切强度。(3)孔隙的大小小于裂纹扩展或发生失稳的临界直径。(4)使用杆状的增强材料增强泡沫。

7　PMI泡沫复合材料夹层结构的共固化工艺

　　中等密度的PMI泡沫具有很好的压缩蠕变性能，可以在120~180℃温度、0.3~0.5MPa的压力下热压罐固化。PMI泡沫在进行适当的高温处理后，能满足高温环氧甚至BMI树脂复合材料夹层结构的共固化工艺要求。
　　这里提到一个概念，压缩蠕变。蠕变性能是指材料在一定的温度情况下，经过一定的时间，在一特定压力下发生的变形，例如复合材料的热压罐固化工艺过程。

　　图11是使用热压罐固化ROHACELL^®WF泡沫芯材夹层结构，固化参数是0.5MPa、2
小时、180℃，共固化工艺。
　　图中1号试件ROHACELL^®71WF，约含有1％的水分。
　　图中2号试件ROHACELL^®71WF，使用前在125+／-5℃条件下干燥2小时。
　　图中3号试件ROHACELL^®71WF-HT
　　图中4号试件ROHACELL^®51WF-HT
　　(HT=I．在125+／-5℃条件下干燥2小时，然后Ⅱ．在190℃条件下干燥49小时)
　　经过分析，可以看出压缩蠕变和材料的性能有关，同时和你的压力、温度、时间有关。
在加温、加压固化时，为了保证在共固化以后，泡沫夹层结构不发生变形，设计时需要考虑
泡沫的蠕变。压缩蠕变率越低越好。
　　(1)压缩蠕变性能和材料密度有关：密度越高，压缩蠕变率越小。
　　(2)压缩蠕变性能和材料含水率有关：含水率越高，压缩蠕变率越大。
　　(3)压缩蠕变性能还和材料的型号有关：相同密度条件下，压缩蠕变率从高到低的排列
依次为：ROHACELL^®IG>ROHACELL^® WF>ROHACELL^®XT
　　压缩蠕变性能属于材料的热力学性能的范畴，于是我们做了不同泡沫的动态剪切模量。
图12，可见PMI、PU和PVC在温度升高的情况下，性能有显著差异。在温度达到180℃时，
PMI泡沫的性能才发生明显的降低。

　　除了动态剪切模量以外，还需要确认泡沫芯材能不能满足特殊的制造工艺的要求。在夹层结构固化过程中，泡沫必须能够在一段时间内，承受温度和压力的综合作用。耐压缩蠕变性能是决定夹层结构构件制造过程可靠性和重复性的重要指标。
　　德国罗姆公司进行了一系列的试验，在对几种常见的泡沫塑料测试的基础上得出以下结论：

　　如果选用Hexel的RTM 6或3M的PR500树脂的先进RTM工艺，注射压力和温度：0.6MPa／180℃，后固化温度：180℃，根据共固化对芯材压缩蠕变的要求，只有PMI泡沫(WF型)能够适用。

　　在125％、0.3MPa、2小时固化条件下，PMIWF泡沫(密度>70kg／m³)是好的芯材材料。如果固化压力降低到0.2MPa，80kg／m³的PVC HT泡沫也能适用。对于使用压力罐固化，固化温度在130℃以上的环氧预浸料夹层结构，只有PMI泡沫能满足要求。
　　密度大于110 kg／m³的PMI WF-HT类型泡沫能够满足180℃／0.7MPa／2小时的固化工艺，压缩蠕变低于1.5％。
　　针对航天结构，如果采用RTM工艺，密度乏70kg／m³的PMIWF类型的泡沫完全能满足工艺要求。由于聚氨酯和PVC耐蠕变性能的局限性，工艺过程的温度不能高于130℃或采用先进RTM工艺。
　　ROHACELL^®XT类型的PMI泡沫甚至可以在190％、0.7MPa和BMI树脂共固化，后固化温度达到230℃，充分利用BMI树脂的玻璃化转变温度。

8　选择正确的泡沫芯材需要考虑的因素

　　(1)基本力学性能
　　(2)工艺要求。根据固化工艺的温度、压力和时间，确定满足压缩蠕变要求的泡沫规格
和型号。
　　(3)密度要求，通常选择的泡沫密度在50kg／m^3-80kg／m³之间。
　　(4)树脂的粘度。例如液体树脂成型，推荐使用细小泡沫孔隙的RIMA或者RIST型号，减少泡沫表面树脂吸收率，减轻结构重量。
　　(5)长期使用温度，例如疲劳和吸潮等
　　(6)抗冲击性能
　　(7)成本，包括材料成本、制造成本和使用阶段的成本

9　PMI泡沫材料在航空结构中的应用

　　(1)直升机的发动机短舱和桨叶
　　新一代的“虎”式直升机的引擎罩是使用PMI泡沫ROHACELL^®XT作为芯材，和BMI预浸料共固化。构件的长期使用温度达到160℃。只有使用ROHACELL^®XT才能实现共固化，降低成本的同时减轻重量。
　　另外，PMI泡沫还广泛应用在各种型号的直升机桨叶中作为芯材，例如Lynx、EC135、EH101、Tiger等，如图13。

　　(2)空中客车A340-500／600和A380后压力框
　　A340-500／600和A380后压力框采用了ROHACELL泡沫填充A筋条结构形式，如图14、图15所示。先，把泡沫CNC精确加工和热成型，然后和上下蒙皮共固化。商陛能PMI泡沫芯材在固化过程中具有很好的耐压缩蠕变性能，使面板压实，消除表面凹凸不平。和蜂窝芯相比，在热压罐固化过程中，PMI泡沫各向同性的孔隙结构还能满足侧压下的尺寸稳定性的要求，不同于蜂窝结构，无需用泡沫胶填充。另外，泡沫还能将热压罐的压力均匀的传递给泡沫下方面板的铺层，使其压实，没有压痕等表面缺陷。

　　（3）运载火箭的整流罩和节间段

　　步，先热成形泡沫芯材。第二步，铺设外面的预浸料，180℃条件下固化。由于泡沫具备良好的抗蠕变性能，在固化过程中，泡沫芯能够承受预浸料的固化压力，使层板完全固化，同时构件表面平整光滑。Delta III火箭的级间段部分也是采用PMI WF类型泡沫，共固化方法制造。和铝蜂窝相比，制造成本降低了25％左右。这主要有两个方面的原因：
　　先，常规的铝蜂窝技术需要多个固化周期，但是PMI泡沫可以使用一个模具共固化，减少了加工的费用。另外，和铝蜂窝相比，PMI泡沫可以支撑预浸料，表面不会产生局部不平整。因而，减少了预浸料的层数和面层的厚度，确保层合板的质量，提高了抗屈曲强度和
表面平整度。大幅度降低了材料的成本。
　　从节约成本考虑，在波音公司新的Delta IV系列运载火箭中，在有效载荷整流罩、级间段、中间体、隔热罩和推进器鼻锥结构中都是采用了ROHACELL^®芯材夹层结构的没汁方案。Delta IV大载荷运载火箭的整流罩长25米，直径5.5米，是目前使用共固化工艺制作的大泡沫夹层构件。

10　在现有泡沫基础上的发展

　　将泡沫夹层结构构件推广到大载荷、轻质结构，一个重要途径是增加其剪切强度。因为PMI泡沫芯材的性能的提高往往是通过增加密度来实现，因此必须寻找一个能将增强纤维和泡沫芯材相互结合的途径。一个结构上非常成功的方法是加上45°斜向贯穿的腹向结构，大小尺寸可根据应力要求调整。泡沫芯材和蒙皮之间的良好的界面性能对提高结构冲击损伤性能有所帮助。可以用Z方向纤维增强材料提高蒙皮和泡沫芯材之间的界面性能。
　　(1)可以利用柔性单面缝纫头进行单面缝合，缝线形成的环穿过蒙皮，进入泡沫芯材。在热压罐里构件注射树脂后，线环浸渍树脂，在制件固化过程中也随之固化。
　　(2)采用碳纤维针增强。美国Aztex公司在PMI泡沫的基础上又开发了两种新型的芯材X-Cor和K-Core。X-Core使用Z-Fiber^®针(完全固化的纤维，树脂针)，加强轻质PMI泡沫。露出泡沫表面的压Z-Fiber^®在铺层时，埋入蒙皮，提高蒙皮-芯材之间的胶接性能。Z-Fiber^®形成的桁架结构承受剪切和压缩载荷，泡沫对Z-Fiber^®的稳定的侧向支撑。K-Cor^®也是利用Z-Fiber^®针纵向加强。与X-Core不同，将露出来的Z-Fiber^®和泡沫表面压平。
　　使用Z-Fiber^®加强PMI泡沫，据Aztex资料介绍，和未加强的泡沫材料相比较，剪切强
度可以提高四倍以上，压缩强度十倍以上，提高损伤容限，可以适应高温或常温共固化工艺，可以大限度的实现芯材的优化，其破坏方式为延性破坏。目前已用在了Sikorsky-RAH-66直升机的地板等位置，替代NOMEX^®蜂窝芯。

11　结　论

　　复合材料夹层结构的设计主要有三种形式：全高度夹层结构、蒙皮夹层结构和泡沫填充帽筋条的结构形式。随着复合材料蜂窝夹层结构在使用过程中出现的一系列问题，国内外航天航空界研究人员将目光转向了高性能的聚合物泡沫材料芯材，主要是PMI泡沫材料。在夹层结构构件中使用泡沫芯既可以降低制造成本，也能作为结构材料。如果仅仅作为结构材料考虑，泡沫芯夹层结构和蜂窝芯夹层结构的设计相比主要在重量方面处于劣势。但是，如果在使用周期内作一个综合的比较，泡沫芯夹层结构考虑到制造和维护方面的优势，仍然是一个比较好的选择。如何将泡沫芯夹层结构的缺点降到低，提高芯材一蒙皮之间的界面性能，是将来泡沫夹层结构面临的主要问题，结合国内外的新研究和应用表明：缝纫或针刺是提高泡沫芯材性能的有效途径。