夹芯材料的应用及发展

2014-09-02  来源1:复材在线 作者:复材在线 浏览次数:8443 收藏  |  分享

夹层结构的芯材是设计师增加复合材料结构的刚度和减轻结构重量的重要工具。在这篇文章中,固瑞特(Gurit)公司的首席技术官Damian Bannister博士讨论了夹芯材料的性能要求,及其在建筑、风能和海洋行业的一些应用案...
夹层结构的芯材是设计师增加复合材料结构的刚度和减轻结构重量的重要工具。在这篇文章中,固瑞特(Gurit)公司的首席技术官Damian Bannister博士讨论了夹芯材料的性能要求,及其在建筑、风能和海洋行业的一些应用案例。

由玻纤、碳纤或其他纤维制成的单层复合材料层压板可能非常坚固,但是由于厚度较薄从而缺乏刚度。通常,加入多个框架和加强筋,可以提高刚度,但是也会增加重量以及结构的复杂性。

夹层结构是由中间夹有一层芯材的两层高强度的表皮组成的。在层压板中插入芯层是增加厚度但不增加重量的一种方法。目前有各种各样的夹心材料被用于复合材料夹层结构(见P32表格)。

实际上,芯材就像是工字钢的腹板,在受力的翼板之间,腹板是一种轻量的隔板。工字钢的翼板承受着主要的拉力和压力,因此,腹板可以相对轻一些。同样的,夹层结构中的芯材相对于表皮材料来说是比较轻的。

工程理论表明,固体层合板的弯曲刚度与厚度的立方成正比;对夹芯层板来说,刚度大概与厚度的平方成正比。因此,低密度芯材可以有效提高复合材料的厚度,仅增加非常小的重量就可以显著提高复合材料的刚度。

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设计夹芯结构

从工程学角度可以很好地理解夹芯板在复合材料中的应用,利用它可以设计出非常轻的刚性结构。

从根本上来说,夹层结构中的芯材的主要作用是尽量增大两个表皮之间的间距,以尽可能小的重量换取更大的层板刚度,同时抵抗结构承受载荷时产生的剪切力。对于结构芯材而言,剪切性能是结构芯材的必备条件,是复合材料结构设计时必须考虑的众多变量之首。

机械性能

夹层结构的受力方式会决定芯材是否需要良好的压缩性能、拉伸性能,甚至是良好的冲击韧性。这些要求可以通过一系列的结构芯材很容易地实现,但价格和密度的选择范围是很有限的。

复合材料结构具有较轻的重量,因此复合材料部件施加给整个结构的载荷也较低。目前大多数复合材料结构已经取代了传统的材料。然而,轻量、生命周期性能和制造成本之间的平衡必须加以考量才能使得复合材料的应用更加可行。因此,芯材的基本选择标准必须均衡考量性能、密度和总的制造成本。

由于芯材的众多制造过程存在固有的可变性,通常需要采用统计分析的方法来确定用于结构设计的芯材的机械性能。由于不同批次的聚合物泡沫的密度是不同的,机械性能通常采用由一系列标称密度平均值绘制而成的线性回归曲线来表现(见图1)。第二次回归会得到两个低于平均值的标准偏差,这是芯材标称密度下所需要的最低性能。虽然这种设计的价值充分说明芯材可以满足设计需求,但是如果采用的是最低密度的最小值时,通常会使用更加保守的一种方法。

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选择好最可能的设计材料后,还需要考虑第二层需求。由于复合材料的应用多种多样,可能的设计参数范围是非常广泛的,其中包括(但不限于)下列内容:

耐热性能、耐化学性、热导率、隔音性能、电导率、振动阻尼、防潮性、可回收性和可持续发展。

如果芯材的所有机械性能和物理性能已经考虑在内,设计制造就是部件初步设计的最后一步。每种夹芯材料都有其特定的加工特性,可以分成几个类别:

可成形性和层压板表皮的相容性及其在固化过程中的稳定性。

可塑性

芯材通常必须与二维或三维表面的几何结构相贴合,但不能影响其结构性能或者厚度。像巴萨木这类的刚性芯材,必须切成小块并使用网格布。而对于大多数聚合物泡沫,如果不需要热成形操作,就需要用多个平行的锯或者刀在0°和90°的方向对泡沫进行切割,形成一个网格,以提供所需的灵活性(见图2)。蜂窝芯材的可塑性对于厚度较大的应用来说可能存在问题,因为在高刚度和低厚度的条件下,芯材会比较难处理。

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除了符合部件的几何形状,芯材的边缘通常需要进行机械加工,以使载荷顺利地从组件的夹层部位过渡到单体部位。这一点在采用蜂窝芯材和某些脆性聚合物泡沫时,可能是很难实现的,尤其是在倒角较低的情形下。

层压板表皮的兼容性

层压板的表皮会含有增强纤维和某种基体树脂。树脂在室温下可能是液体形态的(湿法层压或灌注工艺),还可能是半固态预浸树脂,在高温固化过程中会流动。

要制造一个有效的夹层结构,表皮必须很好地结合到芯材的表面,使荷载能够传递。因此,树脂必须芯材相容,芯材必须有一个合适的表面形貌,这样才能产生良好的机械结合力。

这对于蜂窝结构来说是一大挑战,专用的流速可控的树脂膜用于在六边形结构周围形成粘合带,而且在预浸料高温固化过程中不会流入峰窝内。

芯材-层压板界面存在的另一个固有的问题是,由于芯材表面的气孔(见图3)或成型过程中形成的空腔(例如锯子在聚合物泡沫上留下的切口或巴萨木木块之间的空隙),会消耗额外的树脂。因此使得树脂的消耗量最小化是所有的设计必须优先考虑的事情,从而降低重量和成本。可塑性和加工技术的考量是设计过程的一个重要组成部分。

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案例分析

由于在实际的芯材结构制造过程中,设计需求和挑战多种多样,很难在一个复合材料部件中找到多种芯材的类型。
下面的案例研究强调的是芯材材料的选择过程,说明的只是夹芯结构众多设计标准中的一小部分。

火车站的屋顶

纤维增强塑料(FRP)夹芯板具有轻量的本质和内在的绝缘性能,而且,采用数控机床制成的模压板具有较高的精确度,先进的复合材料具有高耐受性,这些共同为沙特阿拉伯Medinah火车站的屋顶带来了显著的优势。FRP夹芯板实现了屋顶板材的大跨度,也使得屋顶的安装过程快速便捷,无需任何二级结构。

屋顶结构上的载荷是由板子本身、金属固定件、天花板和表面装饰瓦的重量共同组成的。此外,风造成的压力和吸力负载、积沙和地震运动也都做了定义。屋顶结构的二级要求包括35°C±30°C的工作温度、高绝热性能和防火性能。

作为原始设计优化的一部分,一系列芯材材料都被调查研究过了。

巴萨木芯材(例如固瑞特的BalsaflexTM)具有较低的成本和高的机械性能。巴萨木芯材在接触火苗时往往会形成一种具有保护作用的炭层,从而使其具有一定的防火性能。现代的密封处理技术显著降低了巴萨木所吸收的树脂的量,但树脂的吸收量仍然比闭孔泡沫高。

芯材无需切割即可很简单地形成一个双曲线的屋顶板形状,有人担忧这样会显著提高芯材所吸收的树脂的量,从而大大增加屋顶板的重量。还有人担心芯材耐环境腐蚀的长久性能,特别是一旦屋顶的表皮遭到破坏,在修复之前,芯材总会有一段时间是暴露在环境之中的。

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由于存在这些潜在的问题,巴萨木芯材被否决了。

铝蜂窝板是一种兼具低成本、轻量和良好机械性能的屋顶板。当固瑞特的SPRINT预浸料被考虑作为层压板表皮时,在最初的材料和工艺研究阶段也考虑了这种芯材。然而,要同时加工蜂窝芯材和湿的层压板表皮是不可行的,这种芯材很难处理和安装,而且它无助于屋顶的保温,所以这种芯材也被否决了。

PVC和SAN基闭孔泡沫芯材具有良好的加工性能,虽然密度低却具有屋顶结构所需的足够的机械性能,但这种芯材的成本相对较高。

PET泡沫芯材是成本和机械性能的最佳组合。PET泡沫芯材曾被用于制造麦加钟塔六万平米的FRP幕墙,配套使用的是相同的树脂系统。在这个项目中,芯材的处理简单方便。

一种表面经过处理的阻燃PET泡沫芯材,可以降低树脂的吸收量,即固瑞特G-PETTM 75FR Lite成为了屋顶结构的最终选择。

风机叶片

风力涡轮机的叶片通常包括一个纵向结构梁和两个外部的“蛤蜊”壳结构——由纵向抗剪腹板连接。这种外壳结构的几何形状符合叶片的空气动力学要求,能够将风所造成的气动载荷转移到翼梁帽和轮毂上,从而使叶片转动产生电力。

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叶片外壳采用夹芯结构制成,因为板子的尺寸很大,而且要求有良好的抗弯刚度和最低的设计重量。由于壳体板的主要要求是在气动载荷下具有抗变形能力,芯材的主要作用就是在压力、剪切力和平面外载荷作用下提供稳定性(防止受力的层压板发生屈曲)。

屈曲失效模式有三种(见图4):

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•欧拉屈曲:板子弯曲刚度失效——取决于芯材的厚度和剪切模量;
•表层皱曲:局部的表层变形——取决于芯材的剪切模量和压缩模量,以及层压板的表层刚度;
•剪切卷曲:芯材失效——剪切模量太低,无法转移表层之间的载荷,特别是表层比较厚的层压板。

在设计风机叶片的结构外壳时,要考虑到外壳的载荷情况从根部到尖部有着很大的变化,而且叶片的几何形状可能会限制层压板的结构。因此,芯材的性能要求会随着外壳结构的变化而变化。

由于层压板的根部载荷较高,层压板的厚度也较高,因此剪切卷曲成为一个重要的设计准则。所以,巴萨木凭借非常高的剪切模量而被广泛应用于这些部位。而且,风机叶片的外侧所受载荷较低,但是张力较高,芯材的失效很可能是由于表层皱曲或板子(欧拉)屈曲造成的。对于叶片的这个部位,夹芯结构的厚度对于防止抵抗这些失效模式具有更大的影响,因此具有较低的剪切模量的芯材可以使用。由于质量矩的增加,人们也希望进一步降低板子根部的重量。因此,芯材的密度和树脂吸收率是重要的考虑因素。

在风机叶片的外侧区域,通常采用PVC或SAN芯材,因为它们具有良好的密度性能,而且就成本而言,它们颇具竞争力。它们还具有比巴萨木低得多的树脂吸收特性和更高的张力,这有利于叶片在生产之后和安装之前进行运输和处理。

PET在叶片设计方面也取得了一些进展,但相较PVC和SAN,它的确存在重量方面的劣势,对于叶片的悬吊点来说可能太脆了。

在风能行业最低制造成本的强烈驱动下,目前在一个叶片设计中会采用多种芯材,以优化重量和材料成本,不同的叶片制造商由于结构概念的不同设计出来的机构也各不相同。图5显示了风力涡轮机叶片对芯材材料的性能要求。

赛艇

帆船的船体和甲板为船员提供不透水的安全舱,也是支撑索具和龙骨的基础。在索具的载荷下,船体和甲板在船头和船尾的部分会处于张力之下,载荷会随着船侧、船头和船尾桅杆的竖起而更一步复杂化。

在码头和风平浪静的条件下,船体外壳处于静水压力之下,但是当船以一定的速度前进时,其所承受的装机压力会显着增大,特别是船头部位的船体底部。为应对所有可能的各种形状和类型的波浪对船的冲击,设计压力取决于板材的尺寸。因此,对于一艘给定尺寸的船艇,有着最小的剪切强度要求。

虽然船级社采用的是准静态分析法,但载荷真的是一种低速的冲击。因此大多数船级社允许芯材具有较高的剪切伸长率。所以,芯材的选择不是简单的选择最高的剪切强度重量比就行了。

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大多数高性能赛艇采用以预浸料为表皮的夹芯结构来制造,因为这样能达到最低的层压板重量和最高的机械性能。这意味着芯材材料的选择必须与预浸料的加工工艺相兼容,同时还要满足设计要求。考虑到船头部位会承受冲击载荷以及该部位板材的高曲率,经常会选择具有良好的抗冲击性和良好的可塑性的SAN泡沫。干舷部位比较平,承受的冲击力也比较小,往往会选择六角形的Nomex(一种聚酰胺纤维)或Kevlar(一种芳纶纤维)蜂窝芯材。

对于海上赛艇,考虑到可能会接受一定风险,因此船体结构多采用蜂窝芯材,以达到最轻的船身设计。

甲板上还可能会受到从船头过来的波浪的冲击压力,但这比船体底部承受的“撞击”压力小得多。即便如此,抗剪强度仍然是一个重要的考量因素。

由于索具导致的弯曲载荷,甲板会受到船头和船尾的压力,工作甲板还要承受由于行走和甲板传送装置造成的局部压力。

因此,贯穿整个厚度的抗压强度是必须的,高剪切模量可以使承受屈曲载荷的甲板保持稳定。赛船当然都会选择Nomex蜂窝芯材,因为它具有优异的性能重量比,但是使用过程需要小心,船员要穿着合适的鞋子,避免压痕和局部损伤。

芯材的发展

随着先进复合材料的应用越来越多,对于新的芯材技术的需求也在加速。然而,正如本文所讨论的,由于应用范围以及相关芯材性能的多样化,不大可能会出现一种新的“超级泡沫”,从而满足所有的设计要求。历史也表明,在过去的10-15年,芯材市场并没有那么多的新技术出现,现有的技术仍然保持着它们的市场份额。因此,近期的发展重点一直是现有芯材技术的优化,以最优化的成本,找到最佳的性能平衡点。

长远来看,芯材技术下一步的进展可能会是现有的聚合物泡沫制造技术的改进以及“工程芯材”的发展。聚合物的性能通常与它们的成本成比例,新的高性能聚合物取代现有材料是不大可能的。因此,在一定的高性能工程框架范围内使用低成本(和低性能)的泡沫芯材更加合理,从而以低密度和低成本来实现高的性能。然而,要开发出可行的连续制造工艺以实现低成本,使先进复合材料比其他工程塑料更具竞争力,这一目标仍然存在许多挑战。(end)

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