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2023-06-30
夹芯材料及其应用技术探究
【摘要】：航空上作为夹层结构芯材使用的泡沫塑料，主要是聚氨酯泡沫塑料、酚醛泡沫塑料和聚苯乙烯泡沫塑料。例如，聚苯乙烯泡沫塑料低于60 ℃，酚醛泡沫塑料为150 ℃，聚氨酯泡沫塑料可达170 ℃，有机硅泡沫塑料大于200 ℃。
人类使用芯材可以追溯到几个世纪以前。1940年，首次出现了在两层面板材料中间夹上低密度芯子进行叠层复合，以增加弯曲强度、减少重量的概念。最初用桃花芯木为面板、轻木为芯子制造夹层结构的机翼，但由于轻木芯易吸潮、易腐蚀及易燃烧，对飞机的安全性和可靠性不利，人们又研制出了金属蜂窝芯材以及后来出现的纤维夹层材料。
夹层结构复合材料是航空航天器的主要材料之一，是由上、下两块高强度面板（也称为蒙皮）和中间一层厚而轻的夹芯所组成，通常用胶粘剂将上、下蒙皮与芯子胶结成为整体刚性结构。复合材料夹层结构的面板通常采用纤维增强复合材料制造，夹芯通常采用蜂窝或泡沫塑料。夹层结构复合材料的各组分材料在材料合成和结构成形的过程中按复合效应形成新的性能，这种复合效应使组分材料的性能得到最大限度的发挥。
夹层结构的面板通常采用纤维增强复合材料，实际上可以用作面板的材料很多，如薄铝板、片状的木材、塑料（如三聚氰胺）等。夹芯材料可以单独采用蜂窝或泡沫塑料，也可以在蜂窝夹芯的孔格中填充硬泡沫。这样可以增大夹芯与面板的黏结面积，增加孔格壁的稳定性，提高夹层结构性能。
1.蜂窝
蜂窝夹芯因为形同天然蜂窝而得名，它由骨架材料（如铝箔、纸及玻璃布等）黏结制成。采用不同的黏结形式，可以制出各种孔格形状的蜂窝，蜂窝按照孔格形状不同可分为六角形、菱形、正方形、加强六角形及偏移六角形等形式。各种蜂窝中，以六角形蜂窝制造较容易，且性能较好，应用最为广泛。
蜂窝是具有一定的刚度和压缩强度、剪切强度的各向异性材料，在夹层结构中作为两块面板中间的结合媒介，能够稳定地支撑面板。蜂窝的受力形式以抗压和抗弯应用较普遍，夹层结构承受外载荷后，面板将载荷经胶结面传递到蜂窝上。
蜂窝是轻质材料，可设计范围宽，改变蜂窝的壁厚和孔格大小可以得到不同密度和性能的蜂窝。用蜂窝可以制造平面或曲面的复合材料，蜂窝能够比较容易地获得与面板一致的曲面形式。用蜂窝夹芯可以制造出轻质、高性能的层合板，但由于夹芯与面板之间胶结面积非常小，因此必须使用高性能树脂，以保证二者的黏结强度和稳定性。
2.泡沫塑料
泡沫塑料又称“多孔塑料”或“充气塑料”，是一种气体充填的轻质聚合物材料。它实际上是由玻璃态或高弹态的多孔聚合物与气体组成的两相体系。
泡沫塑料按树脂类型分类，有酚醛泡沫塑料、环氧泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、有机硅泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料等。航空上作为夹层结构芯材使用的泡沫塑料，主要是聚氨酯泡沫塑料、酚醛泡沫塑料和聚苯乙烯泡沫塑料。
泡沫塑料的主要特点是密度低，密度可调范围较宽。密度增加，力学性能提高，导热系数增大；密度减小，力学性能降低，导热系数减小。线膨胀系数受密度变化影响不大，主要取决于树脂类型。
泡沫塑料的使用温度，主要取决于树脂的类型。例如，聚苯乙烯泡沫塑料低于60 ℃，酚醛泡沫塑料为150 ℃，聚氨酯泡沫塑料可达170 ℃，有机硅泡沫塑料大于200 ℃。泡沫塑料具有良好的高频介电性能和隔声、减振性能。与蜂窝相比，泡沫塑料的力学性能不如蜂窝，但是隔声、减振性能优于蜂窝。
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