2006年第5期

玻璃钢/复合材料

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多孔固体芯材夹层FRP结构的工艺及性能评述

居建国,李文晓,薛元德

(同济大学航空航天与力学学院,上海

200092)

摘要:本文从制造工艺和材料性能等角度评述了FRP高性能夹层结构用芯材的特性,认为不同的多孔固体芯材在高性能夹层结构中是不可替代的,它们之间互为补充。

关键词:夹层结构;多孔固体;工艺;性能

中图分类号:TB383 文献标识码:A 文章编号:

1003-0999(2006)05-0055-04

由轻质芯体隔开两块刚硬、坚固的面板制成的结构件称为夹层结构。芯体对面板的分隔增大了夹层结构的惯性矩,而质量增加很少,得到一个抗弯曲和屈曲载荷的有效结构。夹层结构通常用于减小质量为关键目标的场合,如飞行器、便携结构、及运动器材。由于多孔固体芯材或面板的不同,其性能及成型工艺不同。较深入分析和评价,了解其适用性和局限性对夹层结构性能设计和工艺设计都有所裨益。夹层结构的芯材为多孔固体。多孔固体是由形成孔穴边缘和表面的相互联结的固体杆和板的网络所组成的物体。典型的结构有蜂窝、开孔和闭孔泡沫,按结构分为两大类,即蜂窝夹层结构和泡沫夹层结构。

法所得预浸料的外观更好,挥发份含量小,单位面积纤维重量及树脂含量的控制精度更高。制备的复合材料耐湿热性能明显好于溶液浸渍法所得的复合材料。除了人工裁剪外,预浸料可采用激光,高压水流或高速刀片切割。

面板与蜂窝粘结前对其胶接表面进行合适的处理,然后涂胶或覆盖胶膜。后者是目前常用的方式,

其优点在于胶膜的厚度均匀,挥发性溶剂含量受控,易于操作。覆盖胶膜的面板与蜂窝芯材叠合在一起,加温加压使胶膜固化形成夹层结构。热压罐工艺可实现蜂窝夹层结构的成型。所用的胶膜已形成系列,如赫氏公司的Redux系列和我国黑龙江石化院的J系列。

蜂窝夹层结构也可采取将未固化的面板覆盖胶膜后与蜂窝叠合,在热压罐中共固化成型。但这种工艺的最大的弱点是蜂窝孔穴处树脂流动难以控制,面板在固化过程中形不成压力,以致造成该部位的面板不致密。也有采用RTM工艺制备铝蜂窝夹层结构的报道,将TPU薄膜放在蜂窝面上防止树脂流入蜂窝孔穴。热压罐成型的主要工序为预浸料制备、模具制造、真空袋、吸胶、透气及隔离封闭材料等的铺设和抽真空加温加压固化。

由于热压罐工艺的特殊性,真空系统的制作过程中辅助材料是须考虑的问题,诸如真空袋膜、隔离膜、压敏胶带、隔离织物、吸胶毡、透气毡、真空密封胶带等一次性消耗的物品,而且价格不低。蜂窝夹层结构目前局限于热压罐方式成型。一些非常薄的面板可采用真空加热成型(在烘箱中),另一些平面产品可用液压机加热加压成型。成型须有二台设备。一台是制作面板预浸料的设备,可以是单向预浸料(无纬布)制备的排布机或编织物预浸料制备

1 蜂窝夹层结构的工艺性特点

蜂窝夹层结构成型工艺分为三大部分,即蜂窝制备、面板制备、和夹层结构制备。成型所需的材料为预浸料、蜂窝夹芯材料、结构胶粘剂和辅助材料。

目前,蜂窝芯材已形成专业化生产和销售,如赫氏公司的磷酸阳极化铝蜂窝系列,我国的相关单位也可提供铝蜂窝等系列产品。

蜂窝夹层结构复合材料面板采用预浸料铺层真空加压固化工艺。铺层方式按设计计算要求,在热压罐或其它设备中真空加压固化后形成刚硬的薄层面板。预浸料为单向预浸料(无纬布)或编织物预浸料。预浸料的制备中树脂粘度的选择是最基本的,通常选择的树脂在室温下是半固态到固态,保证预浸料含胶量的同时,要求其施工操作时具有一定的粘性。根据浸渍树脂的状态,预浸料制备的方式可分为溶液浸渍法(湿法)和热熔浸渍法(干法)。溶液浸渍法可分为辊筒缠绕法和连续铺放法。热熔浸渍法可分为熔融直接浸渍法和胶膜法。热熔浸渍

收稿日期:2006 01 05

作者简介:居建国(1955 ),男,研究员,在读博士,研究方向为复合材料加工工程。

/CM 2006.N5