“轻且不损失质量”PMI泡沫——新晋复合夹层结构芯材
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在航天航空、交通运输结构的设计中，轻且不损失质量，是设计人员对构件最大的挑战！
PART 01
复合材料夹层结构泡沫芯材
上世纪80年代末，航空公司首先提出飞机结构中应当避免使用蜂窝夹层结构，因为在使用过程中，其表面容易发生损伤，产生显微裂纹并浸入水分。另外，蜂窝也不适用于液体树脂注射工艺（RTM）。
在高性能复合材料领域，复合材料夹层结构是制造轻质、高强度部件的首选。其中飞机结构广泛使用的夹芯材料，通常与碳/玻璃纤维预浸料一起使用。常见的结构有机翼前缘、方向舵、起落架舱门、翼身和翼尖整流罩等。
有数据显示，赢创德固赛ROHACELL®系列泡沫的密度范围有0.03g/cm³-0.2g/cm³，是铝密度的1/90-1/14，是碳纤维复合材料的1/50-1/8。
想要达到同样的力学性能，使用ROHACELL®三明治结构能在全碳纤维复合材料的重量基础上再减重25%。
PART 02
PMI不仅仅做为一种轻质材料
#可以使用夹层结构设计来满足强度、刚度要求。#
在相同密度的泡沫中，PMI泡沫是目前比强度和比刚度最高的硬质闭孔泡沫材料。
其中有些泡沫体是由液体组分制得时（例如聚氨酯泡沫），线弹性状态下，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。
在夹层结构中，PMI泡沫材料可以作为结构性单元。过去，一般仅仅把泡沫作为填充材料，不考虑其强度和刚度对结构的贡献。主要原因是过去使用的泡沫材料，例如PUR泡沫，一般是在结构完成以后，空腔内发泡，这样泡沫的质量，均匀性和力学性能难以保证。
PMI泡沫采用的是独特的固体发泡技术，泡沫的质量、均匀性和力学性能都可以保证。也有计算得出，如果把PMI泡沫作为夹层结构的结构性单元，面板可以减少1－2层碳纤维铺层。
PART 03
优势性能
#耐久性方面的优势#
泡沫夹层结构与蜂窝夹层结构比较的另一个特点是其抗吸湿性好得多，由于泡沫是闭孔的，湿气和水分很难进入到夹芯里面去，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。
根据国外文献报道，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。两种材料的吸湿实验对比见下图。目前，舰载机型以及一些雷达透波构件（雷达罩）尽可能的避免采用蜂窝结构，减少维护成本。
#PMI泡沫还具有突出的耐压缩蠕变性能#
PMI泡沫的比强度和比刚度是使得材料具有良好的使用性能，PMI泡沫耐压缩蠕变性能使得材料同时也具备了良好的工艺性能。
碳纤维环氧复合材料体系的固化需要设定的压力，温度和时间为固化条件。如果采用节约成本的共固化工艺，作为芯材的泡沫材料，需要具有良好的耐压缩蠕变性能。经过试验，PMI泡沫能够满足各种固化条件的要求。
#其他优势性能#
在各种温度下都具有很好的力学性能，即使在低密度情况下
• 可承受高达220°C的高温• 独特的压缩蠕变性能，可以满足高温180℃的共固化工艺• 良好的动力学性能• 针对不同的固化工艺，定制孔隙大小
PART 04
PMI泡沫在航天航空夹层结构中的最新应用
PMI泡沫还广泛应用在各种型号的直升机桨叶中作为芯材，采用模压固化工艺，例如Lynx, EC135，EH101，Tiger等，如下图所示。
新一代的“虎”式直升机的发动机短舱是使用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°C。只有使用ROHACELL®XT才能实现共固化，降低成本的同时减轻重量。
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。如何改善泡沫芯夹层结构，提高芯材-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，结合国内外的最新研究和应用表明：缝纫或针刺是提高泡沫芯材性能的有效途径。
同时近年来随着降低制造成本的要求，RTM工艺技术的推广，需要有一种轻质闭孔材料来代替，而蜂窝结构不易满足RTM工艺的要求。
适用于液体树脂注射工艺（RST）
RTM工艺：液体树脂注射是一种相对较新的优化制造工艺。
借助RTM（树脂转注模）的技术，生产高性能夹层结构构件。目的是为了简化生产过程，降低制造成本，节约原材料的价格。选用价格相对较低，具有良好的铺覆性能的布，可以实现批量生产，构件能达到使用高质量的预浸料的效果。
如果将蜂窝的孔隙加以密封，不让低黏度的注射树脂流入蜂窝孔隙，在RTM制造工艺中，也可以选择蜂窝作为夹心材料。不过，通常如果采用RTM工艺生产夹层结构复合材料，一般采用泡沫芯材。
和热压罐工艺相同，芯材也需要具有良好的耐压缩蠕变性能，满足树脂注射压力和注射温度的要求。
