文摘：

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。本文对复合材料夹层结构中常用的芯材做了简单对比，列出了泡沫夹层体系在结构方面、工艺方面和长期使用过程中的优势，介绍了目前航天航空结构体系，特别是无人机结构中应用最广泛的PMI泡沫的特点和应用实例。结合多孔固体的结构特点和国内外最新研究和实践，简单的论述了泡沫芯材的发展趋势。

主题词：PMI, 泡沫，蜂窝，夹层结构

1. 前言

在航天航空、交通运输结构的设计中，要求构件尽可能轻而不损失强度是对设计人员的最大挑战。在保证强度、刚度的同时，还要求所设计的薄壁结构在承受拉、压及剪切载荷的综合作用下不失稳。过去传统的飞机结构设计方法仍在一些范围内使用，通过用长桁和肋/框组成纵、横向加强件来提高板的稳定性。实际上，某些次结构也可以使用夹层结构设计来满足强度、刚度要求，例如蒙皮、舱门、口盖和翼身整流罩等。夹层结构的夹芯通常采用蜂窝或泡沫芯材。

2.  复合材料夹层结构芯材介绍

在设计时，对于面板考虑的主要因素是材料的强度和刚度，而对于芯材，考虑的主要因素是最大幅度的减轻重量。在飞机结构中芯材通常使用铝蜂窝、泡沫或NOMEX®蜂窝，如图1所示。铝蜂窝或NOMEX®蜂窝具有压缩模量高和重量轻的优点，它们是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。尽管蜂窝夹层结构在性能上比金属板金结构有突出的优点，但是航空公司还是在积极寻找其替代材料，因为蜂窝夹芯材料在使用过程中需要高昂的维护修理费用。在某些情况下如果面板出现裂纹和孔隙时，水和水汽就很容易地进入蜂窝。在低温情况下，进入蜂窝孔中的水被冰冻以后会发生膨胀，将破坏邻近的蜂窝孔格的粘结，这就降低了夹层结构的性能而必须进行修理。

图1: 铝蜂窝、PMI泡沫和NOMEX®蜂窝

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，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。同时，近年来随着降低制造成本的要求，RTM（树脂传递模塑）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。

铝蜂窝：铝蜂窝夹层结构一般应用在承受剪切载荷较大的部位，其面板通常也是金属板材，因为铝蜂窝和碳纤维面板一同使用时，如果两种材料之间电绝缘处理不当，就会发生电化腐蚀。

NOMEX®蜂窝： NOMEX®蜂窝是采用芳纶纸浸润酚醛树脂制成，具有广泛的应用领域。NOMEX®蜂窝和铝蜂窝相比，局部失稳的问题要小得多，因为NOMEX®蜂窝的蜂窝壁可以做得相对要厚一些。另外，因为NOMEX®材料不导电，不存在接触电化腐蚀的问题。NOMEX®蜂窝还能够满足FST（烟雾毒性）要求。

PMI（聚甲基丙烯酰亚胺）泡沫：PMI泡沫在进行适当的高温处理后，也能承受高温的复合材料固化工艺要求，这样使得PMI泡沫在航空领域得到了广泛的应用。中等密度的PMI泡沫具有很好的压缩蠕变性能，可以在120oC -180oC温度、0.3-0.5Mpa的压力下热压罐固化。PMI泡沫能满足通常的预浸料固化工艺的蠕变性能要求。作为航空材料的PMI泡沫是一种均匀的刚性闭孔泡沫，孔隙大小基本一致。PMI泡沫也能满足FST要求。

PVC 泡沫：PVC泡沫的主要优点是价格相对便宜，通常用来制造小型飞机构件，制造工艺不需要热压罐，固化温度低于120oC。在使用RTM工艺的时，需要对PVC泡沫加热后释放的气体给予一定的重视，因为这会导致面板材料内部产生孔隙。

综合上面的对比，可以看出目前航天航空复合材料夹层结构可以选用的泡沫芯材主要是PMI泡沫材料，和蜂窝材料相比某些方面有一定的优势。下面，就简单地介绍PMI泡沫材料的生产制造和性能特点。

3. PMI泡沫的基本力学性能

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170oC以上，根据密度和型号不同而不同。目前，世界上主要PMI泡沫产品有蓝茵化工的ARCHCELL®系列产品，工艺过程如图2所示。

图2：PMI泡沫的生产工艺过程和全部型号 

图3：ARCHCELL 71 MT-MC的微结构

ARCHCELL MT-MC泡沫的孔穴大小在0.3mm左右。

线弹性状态下，当泡沫体是由液体组分制得时（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。