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核心材料:基础知识

可用于复合夹层结构的核心材料范围从纸张,铝和热塑性蜂窝芯到泡沫等。
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可用于复合夹层结构的核心材料范围从铝和热塑性蜂窝核心,聚氨酯和PVC泡沫等。以下是许多常见核心选项的底漆。

蜂窝核心

蜂窝核心范围从纸张和卡的低强度和刚度,低负荷应用(如国内内门)高强度和刚度,飞机结构的极轻的部件。蜂窝可以加工成扁平和弯曲的复合结构,并且可以使得符合复合曲线而不过度机械力或加热。

热塑性蜂窝状通常通过挤出产生,然后切成厚度。其他蜂窝状(例如由纸和铝制成的)是通过多级过程制成的。在这些情况下,用交替的,平行的粘合剂(通常是1.2×2.4米)的大型薄片(通常为1.2×2.4米),然后在粘合剂固化的同时在加热的压力机中堆叠片材。在铝蜂窝状的情况下,将片材堆叠通过其厚度切片。将切片(称为'块形式')稍后轻轻拉伸并膨胀以形成连续六边形细胞形状的片材。

在纸蜂窝的情况下,将粘在一起的纸张轻轻膨胀,形成一大块蜂窝,有几英尺厚。将这种脆弱的蜂窝纸以膨胀的形式保存起来,然后将其浸入树脂罐中,沥干后放入烤箱中烘烤。一旦这种浸渍树脂固化,块就有了足够的强度,可以切成所需的最终厚度。

在这两种情况下,通过改变膨胀过程中的拉力程度,可以产生规则的六边形细胞或过度膨胀(拉长)细胞,每种细胞具有不同的机械和处理/悬垂性能。由于这种粘结方法的建设,蜂窝将有不同的力学性能在0度和90度方向的板。

虽然皮肤通常是FRP,但它们可能几乎是任何带有适当性质的片材,包括木材,热塑性塑料(例如三聚氰胺)和片状金属,如铝或钢。蜂窝结构的细胞也可以用刚性泡沫填充。这为皮肤提供了更大的粘合区域,通过稳定细胞壁来增加芯的机械性能并增加热和声学绝缘性能。

蜂窝材料的性能取决于蜂窝的尺寸(因此频率)以及蜂窝网材料的厚度和强度。薄板的厚度一般为3-50毫米,面板尺寸一般为1200 × 2.400毫米,但也可以生产3 × 3米的薄板。

蜂窝芯可以使层压板变得坚硬且非常轻,但由于其粘接面积非常小,它们几乎只能与高性能树脂系统(如环氧树脂)一起使用,因此可以实现与层压板表皮的必要粘接。

铝蜂窝

铝蜂窝状产生任何结构材料的最高强度/重量比之一。铝箔的粘合剂粘合有各种构造,其可导致各种几何细胞形状(通常是六边形)。也可以通过改变箔厚度和细胞尺寸来控制性质。蜂窝通常以未膨胀的块形式供应,并将其拉伸到现场的片材中。

尽管其机械性能良好,但相对较低的价格,铝蜂窝状蜂窝状蜂窝状可防涉在一些应用中,例如盐水环境中的潜在腐蚀问题。在这种情况下,还必须进行,以确保蜂窝不会与碳皮直接接触,因为电导率可以加剧电毒腐蚀。铝合金蜂窝也存在它没有“机械记忆”的问题。在芯片层压板的影响下,蜂窝状会不可逆地变形,而FRP皮肤是有弹性的,将返回其原始位置。这可能导致具有未粘附皮肤的区域,机械性能降低。

nomex蜂窝

Nomex蜂窝是由Nomex纸制成的 - 一种基于Kevlar的纸张,而不是纤维素纤维。初始纸蜂窝通常浸入酚醛树脂中,以产生具有高强度和非常好的耐火性的蜂窝芯。它广泛用于飞机的轻质内部面板与皮肤中的酚醛树脂结合。也可以制造用于阻燃应用(例如公共交通室内)的特殊等级,其蜂窝状细胞填充有酚醛泡沫的添加,用于添加粘合面积和绝缘。

由于其高机械性能、低密度和良好的长期稳定性,Nomex蜂窝越来越多地应用于高性能非航空航天部件。然而,它比其他核心材料要贵得多。

热塑性塑料蜂窝

由其他热塑性塑料制成的核心材料重量轻,提供了一些有用的特性,也可能使回收更容易。它们的主要缺点是难以在蜂窝和皮肤之间实现良好的界面结合。

不同类型的热塑性塑料产生不同的性能:

  • 腹肌:用于刚性,冲击强度,韧性,表面硬度和尺寸稳定性
  • 聚碳酸酯:对于紫外线稳定性,优异的透光,耐热性和自熄性
  • 聚丙烯:用于良好的耐化学性
  • 聚乙烯:通用低成本核心材料。

泡沫核心

泡沫是最常见的芯材之一。它们可以由各种合成聚合物制成,包括聚氯乙烯(PVC),聚苯乙烯(PS),聚氨酯(PU),聚甲基丙烯酰胺,聚醚酰亚胺(PEI)和苯乙烯腈(SAN)。它们可以在不到30 kg / m的密度范围内提供3.大于300kg /m3.,尽管复合结构最常用的密度范围为40至200千克/米3.。它们还提供各种厚度,通常为5至50毫米。

PVC泡沫

闭孔聚氯乙烯(PVC)泡沫是高性能夹层结构最常用的芯材之一。虽然严格来说它们是聚氯乙烯和聚氨酯的化学混合物,但它们往往被简单地称为“聚氯乙烯泡沫”。

PVC泡沫在70年代开始作为芯材使用。随着海洋应用中的夹层结构开始优化,对低密度、一致、防潮芯材的需求得到了实现。经过多年的改进,PVC泡沫塑料的特性很好地适应了海洋工业的需要。与其他密度相近的泡沫相比,PVC泡沫具有良好的物理性能,闭孔性好,防潮性好。

PVC泡沫在技术上是PVC和聚脲的互穿聚合物网络(IPN)。这些聚合物的相互作用使泡沫成为其独特的特性。虽然,泡沫是热固性的,但它仍然可以热成型。此外,它耐受许多溶剂,包括苯乙烯和大多数燃料,但与大多数粘合剂和层压树脂相容。PVC泡沫是闭孔的,吸湿非常低。它是自灭火,不会腐烂。其他固有性质是具有普通粘合剂和树脂的优异疲劳寿命和良好的粘合强度。

PVC泡沫可在3pcf至25 pcf的各种密度中获得(45kg / m3.到400 kg / m3.)。与聚氨酯泡沫不同,PVC泡沫不是一种双组分就地灌注型泡沫。制造过程要复杂得多。原料在受控条件下混合在一起,并分配到模具中。然后密封填充的模具,放置在一个大的压力机和加热,同时保持夹紧关闭。这一过程完成后,固态材料的板坯从模具中出现。然后,该材料在热水浴中膨胀至最终密度并固化。然后,根据客户的要求,将固化后的木块切成不同厚度的薄片。该工艺和配方结合起来赋予了泡沫的闭孔性质和优异的物理性能。

PVC泡沫塑料可以制成硬质或延展性的版本。刚性PVC泡沫,有时被称为交联,具有更高的耐热性和耐溶剂性比延性泡沫。此外,物理性能一般提高20-40%。硬质PVC泡沫塑料的破坏剪切应变随密度的变化在12-30%之间。延性PVC泡沫,有时称为线性,具有较高的剪切断裂伸长率,通常超过40%。然而,在一定密度下,延性泡沫具有较低的物理性能、耐热性和耐溶剂性。

海洋级硬质PVC泡沫可以加工高达180°F和连续使用高达160°F。它们在低温下不会变脆,甚至可以用于低温应用。特殊等级的PVC泡沫可以加工高达250°F,并连续使用高达190°F。延展性PVC泡沫可以加工到150°F,并在120°F连续使用。

PVC泡沫提供静态和动态性能的平衡组合,良好的吸水性抵抗力。它们的工作温度范围通常为-240°C至+ 80°C(-400°F至+ 180°F),并且对许多化学品耐受耐受。虽然PVC泡沫通常是易燃的,但有阻燃等级可用于许多火灾关键应用,例如火车组件。当用作具有FRP Skins的夹层结构的核心时,其与苯乙烯的合理抗性意味着它可以用聚酯树脂安全使用,因此在许多行业中受欢迎。它通常以片状形式提供,无论是普通的还是网格均可,以便易于形成形状。

有两种主要类型的PVC泡沫:交联和非交联与非交联泡沫有时被称为“线性”。非交联泡沫材料(如Airex R63.80)更坚韧,更有弹性,更容易在曲线周围热形成。然而,与交联PVC的等效密度相比,它们的机械性能较低,对高温和苯乙烯的耐受力较低。它们的交联板更硬但更脆,会产生更硬的面板,不容易在炎热的气候下变软或爬行。典型的交联PVC产品包括Herex c系列的泡沫,Divinycell H和HT等级,以及Polimex Klegecell和Termanto产品。

新一代增韧PVC泡沫也可以成为可用的可用,其交易交联PVC泡沫的一些基本机械性能,用于线性泡沫的一些改进的韧性。典型产品包括DivinCell HD等级。

由于PVC /聚氨酯化学在交联的PVC泡沫中的性质,这些材料需要用树脂涂层彻底密封,然后可以安全地与低温固化预浸料坯配合使用。虽然这些泡沫的特殊热稳定处理可用于这些泡沫,但这些处理主要设计用于改善泡沫的尺寸稳定性,并减少温度加工期间在升高期间给出的气相量。

聚苯乙烯泡沫

虽然聚苯乙烯泡沫广泛用于帆和冲浪板的制造,他们的重量轻(40公斤/米3.)、低成本和易砂特性是最重要的,但由于它们的力学性能较低,很少被用于高性能构件施工。它们不能与聚酯树脂系统一起使用,因为它们会被树脂中的苯乙烯溶解。

PMI(聚甲基丙烯酰亚胺)泡沫

对于给定的密度,PMI(聚甲基丙烯酰亚胺)泡沫,例如Rohacell提供一些泡沫芯的最高总体强度和刚度。它们的特性还包括高尺寸稳定性,封闭的电池结构和高疲劳寿命,它们可以固化并在升高的温度下使用。它们的整体成本和性能特征意味着,迄今为止,它们的使用主要是在更高的性能复合部件,如直升机转子叶片,副龙和纵梁型材在压力舱壁中。

苯乙烯丙烯腈(San)共聚物泡沫

SAN泡沫与增韧交联PVC泡沫具有相似的行为方式。它们具有交联PVC芯的大部分静态特性,但具有更高的伸长率和韧性。因此,它们能够吸收会破坏b

SAN泡沫在许多应用中更换线性PVC泡沫,因为它们具有大部分线性PVC的韧性和伸长率,但具有更高的温度性能和更好的静态性能。然而,它们仍然是热成型的,这有助于制造弯曲部件。热稳定的SAN泡沫等级也可以更简单地与低温固化预浸料坯,因为它们没有PVC中固有的干扰化学。典型的SAN产品包括ATC核心单元的A系列泡沫。

聚氨酯泡沫

聚氨酯泡沫世界非常大,多样化 - 机会是良好的,你现在坐在某种柔性聚氨酯泡沫上 - 但复合核心应用的有用产品是刚性泡沫。

术语“硬质聚氨酯泡沫”包括两种聚合物类型:聚异氰脲酸酯配方和聚氨酯配方。两者之间有明显的区别,无论是在产生的方式上,还是在结果的表现上。

Polyisocyanurate泡沫。聚异氰脲酸酯泡沫(或“三聚体泡沫”)通常是低密度,绝缘级泡沫,通常通过连续挤出工艺制成大块。这些木块经过切割机加工成薄片或其他形状。聚异氰脲酸酯泡沫具有优异的绝缘值,良好的抗压强度性能,耐温度高达300°F。它们的密度在每立方英尺1.8到6磅之间,而且价格相当便宜。他们的硬,脆的一致性和他们的倾向脱落灰尘(易碎性)磨擦可以用来识别这些泡沫。

正是这种易碎性限制了聚异氰脲酸酯泡沫在复合材料板应用中的应用,因为这种泡沫表面的韧性的缺乏会导致泡沫与层合板在振动或弯曲条件下的粘结失效。由于这个原因,在玻璃钢船的建造中,这些泡沫的结构使用通常仅限于用于纵梁和帽形截面的内模形状。在这里,泡沫没有支持功能,但提供了一种形式的纤维和树脂复合铺设它。

其他用途包括冷储物建筑中的板坯绝缘,以及低于其他建筑结构的绝缘。

聚氨酯泡沫。另一方面,聚氨酯泡沫是相当不同的,在复合结构中更有用。这些泡沫是在一个大块的连续挤压过程,或在一个批处理过程。然后这些木块被切割成薄片或其他形状。它们有时也被单独塑造成离散的部分形状。

异氰酸酯泡沫聚合物,虽然不像聚异氰酸酯材料那样严重交联,为用户提供了许多成本效益优势。泡沫密度范围从大约2磅每立方英尺,到50磅每立方英尺。不同于热塑性泡沫塑料(PVC, SAN),聚氨酯泡沫的单位成本以更线性的方式增加密度;例如,每立方英尺20磅的聚氨酯泡沫大约是10磅泡沫的两倍。

在相同密度下,泡沫的强度会有相当大的差异,这取决于所使用的泡沫生产工艺。这是由于通过不同的生产方法制造泡沫所需的化学配方的差异,以及在生产中泡沫的固化温度。

此外,如果易燃是一个问题,可以知道使用什么样的吹塑剂来在泡沫中产生细胞是有用的。许多生产商使用二氧化碳(泡沫制作化学反应的副产物),以在其泡沫中产生细胞。其他生产商已经从氯氟烃(HCFC,HFC)发泡剂转换为低密度泡沫制造过程中的戊烷,这可以对阻燃性产生有害影响。

聚氨酯聚合物泡沫可以显着更加难以脱颖而出,而不是多异氰脲酸酯泡沫,主要是以某种模量和高温强度性能的代价。然而,这些泡沫可以是有用的(取决于配方)至高达275°F的温度,同时保持其强度和韧性的大部分。这允许它们在面板应用中以及高温固化预浸料坯中使用,固化在烤箱或高压釜中。

典型的应用包括用于蜂窝飞机 - 内部面板,结构形状(Transom Cores,Bulkhead Core,Stringers等)的边缘特写,在FRP船舶建筑物,冲击限制器和崩溃垫,RTM核心,模具图案和插头,运动器材芯材和复合工具。

Polyisocyanurate /聚氨酯泡沫

有多异氰脲酸酯/聚氨酯泡沫的生产者,两种泡沫类型的混合,试图让两个世界都有最好的。这些泡沫在强度值(与聚氨酯泡沫相比)提供了一些改善,以及在耐温下牺牲的牺牲(与多异氰脲酸酯泡沫相比)的减少。

尽管如此,这种组合的结果是折衷,并且可能在一些应用中不存在两种聚合物的最佳性质。这些泡沫仅限于每立方英尺2-8磅的密度。

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