新型泡沫芯熱塑性複合材料結構

對於航空航天業，三明治結構有著出色的輕量化特性。目前為止，主要是運用高成本工藝，將帶碳纖維增強覆蓋層和帶環氧樹脂預浸料的三明治結構附在芳綸/苯酚蜂窩芯上。如今這項工藝幾乎主導了整個直升飛機和展翼飛機內飾行業。因為直升飛機飛行高度低於展翼飛機，蜂窩狀三明治結構也可用於它的支承結構和塗層。而對於大型客機來說，該結構的物理特性會限制該結構的使用：因為高空飛行會引起溫度波動，使得蜂窩狀小孔里產生冷凝水，嚴寒天氣時冷凝水會結冰膨脹從而損壞材料。而且，大量手工操作導致的高生產成本和壓煮器的高投資成本都阻礙了傳統蜂窩狀結構應用範圍的擴大。

基於上述原因，空客創新公司與拜羅伊特大學合作開展了一個以生產成本低、強度高、質量輕、無吸濕效應結構為目的的研究項目。項目開發的第一步是分析所有現有體系的潛能。在分析的過程中可以看出：碳纖維增強塑料的蜂窩夾芯十分昂貴，而所有熱固性樹脂固化方案也由於硬化時間過長而不可取。此外，還能得出結論：用玻璃纖維增強塑料覆蓋層代替碳纖維增強塑料覆蓋也是不可行的，因為前者厚度太大，單位面積重量太高。所以，蜂窩結構的高成本自動化生產流程是不符合本項目研究目的的。

鑒於此種情況，合作雙方針對泡沫夾芯以及全方位運用於航空航天領域的聚甲基丙烯酸亞胺（PMI）的使用可能性展開研究。為了縮短生產循環周期，研究人員採用約0.5毫米厚的帶熱塑性矩陣的碳纖維增強塑料有機塗層代替了熱固性塑料塗層預浸料。這些塗層被附在泡沫夾芯上，但它的抗剪強度和抗壓強度並不符合既定要求。「針對這個問題，下一步要做的就是增強泡沫夾芯」，在空客創新公司主管其主要部門-複合材料部及其下屬工藝開發部的ChristianWeimer博士這樣說道。「接下來，我們將通過縫合碳纖維增強塑料纖維束來增強泡沫夾芯——作為兩個層面間的間隔墊片」。為此，空客公司自主研發了一款縫合機。最初，該機器只能從90度方向將碳纖維增強塑料纖維縫合到泡沫夾芯的表面。項目組成員JonasGruenewald 說，「為了提高抗壓度和抗剪度，我們開始將縫合角度調至45度。」

「通過這種方式，我們達到了既定的抗剪度和抗壓度要求，並且多虧這種增強，每1 cm3泡沫只需減重20kg即可」，空客公司研發人員TilmanOrth補充說道，「特別是在運用縫合增強技術，將纖維的方向和密度調整到能夠滿足構件的局部力線要求的時候」，Weimer博士解釋道。正確放置的泡沫夾芯看起來就像一把刷子，刷子的預浸纖維從兩邊突起。在施加塗層之前，這些纖維束需要被「熨平」，然後在不到一分鐘的循環時間內將其與熱塑性碳纖維增強塗層相結合。考慮到它的化學穩定性和循環性，研究人員還額外對材料為PEI（聚醚醯亞胺）和PEEK（聚醚醚酮）的泡沫進行了試驗，並取得了成功。

該研究團隊在德國不萊梅ITHEC展會上發表了一項最新的研發成果報告。該成果可作為一個開端，用初步批量生產的纖維銷釘代替縫合技術中的高成本碳纖維。「儘管實現自由元件的長度、方向和密度多樣性，還要額外消耗成本插入纖維橋聯，但是纖維銷釘本身成本低，且不需要縫合就可以對泡沫夾芯進行塗覆，」，Weimer解釋道。此外，熱塑性泡沫複合材料具有以下幾點明顯優勢：

-連接泡沫與三明治塗層的纖維束和纖維銷釘可提高三明治構件的抗壓性和抗剪性。

-可根據塗層的材料利用相應的熱技術將夾芯與塗層粘合。

-熱塑性矩陣可使得碳纖維增強塑料泡沫複合材料更容易與其它構件焊接。

-發泡三明治結構能夠在注塑機上以各種形狀注塑成型，並形成各種構件。

-泡沫與矩陣材料的使用可以實現構件的循環使用和碳纖維的再利用。

-與蜂窩狀三明治夾芯相比，泡沫夾芯內不會產生冷凝水。

-泡沫隔熱降噪性能好

在航天內飾領域裡，甚至是直升機尾部支架上，採用創興方案取締熱固性蜂窩三明治夾芯潛力巨大。由於多層結構在熱成型工藝中形變自由度極大，所以也有可能用於汽車領域，例如用於汽車車廂前壁，車門夾層或者座椅。另外，旅遊用車的車壁，天花板也都可以利用加固的泡沫內芯多層結構進行生產。尤其是在生產中，如果能採用玻璃纖維替代價格昂貴碳纖維，將會產生極大的效益。