(江南大學經(jīng)編技術(shù)教育部工程研究中心，無錫，214122)

復合材料是一種傳統(tǒng)材料不可比擬的結(jié)構(gòu)性和功能性材料，以其可設計性強、比強度和比模量高、結(jié)構(gòu)功能一體化等性能優(yōu)點，已成為新材料領域的重要主導材料，是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展、國防建設和科學技術(shù)創(chuàng)新不可缺少的基礎材料［1］。復合材料的輕量化更是現(xiàn)代復合材料界重要的發(fā)展趨勢，三維泡沫夾芯結(jié)構(gòu)復合材料正是在這樣的形勢下應運而生并得到推廣使用的。資料顯示，此類材料與鋼材相比，質(zhì)量減輕75%，而強度提高4倍。目前，此類材料被廣泛應用于航天航空工業(yè)，以減少能源消耗;在建筑行業(yè)中，用于制造墻板、屋頂板和隔聲板等;在造船、交通運輸?shù)阮I域中，作為車船等運輸工具的冷藏保溫車廂體等的應用也越來越廣泛，具有潛在的發(fā)展前景。圖1所示為三維泡沫夾芯復合材料。

1 三維泡沫夾芯復合材料的結(jié)構(gòu)

三維泡沫夾芯復合材料可分為獨立式和一體式兩種。其骨架結(jié)構(gòu)的編織成型方法有機織、針織、編織和縫合等。本文主要介紹縫合、機織及針織三類復合材料骨架的加工方法，其原料均采用玻璃纖維。三維泡沫夾芯復合材料由于整體性好，從根本上解決了傳統(tǒng)材料抗剪切性差、易分層等問題。

圖1 三維泡沫夾芯復合材料

1.1 三維縫合泡沫夾芯復合材料

三維縫合泡沫夾芯復合材料較之以往的三維泡沫夾芯復合材料有較大的改進，它更注重結(jié)構(gòu)的整體性。一般上下面板采用玻璃纖維軸向布或玻璃纖維氈等增強織物，芯材采用PVC泡沫。通過在泡沫中按照事先設計好的穿孔格局，沿厚度方向?qū)VC泡沫芯材穿孔;然后，手動用玻璃纖維長絲紗將上下面板及芯材縫合在一起;最后，再灌注樹脂固化成型，即可得到三維縫合泡沫夾芯復合材料［2］。

另外，也可采用RTM(樹脂傳遞模塑)法來加工三維縫合泡沫夾芯復合材料。其原理是:在一個耐壓的密閉模腔內(nèi)填滿預先準備好的纖維增強材料，再用壓力將液態(tài)樹脂注入腔內(nèi)使其浸透增強纖維，然后固化成型。

其復合工藝步驟如下:先按模具大小分別對面密度為1 200 g/m2雙軸向經(jīng)編織物及泡沫芯材進行裁剪［3］，對模具進行清潔處理并涂刷脫模劑。在模具上依次鋪放兩層雙軸向經(jīng)編織物，為了保證增強材料受力均衡，兩層雙軸向經(jīng)編織物的鋪設方式如圖2所示。然后，在其上放置沿厚度方向穿孔的泡沫芯材，再在該泡沫芯材的上表面按上述方法放置兩層雙軸向織物，用玻璃纖維長絲紗手動針刺縫合處理，如圖3所示。最后，利用樹脂注射機進行RTM樹脂注射。

圖3 手動增強纖維縫合過程

三維縫合泡沫夾芯復合材料雖然解決了夾芯結(jié)構(gòu)復合材料易分層問題，但由于需要手動針穿刺縫合處理，對上下面板內(nèi)的纖維材料造成了不同程度的損傷，使面內(nèi)剛度、強度和疲勞抗力降低10%～20%［4］，影響了材料的力學性能。此外，手動縫合工作量大，不適合批量生產(chǎn)，且結(jié)構(gòu)單一。

1.2 三維機織泡沫夾芯復合材料

三維機織復合材料是以機織間隔連體織物一次成型作為骨架結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過樹脂復合以及發(fā)泡工藝，最終得到三維機織泡沫夾芯復合材料。圖4所示為三維機織間隔連體織物結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 三維機織間隔連體織物結(jié)構(gòu)示意圖

三維機織間隔連體織物的編織工藝集經(jīng)編、緯編及機織原理為一體?？椢镞x用全玻璃纖維，上下表面之間由連續(xù)纖維芯柱相接而成一體，呈中空結(jié)構(gòu)，其層面之間經(jīng)向紗線呈“8”字型，緯向紗線呈“1”字型［5］，如圖5所示。對三維機織骨架結(jié)構(gòu)進行樹脂泡沫復合成型可分二步進行。第一步:樹脂手糊工藝。首先，對織物上下表層施加與芯柱纖維傾斜方向相反的拉伸載荷，撐起織物;然后，在模具上涂刷脫膜劑，再在其上均勻地涂刷少量樹脂(含量控制在40% ～50%);將織物放于其上，再將剩余樹脂均勻涂刷織物上表面(剩余的50% ～60%)，使樹脂浸透整個織物;并在烘箱100℃溫度下進行固化處理。第二步:泡沫真空輔助成型。預定型的織物放入模具中，采用真空輔助注入樹脂，將攪拌均勻的帶有添加助劑的可發(fā)性樹脂沿經(jīng)向截面注入間隔織物芯柱間的間隙;樹脂注滿模具后，將模具移入烘箱，加熱發(fā)泡固化及后處理［6］。

圖5 三維機織復合材料實物圖

三維機織泡沫夾芯復合材料的骨架結(jié)構(gòu)采用整體一次成型，雖然在性能上得到改善，但織造困難，織機需要改造，可設計性差，結(jié)構(gòu)單一。

1.3 三維經(jīng)編泡沫夾芯復合材料

三維經(jīng)編泡沫夾芯復合材料是以經(jīng)編間隔織物作為復合材料的骨架結(jié)構(gòu)。在雙針床經(jīng)編機上加工，其經(jīng)編間隔織物的最大特點是:①結(jié)構(gòu)整體性好，在雙針床經(jīng)編機上一次成型。②可設計性強，可通過改變經(jīng)編組織墊紗數(shù)碼進行織物結(jié)構(gòu)設計，改變中間間隔絲的穿紗方式進行纖維芯柱的密度調(diào)節(jié);也可通過組織變換進行纖維芯柱形狀的改變，如“I”、“V”、“X”等。③生產(chǎn)效率高。

圖6所示為三維玻璃纖維經(jīng)編間隔織物，其組織結(jié)構(gòu)為經(jīng)平+2針襯緯組織。圖7所示為墊紗運動圖，其中GB1、GB2和GB5、GB6為前后面紗運動，GB3為連接前后針床的間隔紗運動。此織物是在常州武進五洋紡織機械有限公司提供的雙針床經(jīng)編機上加工的上機試樣，機號為E6。本文研發(fā)的雙針床玻璃纖維經(jīng)編間隔織物的成功編織在國內(nèi)為首例，這一技術(shù)為三維板材提供了廣泛的應用前景。連接前后針床的間隔絲通過改變穿紗方式，可以得到不同密度的纖維芯柱，即不同大小的空間間隙。此類織物可以采用上述三維機織骨架結(jié)構(gòu)的樹脂泡沫復合成型工藝加工成三維復合材料。圖8所示為未經(jīng)泡沫填充而僅經(jīng)環(huán)氧樹脂復合后的三維經(jīng)編復合材料。

圖6 三維玻璃纖維經(jīng)編間隔織物

圖7 三維經(jīng)編間隔織物墊紗運動圖

圖8 環(huán)氧樹脂復合后的三維經(jīng)編復合材料

2 三維泡沫夾芯復合材料的應用

三維泡沫夾芯復合材料具有比強度高、比剛度大、輕質(zhì)、隔熱、隔聲、減震等一系列優(yōu)越的性能特點，被廣泛應用于航天航空、建筑、交通運輸?shù)雀鱾€領域。其中，以優(yōu)越的隔熱性能作為航天、民用材料應用尤為突出。

2.1 在航天飛行器上的應用

航天飛行器在飛行時要以很高的速度通過大氣層，與此同時將產(chǎn)生巨大的熱能，為了確保整流罩內(nèi)部各部件能夠在合理的溫度范圍內(nèi)正常工作，其前端整流罩隔熱層的作用必須要盡量減少進入飛行器內(nèi)部的熱能。而航空航天工業(yè)所選用的隔熱材料不僅要具有隔聲、減震、防腐蝕等性能，而且要達到輕質(zhì)的要求，以減輕機身質(zhì)量［7］。

目前，對于航天航空業(yè)中所用的高溫和超高溫隔熱體，現(xiàn)代設計中大多采用復合材料的結(jié)構(gòu)形式，尤其是這種三維泡沫夾芯復合材料，如圖9所示。在靠近熱面處采用耐高溫的材料，在遠離熱面處則采用導熱系數(shù)較低、價廉和性能好的隔熱材料，既達到輕質(zhì)要求，又起到隔熱效果?；谏鲜鲈瓌t，作為航天飛行器的隔熱材料，可以選用陶瓷基三維泡沫夾芯復合材料，最外層的陶瓷基材料耐燒蝕，中間夾芯層為泡沫隔熱材料。

圖9 航天飛行器整流罩中采用的復合材料

2.2 在房屋上的應用

三維泡沫夾芯復合材料在房屋上主要作為墻體、屋頂板等。由于織物間隔層通過發(fā)泡工藝填充硬質(zhì)聚氨酯泡沫，兼?zhèn)滟|(zhì)輕、隔熱、隔聲、防潮、抗震等優(yōu)越性能，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的珍珠巖保溫材料。硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料具有極低的熱導率，是目前已使用的任何建筑保溫材料都無法比擬的。加之其外表面為堅硬的復合板材，是無可替代的新型保溫墻體。

相關資料表明，現(xiàn)代社會飛速發(fā)展所需的大量能源已給社會和資源造成沉重的負擔，而建筑物使用中所消耗的能源已占全球能源消耗量的1/3［8］。因此，建筑節(jié)能材料受到高度重視。目前，我國北方部分地區(qū)已開始普及使用這種建筑節(jié)能外墻保溫材料，尤其是那些臨時搭建的可移動房屋上應用更為廣泛。這種作為墻體用保溫材料有許多優(yōu)點:①高效節(jié)能?？蛇_建筑節(jié)能50%～60%的要求。②有利于房間的熱穩(wěn)定。在夏季可減少太陽輻射熱的影響，在冬季不會造成額外的熱損失，減小風霜雨雪的侵蝕，使室內(nèi)溫度較為穩(wěn)定。③施工方便快捷。該保溫板如同給建筑物穿上外衣，并且輕質(zhì)，安裝和拆卸十分方便。④安全性高。該保溫板采用新型工藝復合而成，制作過程中保證了材料的安全性;同時，該板具有抗風、抗震、防火、防水、耐久的特點，安全系數(shù)高。⑤美化環(huán)境。該保溫板可以作為使舊樓外觀煥然一新的新型裝飾材料，美化環(huán)境，具有一定的商用價值［9］，如圖10所示。

圖10 墻體用三維泡沫夾芯保溫板

2.3 在車廂體上的應用

三維泡沫夾芯復合材料用在車廂體上，具有質(zhì)輕、整體強度高、絕熱密封性能良好等優(yōu)點。有關實測表明:其車廂傳熱系數(shù)值為0.3 6 W/(m2·K)，車廂單位容積泄風量(壓差為98 Pa時)為5.4 L/h，整車荷重比為 0.96［10］。相比較而言，傳統(tǒng)的金屬材料消耗量大，生產(chǎn)制造周期較長，廂體保溫密封性較差，荷重比小。采用這種板材作為保溫冷藏用車廂體，改變了傳統(tǒng)廂式車生產(chǎn)模式，一次整體成型，無副產(chǎn)物產(chǎn)生，特別適用于大型構(gòu)件的制造，并且兼具良好的韌性和機械強度，可廣泛應用于制造車廂外殼及其車身附件，是一種大有發(fā)展前途的新型車廂體用材料。相關資料表明，作為保溫車廂體用的三維泡沫夾芯復合材料，一般面板厚度為2～3 mm，夾芯層的厚度可根據(jù)設計及性能要求選定(通常為40～100 mm)［10］。圖11所示為三維泡沫夾芯復合材料在保溫車廂體上的應用。

圖11 采用三維泡沫夾芯復合材料的保溫車廂體

據(jù)相關資料報道，目前我國復合材料市場對這種三維泡沫夾芯板的需求量越來越大，截至2011年底，已達到5×107m2左右。在交通運輸領域，我國將建設省會城市及大中城市間的快速客運通道，2010年以后鐵路和城市軌道交通對泡沫夾芯結(jié)構(gòu)板材的年需求量將逐步達1 100～1 200 t。隨著國家對泡沫夾芯板產(chǎn)品質(zhì)量、性能及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求的大幅度提高，三維泡沫夾芯結(jié)構(gòu)板材將獲得越來越大的發(fā)展空間，預計未來5年內(nèi)將占到市場份額的60%以上，屆時也很有可能達到像歐洲一樣的市場份額。

2.4 在其他領域的應用

三維泡沫夾芯復合材料的輕質(zhì)、高強度特點，使其在風電領域作為風電葉片的關鍵材料之一。在葉片的前緣、后緣以及剪切肋等部位，一般都采用此類材料。它可以增加材料結(jié)構(gòu)剛度，防止局部失穩(wěn)，提高整個葉片的承載能力，而且其成本約占葉片材料總成本的20%。另外，機艙罩也越來越多地采用泡沫夾芯復合材料結(jié)構(gòu)。按國家的有關政策，2010—2020年每年預計新增1×107kW的裝機容量，每年對夾芯材料的需求量將達到12 000 t。因此，三維泡沫夾芯復合材料的發(fā)展勢頭良好，應用前景廣泛。

3 結(jié)語

現(xiàn)代工業(yè)與民用建筑對這類輕質(zhì)兼具多功能性的三維泡沫夾芯復合材料的需求量和用量愈來愈大，不僅僅局限于隔熱材料，在作為輕質(zhì)、高強、隔聲、抗震、抗腐蝕材料方面也有一定范圍的應用，很大程度上，這類材料已凸顯出其優(yōu)越的性能。科學技術(shù)的發(fā)展，特別是尖端科學技術(shù)的突飛猛進，對材料的性能要求越來越高，因此更加受到人們的高度關注。三維泡沫夾芯復合材料必將成為未來新材料發(fā)展中的主力軍之一，擁有廣闊的市場前景。

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