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玻璃鋼夾芯材料的主要作用及應用

發布時間：2017-06-02

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自二十世紀四十年代低密度的"芯" 就已用于復合材料，它可分隔表皮材料可提高彎曲強度、降低重量。具有相同負荷能力的夾層結構要比實體層狀結構輕好幾倍。芯材還能對整體強度起加強作用，降低單位體積的成本、削弱噪音與震動、增加耐熱、抗疲勞扣防火性能等。芯材的作用機理是將剪切力從表皮層傳向內層，使兩個表皮層在靜態和動態載荷下都能保持穩定，并且吸收沖擊能來提供抗破壞性能。

芯材大致上分成三類：泡沫類，柔韌或堅硬；蜂窩類，一般選為更高規格的應用；膜袋制法和三維（3D）織物或無紡布。

芯材應用領域十分廣闊，涉及航空航天、船舶、交通運輸、建筑等領域。

1、航空航天

航空部門特別需要輕質高強的材料。夾層結構獲得低密度芯材的方法之一是復合模袋法。它在泡沫中將微珠有序結合，典型的是玻璃微珠。輕而堅硬的芯材或層材，用于飛機、航空器和其它領域。它們具有防火、低導電和抗破環的特性。

飛機的主要部件，如機身，機翼和尾翼可采用PVC泡沫芯材復合結構，同時使用丁二烯。在生產中不必進行高壓高溫處理。飛機的重量得以減輕。直升飛機最新一代復合螺旋槳葉采用密度較低、可耐大多數溶劑且可經受高壓蒸煮溫度和壓力的PMI泡沫芯材。它采用傳統預浸工藝制造。這種新型復合螺旋槳葉的壽命可達10000h/L先前的金屬槳葉壽命提高十倍。飛機的機艙地板對材料的要求非常挑剔。由于其使用的特殊性，要求其輕質、高硬度、耐疲勞及長壽命。現在飛機上使用了芳族聚酰胺纖維為芯材的地板和其它類似的產品。這些產品最大的優點是有效而持久，即使用于噴氣式飛機的過道，也完全滿足了機艙地板材料的要求。飛機上最早使用的鋁質夾層結構雖然輕質更結實，但是它不耐腐蝕、易扭曲、導熱、有導致點載荷破壞的傾向，而以芳族聚酰胺纖維為芯材的地板完全克服了鋁質夾層結構的這些缺陷。

美國新澤西洲的巴爾特得公司在20世紀60年代宇航員乘坐的探測號上使用了輕質木芯材。它使宇航員乘坐的探測號經受了降落時的沖擊。70年代輕質木芯材被用來隔離盛有大量液氮的艙體。今天超輕型競賽飛機，飛機模型和現代"超級風車"的槳葉都使用了輕質木芯材。

2、船舶

常規的交聯PVC泡沫己在船舶中廣泛應用。瑞士海軍的護衛艦使用了28、13.5、0.09m片狀構造的丁二烯蜂窩芯材。聚氨酯（PU）發泡芯材也常用于船舶的建造。80kg/m³高密度泡沫可應用于承載部件如船舷等；80～120kg/m³的泡沫專門用作甲板和上部構造的芯材。硬質PU泡沫廣泛用于水槽、絕緣板、結構性填料和充空填料。大型冷藏拖網魚船海王星號甲板室是整體成塑的夾芯結構，用玻纖布制作內外蒙皮和芯材，芯材的厚度為100mm。該船具有輕質、高強、耐海水腐蝕、抗微生物附著以及吸收撞擊能。該船在條件惡劣的巴倫支海和北大西洋營運。煙草競速隊11.5m長的高速機船贏得了1998年西海岸機船賽F2級（10.5~12.2m）冠軍。它的船底和表面使用了標準的輕質木，以保證最大的剪切和擠壓強度；船前部和甲板使用了密度較低的輕質木；隔壁面板，室內地板和家具也使用了輕質木芯材；泡沫芯材船頭取代了陳舊笨重的式洋。其結果是重量降低22％，速度提高了24km/h，達到136km/h了以上。

在多雜物（浮木等）漂浮的巴拿馬運河中營運的快速渡輪，其抗破壞能力應是首先考慮的，其次是總重量輕以保證渡輪的速度。由于這些原因，一種線型PVC泡沫芯材（密度140kg/m³）被選作船殼底材，密度80kg/m³的PVC泡沫芯材作船殼側面材料和舷側突出部。部件使用玻纖增強表皮層和真空袋膜工藝；甲板和船艙側面使用密度為78kg/m³的橫紋輕質木芯材，其表面用AL-600R/10（輕質木的專用表面處理劑）處理，以提高粘結力；交聯環氧樹脂/玻纖板材做艙房表皮層；材料加工運用計算機層壓設計程序，以保證渡輪達到ABS標準。

3、交通運輸

通用汽車（GM）第5代C－5雪佛蘭車使用了夾層結構的底板系統。這個夾層已進行了優化，以提高速度，降低噪音，減輕搖擺以及提供足夠的剛度支持汽車的座位。通用汽車公司選用控制密度的橫紋輕質木。這種材料由計算機數控切割，可減少安裝時間。交聯的PVC芯材在鐵路運輸中得到應用，典型的實例是丹麥的火車，并用于公共汽車和有軌電車及摩托車等。

一級方程式賽車模仿自然蜂窩結構，使用空心六邊形管相互作用增強原理制作芯材。賽車具有高的抗沖擊強度和能量吸收能力。比賽用自行車也采用這種蜂窩結構芯材。法國制造的鐵路冷藏車采用PVC泡沫芯材提高隔熱效果。其它芯材用于運輸車輛主要是利用它們的絕緣性，如聚異氰酸酯絕緣泡沫塑料等。

4、建筑

夾芯材料在建筑上的應用十分廣泛。在內外墻上使用纖維板、膠合板等各種夾芯材料，使墻壁具有隔音、隔熱、輕質、高強等優點。由于頂棚強度要求不太高，只要求重量輕、剛性好，有一定防火、保溫性能，其次是美觀和價格便宜，安裝方便，因此通常采用各種纖維芯材和PE鈣塑泡沫芯材等。其它芯材用在建筑上主要是利用它們的絕緣性，如美國艾洛特公司生產的聚異氰酸酯絕緣泡沫塑料用于工業隔離門，冷凍裝置、墻板和通風管道。美國蜂窩芯材公司的紙質芯材應用于耐化學腐蝕的門，建筑板材和內裝飾及地板。

降低成本、增強隔熱性和降低噪音是休閑設施制造商們考慮的主要因素。減重、節省油料和優美的外形也是選擇使用芯材時要考慮的因素。密度60kg/m³的交聯PVC泡沫可在真空袋膜制法的聚酯/玻纖層中使用。跨度較小且較低的門體可用40kg/m³PVC硬質泡沫。門體更輕、外觀好，制造成本低。

未來建筑技術的競爭是材料的有效利用。未來復合材料設計的關鍵在于芯材的選擇。（來源：復合材料社區）

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