PMI高性能泡沫夹层材料的应用及国内研制现状

·创新与可持续发展

PMI高性能泡沫夹层材料的应用及国内研制现状

陈一民

1何斌2

(

1.国防科技大学航天与材料工程学院，长沙

410073;

2.湖南省塑料研究所，长沙

410001)

摘要本文描述了聚甲基丙烯酰亚胺

(

PMI)泡沫夹层材料的应用及国内研制现状。

关键词

PMI泡沫

;夹层结构

;制备

;应用

引言

复合材料及其结构是飞行器的一大关键用材和承重结构件，为了提高复合材料的力学性能，充分利

用材料的强度以及减轻结构重量，飞行器的结构件采用了大量的泡沫夹层结构复合材料。聚甲基丙烯

酰亚胺

(

PMI)泡沫以其卓越的综合性能，在大型客机和运输机、战斗机、直升机、高速列车、风力发电机

叶片、卫星和运载火箭及运动和医疗器材等方面获得了大量的应用。

2

PMI泡沫特性

聚甲基丙烯酰亚胺

(

PMI)泡沫是所有高分子泡沫

中比强度最高的泡沫，其卓越的综合性能表现在

:泡沫

表面平整、结构和力学性能无方向性、可机械加工、耐

有机溶剂和与各种树脂系统兼容性好

;高比强度、高热

变形温度

(

180℃～

200℃

)和优异的抗压缩蠕变性能，

PMI泡沫的高比压缩强度

(图

1

)使其能承受

180℃～

200℃的复合材料树脂固化工艺对泡沫的尺寸稳定性

要求。

同时，PMI泡沫具有热变形性能，可根据复合材料

制备对泡沫夹芯形状的要求，进行热变形

(图

2和图

3)

的特点，这是其他夹层材料所不具备的。

与蜂窝相比，PMI泡沫可以支撑预浸料，表面不会产生局部不平整。因而，减少了预浸料的层数和

面层的厚度，确保层合板的质量，提高了屈服强度和表面平整度。另外，由于

PMI泡沫属于闭孔结构泡

沫，作为树脂基复合材料的夹芯材料，十分适用树脂传递模塑(

RTM

)或真空辅助

RTM成型

(

VARTM)

等树脂注射工艺来制备夹层结构复合材料。

图

1各种泡沫芯的压缩强度比较

图

2

PMI泡沫模具热模压成型图

3

PMI泡沫真空袋热定型成型

\f

复合材料原材料·361·

3

PMI泡沫的国内应用

自

PMI泡沫问世以来，德国

Degussa公司全面考核了

PMI泡沫在航空航天、高速交通及风力发电等

领域的应用性能，证明了

PMI泡沫在上述领域应用的可靠性和安全性，并已经在上述领域得到了广泛

的应用。目前，Degussa公司是大规模生产

PMI泡沫的唯一厂家，

开发了不同规格的

PMI泡沫，以满足各种使用要求。

目前，国内航天航空和交通等研制和应用单位所用的

PMI泡

沫都从国外进口。如中国首架自行研发的新型支线飞机

ARJ21

(图

4)，于

2008年

11月

28日进行

了首次蓝天之旅，ARJ21飞机

的机翼和翼片都采用了进口的

PMI泡沫作为夹层结构复合材料

的泡沫芯材。

国产的

C919大型客机及未来大型运输机机身、机翼和压力

框等复合材料泡沫夹层结构均选用了

PMI泡沫芯材

;

PMI泡沫还

在国产的

XX直升机旋翼、尾翼和机身，及

XX火箭壳体等的泡沫夹层结构树脂基复合材料方面获得了

应用。

同时，PMI泡沫在民用的核磁共振医疗设备、音响设备和运动器材等方面得到了应用，PMI泡沫在

国内具有广阔的应用前景。

4

PMI泡沫的国内研制现状

基于聚甲基丙烯酰亚胺

(

PMI)泡沫的优异性能和广阔的应用领域，国内有多家单位开展了

PMI泡

沫研制和产业化研究，国防科技大学与湖南省塑料研究所在

XX项目的支持下，于

2005年联合开展了

PMI泡沫的研制工作，全面掌握了制备和生产

PMI泡沫的关键技术，主要包括

:

共聚反应技术

成核和发泡技术

泡沫组成和结构控制技术



PMI泡沫强度增强技术



PMI泡沫制备的关键设备



PMI泡沫关键工艺控制技术

PMI泡沫制备的基本配方如表

1所示。PMI泡沫制备的工艺流程如图

5所示。

表

1制备

PMI泡沫基本配方

图

4国产

ARJ21支线飞机

组分名称用量

(份)组分名称用量

(份)

甲基丙烯酸

100阻聚剂

0.

01～

0.

02

甲基丙烯腈

85～

100交联剂

0.

05～

1.

00

引发剂

0.

05～

1.

00成核剂

2～

5

发泡剂

3～

20泡沫稳定剂

2～

6

PMI泡沫的泡孔结构如图

6所示，PMI泡沫泡壁呈多边形，泡壁和泡棱无破裂和断裂现象，是一种

高闭孔率、高发泡率、泡体为多面体的泡沫材料。

\f

·362·复合材料

·创新与可持续发展

图

5

PMI泡沫制备过程示意图图

6研制的

PMI泡沫的光学照片

同时，采用在共聚过程中加入无机纳米增强技术来提高

PMI泡沫的性能，并取得了良好的提高

PMI

泡沫强度的效果。PMI泡沫力学性能测试结果表明，所研制的

PMI泡沫的性能指标与国外类似产品的

性能基本一致，表

2为研制的

PMI泡沫部分力学强度数据及与

DegussaPMI泡沫产品的比较。

表

2研制

PMI泡沫部分数据与

Degussa产品比较

力学性能研制

PMI泡沫

DegussaPMI泡沫

密度

(

kg

/

m3

)

105

110

拉伸强度

(

MPa)

3.

2

3.

5

拉伸模量

(

MPa)

210

232

压缩强度

(

MPa)

3.

3

3.

0

弯曲强度

(

MPa)

4.

3

4.

5

断裂伸长率

(

%

)

3.

6

4.

5

尤其重要的是项目突破了制备大尺寸

PMI泡沫的难题，可制备尺寸为

2000mm

×

1200mm

×

70mm

的

PMI泡沫，为

PMI泡沫的实际应用奠定了良好的

基础。图

7和图

8分别为共聚得到的可发性共聚物

板和研制的大尺寸

PMI泡沫的照片。

图

7制备

PMI泡沫的可发性共聚物板图

8研制的大尺寸

PMI泡沫

2009年

3月，研制的

PMI泡沫作为树脂基复合材料的泡沫夹层结构芯材，在

××项目应用单位进

行了全面考核，所做的

××直升机旋翼考核结果表明，研制的

PMI泡沫夹层结构复合材料性能的耐疲

劳和机械强度等性能完全达到了设计要求，所研制的

PMI泡沫性能指标完全符合项目的泡沫夹层结构

复合材料需要。图

9所示为研制

PMI泡沫为夹芯的考核用泡沫夹芯树脂基复合材料直升机旋翼的一

部分。并且，研制的

PMI泡沫还在

××无人机上得到了应用。

目前，国内军工行业用

PMI泡沫均从国外进口，PMI泡沫产品的国产化为打破国外公司对该产品的

垄断具有重要意义，且具有十分明显的经济和社会效益。

同时，进口

PMI泡沫产品从密度看只有

32kg

/m3、52

kg/m3、75

kg/m3、110

kg/m3和

200

kg/m3五种

图

9研制

PMI泡沫的

直升机部分旋翼

\f

复合材料原材料·363·

规格，从泡沫夹层结构复合材料设计的角度看，材料结构和性能优化设计受到一定的，如

PMI泡沫

的结构参数和性能主动去适应复合材料结构设计的需要，则在泡沫夹层结构复合材料尺寸一定和机械

力学强度满足条件的前提下，可实现泡沫夹层结构复合材料结构和性能的最优化和最大限度的轻量化，

因此从泡沫夹层结构复合材料的设计和制备层面，掌握

PMI泡沫的制备技术也具有十分重要的意义。

结论

目前，国内聚甲基丙烯酰亚胺

(

PMI)泡沫的研制工作取得了较大的进展，其中国防科技大学和湖南

省塑料研究所研制的性能达到了国外同类产品的水平，完全能满足航空航天等各领域应用的要求。

同时，可根据用户要求量身定制，在密度从

32～300

kg/m

3的范围内，制备各种密度

(如从国外买不

到的

90

kg/m3或

110～200kg/m

3

)的

PMI泡沫，为

PMI泡沫夹层结构复合材料结构和性能最优化设计

和复合材料的最轻量化制备提供技术支持。

The

research

and

application

of

PMI

foam

in

china

Chen

Yimin1，He

Bin2

(

1.

College

of

Aerospace

and

Material

Engineering，National

University

of

Defense

Technology，

Changsha

410073;

2.

Hunan

Province

Research

Institute

of

Plastics，Changsha

410001)

Abstract:

The

paper

described

the

application

and

preparation

of

PMI

foam

in

China.

Key

words:

PMI

foam;

sandwich

structure;

preparation;application

櫒櫒櫒櫒櫒毃

作者简介

櫒毃

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陈一民，主要从事高分子泡沫和复合材料工艺研究。E-mail:

cymcsl@

163.

com。

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