夹芯结构材料助推玻璃钢船艇轻质高强和低碳

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—— 浅析DIAB真空导流“三明治”夹芯理念和实践

夹芯结构材料用于玻璃钢夹层，形成“三明治”夹芯结构物，现已大量应用于船艇领域。据从事夹芯结构材料技术前沿的瑞典DIAB公司表述，五十多年来，无数船艇的制造不断地采用了夹芯结构材料，其种类涉及到游艇、快艇、救生艇、赛艇、各类工作艇、渔船、渡船、军用舰艇、海岸巡逻艇等，从而达到和实现了在速度、强度、可靠性、舒适、高效率和使用寿命等性能上的高水平。当前，全球面临低碳经济，船艇采用夹芯结构的设计制造，在提高航速、节约能源、减少排放等方面实现了真正的“低碳”，因此，船艇领域采用夹芯结构设计是理想和必然的选择。
将夹芯结构应用到船艇设计制造中，真空导流工艺是关键技术。在全球夹芯结构材料的制造供应商中，唯有DIAB持有Core Infusion技术注册商标的真空导流技术。三十年来，“DIAB科技”充分利用夹芯结构的理念，以其的经验和专业知识参与了全球各类船艇制造的技术支持，从结构设计、铺成设计、工艺设计到现场的培训、生产和测试指导，形成了完整的全方位的服务体系。
在真空导流的工艺过程中，树脂的流动需要遵循的基本原则是——全面性、均匀性、可控制性，这三方面是我们设计树脂流动策略（流道）的出发点。树脂流道的设置一般分为以下几种常见的方式：顺序流动，即树脂依次按同向顺序接力流动，四周进胶，由周长方向向中心抽气端包围状流；中间进胶，即树脂以放射状从中间向四周扩散流动；交替导流，进胶管和抽气管交替布置；分支导流，即采用主管加支管的导流方式。每种方式都有其优缺点，应根据实际的铺层情况、模具面积和模具几何分布来确定具体采用哪种流道。总体而言，顺序流动适合平面无拐角的部件，而分支导流适合有L形立面的部件。在进行流道设计时，采用“充分的平板试验+历史经验+软件模拟”的三步法，无论任何产品，都要进行充分的平板试验，以了解铺层的基本渗透效率。对于简单几何形状的部件，采用历史经验来确定流道；而对于复杂的构件，采用有限元软件对树脂流动过程进行电脑动态模拟，以检查并确保流动满足上述三个原则，从而实现万无一失的导流结果。
在单板结构的真空导流中引入夹层结构，对夹芯材料提出力学性能的要求，强度刚度高、坚韧、闭孔结构等，通过导流并与FRP面层形成坚硬的三明治“甲壳”。采用夹芯结构与FRP单板结构、铝材、钢材相比，在保持强度的同时明显减轻了重量、增加了刚度，在基本不增加重量的情况下，通过增加芯材的厚度，获得更高的强度和刚度；更高的刚度在减少支撑结构同时，进一步减轻重量，同时，闭孔夹芯材料可以同时起到吸振缓冲、隔音绝热的作用。采用夹芯结构，给设计带来更大的自由度，夹芯的复合曲线形状可以容易于组合，外部表层可以被确地对准载荷路径方向，从而使结构更趋完整和优化。采用夹芯结构，实现了出众的强重比，提供了船艇工作的更高速、更远程、更大的载荷能力及相应的降低功率需求量。以船舶舰艇行业为例，一艘36尺游艇通过夹层和工艺的提升，实现了38%的减重，除了船舶加速的操作性上大大得到了提升之外，其最大航速由有原来的35节提升到37.5节，满速续航力由原来的333公里提高到583公里，换言之意味着更低的油耗，为船艇产品的运营带来了宝贵的低碳效应。
戴铂公司当前在处于夹芯结构复合材料发展的前沿，倡导使用“三明治”夹芯理念来制造比由钢、铝、木材制成的结构重量轻得多，强度大得多的结构。DIAB这个“结构”，由船艇延伸到交通运输的有轨电车、公共汽车、轻轨地铁、高速动车；延伸到航空航天飞行器的内饰件、结构件；延伸到轻型建筑、节能建筑。延伸到风能领域里，除了传统的风机叶片上的广泛应用，着重围绕1.5MW级40m左右叶片围绕的“三明治”结构件。
*本文得到了DIAB中国公司曾鸣工程师提供的资料和数据，需深入讨论者可联系曾鸣电话：15962505770。