夾芯結構材料助推玻璃鋼船艇輕質高強和低碳

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—— 淺析DIAB真空導流“三明治”夾芯理念和實踐

夾芯結構材料用于玻璃鋼夾層，形成“三明治”夾芯結構物，現已大量應用于船艇領域。據從事夾芯結構材料技術前沿的瑞典DIAB公司表述，五十多年來，無數船艇的制造不斷地采用了夾芯結構材料，其種類涉及到游艇、快艇、救生艇、賽艇、各類工作艇、漁船、渡船、軍用艦艇、海岸巡邏艇等，從而達到和實現了在速度、強度、可靠性、舒適、高效率和使用壽命等性能上的高水平。當前，全球面臨低碳經濟，船艇采用夾芯結構的設計制造，在提高航速、節約能源、減少排放等方面實現了真正的“低碳”，因此，船艇領域采用夾芯結構設計是理想和必然的選擇。
將夾芯結構應用到船艇設計制造中，真空導流工藝是關鍵技術。在全球夾芯結構材料的制造供應商中，唯有DIAB持有Core Infusion技術注冊商標的真空導流技術。三十年來，“DIAB科技”充分利用夾芯結構的理念，以其的經驗和專業知識參與了全球各類船艇制造的技術支持，從結構設計、鋪成設計、工藝設計到現場的培訓、生產和測試指導，形成了完整的全方位的服務體系。
在真空導流的工藝過程中，樹脂的流動需要遵循的基本原則是——全面性、均勻性、可控制性，這三方面是我們設計樹脂流動策略（流道）的出發點。樹脂流道的設置一般分為以下幾種常見的方式：順序流動，即樹脂依次按同向順序接力流動，四周進膠，由周長方向向中心抽氣端包圍狀流；中間進膠，即樹脂以放射狀從中間向四周擴散流動；交替導流，進膠管和抽氣管交替布置；分支導流，即采用主管加支管的導流方式。每種方式都有其優缺點，應根據實際的鋪層情況、模具面積和模具幾何分布來確定具體采用哪種流道。總體而言，順序流動適合平面無拐角的部件，而分支導流適合有L形立面的部件。在進行流道設計時，采用“充分的平板試驗+歷史經驗+軟件模擬”的三步法，無論任何產品，都要進行充分的平板試驗，以了解鋪層的基本滲透效率。對于簡單幾何形狀的部件，采用歷史經驗來確定流道；而對于復雜的構件，采用有限元軟件對樹脂流動過程進行電腦動態模擬，以檢查并確保流動滿足上述三個原則，從而實現萬無一失的導流結果。
在單板結構的真空導流中引入夾層結構，對夾芯材料提出力學性能的要求，強度剛度高、堅韌、閉孔結構等，通過導流并與FRP面層形成堅硬的三明治“甲殼”。采用夾芯結構與FRP單板結構、鋁材、鋼材相比，在保持強度的同時明顯減輕了重量、增加了剛度，在基本不增加重量的情況下，通過增加芯材的厚度，獲得更高的強度和剛度；更高的剛度在減少支撐結構同時，進一步減輕重量，同時，閉孔夾芯材料可以同時起到吸振緩沖、隔音絕熱的作用。采用夾芯結構，給設計帶來更大的自由度，夾芯的復合曲線形狀可以容易于組合，外部表層可以被確地對準載荷路徑方向，從而使結構更趨完整和優化。采用夾芯結構，實現了出眾的強重比，提供了船艇工作的更高速、更遠程、更大的載荷能力及相應的降低功率需求量。以船舶艦艇行業為例，一艘36尺游艇通過夾層和工藝的提升，實現了38%的減重，除了船舶加速的操作性上大大得到了提升之外，其最大航速由有原來的35節提升到37.5節，滿速續航力由原來的333公里提高到583公里，換言之意味著更低的油耗，為船艇產品的運營帶來了寶貴的低碳效應。
戴鉑公司當前在處于夾芯結構復合材料發展的前沿，倡導使用“三明治”夾芯理念來制造比由鋼、鋁、木材制成的結構重量輕得多，強度大得多的結構。DIAB這個“結構”，由船艇延伸到交通運輸的有軌電車、公共汽車、輕軌地鐵、高速動車；延伸到航空航天飛行器的內飾件、結構件；延伸到輕型建筑、節能建筑。延伸到風能領域里，除了傳統的風機葉片上的廣泛應用，著重圍繞1.5MW級40m左右葉片圍繞的“三明治”結構件。
*本文得到了DIAB中國公司曾鳴工程師提供的資料和數據，需深入討論者可聯系曾鳴電話：15962505770。