玻璃钢复合材料（）

第四节　玻璃钢/复合材料（FRP/CM）

玻璃钢/复合材料（FRP/CM）是一种理想的新颖结构与功能材料，它具有传统造船材料无法比拟的优良综合性能。自1946年世界第一艘FRP艇问世以来，历经60年的研究和开发，已形成与木质、钢质和铝质船舶有很大差异、且独具特色的FRP/CM船舶材料。因而，近年来FRP/CM在世界范围内获得了迅速发展，在航空、航天、舰船、建筑、体育用品等军民领域中得到了越来越广泛的应用。

复合材料（CM）就是用两种或两种以上不同性能、不同形态的组分材料通过复合手段组合而成的一种多相材料，它可以发挥各自材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。

纤维增强树脂基复合材料，也称纤维增强塑料（Fiber Reinforced Plastics，缩写为FRP），是目前技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料。这种材料是用短切的或连续的纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体经复合而成的，根据增强体的种类，可分为玻璃纤维增强树脂基复合材料（俗称“玻璃钢”）、碳纤维增强树脂基复合材料、硼纤维增强树脂基复合材料、碳化硅纤维增强树脂基复合材料等类型。

复合材料作为造船材料具有如下优点：

（1）质轻。

几种复合材料和常用材料性能对比见表4-1。在表中，除了列出拉伸强度和模量的参考数据外，还列出了比强度和比模量，这两个数据是相对于密度的比值，该比值越大，则达到同样强度（或拉伸模量）时所需的材料重量就越轻。复合材料的比强度高于金属材料钢和铝，说明具有优良的机械性能。这正是这些材料受人欢迎的原因。

（2）抗疲劳性能好。

复合材料疲劳破坏是从比较薄弱的纤维处开始，逐渐扩展到结合面上。而基体和增强纤维的界面能够有效地阻止疲劳裂纹的扩展，故抗疲劳性能好。一般金属材料的疲劳极限为抗拉强度的40%～50%，而碳纤维增强塑料是70%～80%。

（3）无磁性。

复合材料无磁性，在很大的磁场中也不会被磁化，因此复合材料舰船不易被对方磁探仪发现，可使装磁引信的水雷或鱼雷失效，可以避免磁性雷的攻击，这点在军事上特别重要。

（4）耐腐蚀。

复合材料只要配方设计合理，在酸性、碱性及众多恶劣环境中具有良好的耐腐蚀性。用复合材料制造的船艇不用涂漆，在海水中航行几年也不会腐蚀，能减少涂油漆等维修费用，使用年限长。

（5）可设计性。

复合材料可以选择不同聚合物和增强材料以及不同的配方、不同的成型工艺等达到不同的性能。以纤维增强塑料为例，通过对纤维的种类和含量、纤维的长短、纤维铺设的方向、基体的种类等精心设计，即使用相同的基体和纤维，也能设计出不同性能的材料。因此，可根据船艇不同部位的结构要求，进行材料、铺层和结构的优化设计。

（6）成型性好。

复合材料可一次成型制成任意形状的产品，避免多次加工。复合材料是在做复合材料制品时，与其制品一起制造出来的，即在复合材料的成型过程中，同时形成了制品的结构。正是由于这一特点，给复合材料带来很大的优势，可大大减少机械加工过程和装配过程，使船壳的整体性好，无渗漏，曲线光顺，提高了船艇的性能。

此外，复合材料还具有优良的声、介电性能，耐高温，减振等一系列优点，使一种材料具有多种性能。如玻璃钢既有类似钢材的强度，又有塑料的介电性能和耐腐蚀性能。复合材料的上述性能是船用其他材料难以比拟的，因此，复合材料在船艇上得到了广泛的应用。除制造船壳和上层建筑外，还用来制造螺旋桨、推进轴和桅杆。

目前，在船艇推进器方面应用较多的是碳纤维增强的复合材料，具有质量轻、使用寿命长、低噪声、降低变速箱和轴的磨损等优点。德国AIR公司研制出一种碳纤维环氧树脂基的螺旋桨，比金属桨推进效率提高3%～10%，减轻重量25%～35%，有利于快艇加速。另外，该螺旋桨声阻尼性好，可降低噪声约5dB。

复合材料推进轴的优点是重量轻、有弹性、适应性强、不导电、无腐蚀等。瑞典的Applied Composite AB公司于1989年开始研制复合材料推进轴，已有相当多的商船、军舰、游艇使用其生产的复合推进轴，最大传输功率达12MW，可承载的最大转矩达220kN·m。

一、FRP/CM艇体的原材料

近10年来FRP/CM艇体原材料的发展异常迅速，各种新型、高性能的原材料层出不穷，可供选择的余地很大。FRP/CM艇体的主要原材料为纤维增强材料、基体树脂和芯材。

（一）纤维增强材料

纤维增强材料是提高基体材料受力性能的材料。

就增强材料而言，除了船舶中一直大量采用的各种玻璃纤维及其制品外，现已开发了多种先进的高性能纤维，如玄武岩纤维（CBF）、芳纶（Kevlar）纤维、碳纤维和超高分子量聚乙烯（Dyneema）纤维及其织物等，并已在各种高性能船舶和赛艇中获得了实际应用。几种常用纤维的性能见表4-4所示。

表4-4　各种纤维的性能比较

数据来源于荷兰AKZO公司的产品样本。

1.玻璃纤维

玻璃纤维是以玻璃为原料，在熔融状态下通过漏板孔以高速拉制而得，并制成各种形态（图4-27）。它的单纤维拉伸强度高达1 500～3 000MPa，比一般合成纤维高约10倍，比高强度合金钢还高两倍，是理想的增强材料。玻璃纤维的弹性模量与铝相当，不足之处是耐磨性较差，经揉搓摩擦后易损伤、断裂，且耐磨性受湿度影响较大。玻璃纤维耐热性好，在200℃下强度不受影响。

图4-27　玻璃纤维增强材料制品（毡和布）

FRP/CM艇体使用的玻璃纤维增强材料通常制成下列三种形态：短切玻璃纤维毡、玻璃纤维无捻粗布和表面毡。

（1）短切玻璃纤维毡是由不规则散布的短切玻璃纤维束，用一种可溶树脂黏结剂黏结而成的毡状物（图4-28）。当毡层浸透树脂固化后，形成的这种玻璃钢积层板将基本上呈现出各向同性（指所有方向的性能均相同）。通常短切玻璃纤维毡积层板的玻璃纤维含量相对较低，按重量计为20%～30%。

图4-28　玻璃纤维毡

（2）玻璃纤维无捻粗布为近于平直的玻璃纤维束编织而成的粗型、平纹、方格织物（图4-29）。它不像玻璃纤维毡那样呈各向同性。最大强度值位于0°（经纱方向）和90°（纬纱方向）两个方向。此外，标准织物（5×4交织）在经纱方向的强度大于纬纱方向，这是因为经纱方向的每吋股数大于纬纱方向所致。

图4-29　玻璃纤维布

船用玻璃纤维无捻粗纱布积层板中，玻璃纤维含量的范围通常在40%～55%之间。但玻璃纤维含量的提高往往导致积层板中树脂干枯化，即树脂未浸透现象。

（3）表面毡适合用于玻璃钢艇体表层而得名。表面毡（图4-30）具有表面平整、纤维分散均匀、手感柔顺、透气性好、树脂浸透速度快等特点。表面毡应用于玻璃钢制品，良好的透气性能使树脂快速渗透，彻底消除气泡和白渍现象。它良好的伏模性适合任何形状复杂的产品和模制品表面，能掩盖布纹，提高表面光洁度和防渗漏性，同时增强层间剪切强度和表面韧性，提高产品的耐腐蚀性和耐候性，是制造高质量玻璃钢模具及制品的必需用材。

图4-30　表面毡

2.碳纤维

碳纤维是有机纤维经高温碳化而成。它具有高的强度和弹性模量，耐高温及耐化学腐蚀性好，其比强度和比模量在增强材料中位于前列。外观呈黑色。

碳纤维也能加工成布或无纺织物，还能与玻璃纤维纱以交替排列形式制成纤维制品。

由于碳纤维价格很高，主要用于航空、赛艇、运动器材等方面。在船艇领域仅用于运动赛艇、高档游艇和制作螺旋桨等产品。

3.芳纶纤维

芳纶纤维即芳香酰胺纤维，美国开发后的商品名称叫凯芙拉（Kevlar）。具有高强度、高弹性模量等优点，强度比一般有机纤维高3倍，模量是尼龙的10倍，但抗压差。在化学性能上，除强酸、强碱介质外，其他均稳定。外观为金黄色。

芳纶纤维价格也很高，在船艇方面也只用于运动赛艇及高档游艇等产品。它具有减轻重量、提高冲击强度及纵向刚度的作用，故可与玻璃纤维、碳纤维组合使用。

4.玄武岩纤维

玄武岩纤维是以天然火山岩为原料制成，具有优良的力学性能、耐酸碱性能及耐温性能（-269～700℃），与树脂的浸润性好，使用寿命长，可达100年以上。这种纤维原材料丰富，但生产工艺难度大，开发成功晚，至今仅有我国、乌克兰、美国、德国能生产，产量不大，因而价格高出玻璃纤维数倍，但还大大低于碳纤维和芳纶纤维，是很有前途的增强材料。

玄武岩纤维（CBF）是一种天然矿石纤维，具有一系列优异的化学和物理性能。玄武岩纤维材料具有高力学强度，低导热系数，良好的热振稳定性、防火性、耐腐蚀性、耐用性和环保清洁性以及材料自身密度小，结构性能与结构重量的比值优良，用玄武岩纤维增强的复合材料的船体强度、热稳定性、电绝缘性等主要性能指标均优于传统的玻璃纤维材料。该原料取自于天然矿石——玄武岩，生产过程中无有害物质析出，不向大气排放有害气体，不污染环境，因而它被誉为21世纪“石头变丝”的绿色环保新材料，成为世人瞩目的又一颗璀璨耀眼的“材料新星”，是替代玻璃纤维、碳纤维、石棉等用来制造多领域、多用途的增强材料，具有广阔的应用发展前景，引起了世界经济发达国家对开发CBF的重点研究和技术再创新。我国已将CBF纤维列为今后15年中长期发展规划中鼓励发展的四大高科技纤维材料之一。

玄武岩纤维用于游艇建造是一种低投入、高产出、少排放、能循环、可持续发展的资源节约型、环境友好型的高新技术材料，它代表着国际绿色新材料的发展方向和全球高新技术的主流，符合国家产业化发展政策。

在太阳鸟游艇公司、708研究所、上海俄金玄武岩有限公司的通力合作下，第一批采用玄武岩纤维制作的船艇是SB 540型高速动力艇，2008年已在太阳鸟游艇公司试制成功，试验表明其主要性能优于传统的玻璃纤维船艇。

（二）基体树脂

基体树脂是玻璃钢的基体材料，其作用是将增强纤维浸渍并黏结成为一体。

迄今船舶中最常用的基体树脂仍然是不饱和聚酯树脂，有邻苯型、间苯型和双酚型3种。国内一般的船艇从经济性考虑，较多地采用邻苯型聚酯树脂，对于高性能船舶则应采用价格稍贵、而抗冲击性能和防水性能较好的间苯型聚酯树脂。现已开发了几种船用高性能树脂，诸如防水和耐化学腐蚀性强、具有高温强度和刚度及更大韧性的乙烯基酯树脂以及耐火性好、特别是在燃烧条件下烟密度小，且具有良好力学性能的酚醛树脂等，以满足不同船舶的不同需求。

1.不饱和聚酯树脂

由不饱和酸酐与二元醇经缩聚反应而制成，并溶解于稀释剂兼交联剂的苯乙烯等单体中，是淡黄色的透明液体。由于采用的原料品种及用量不同，可合成具有不同性能的品种，生产出诸如耐晒、耐水、耐热及韧性好、透明性好、耐化学性好等品种。目前国内用于造船较多的是189号及196号树脂。189号耐水性好，工艺接续性好，适于制造艇体；196号韧性好，适于制造上层建筑。

189号树脂的技术指标为：

外观　　　　　　　　透明淡黄或棕黄色液体

酸值　　　　　　　　20～28mgKOH/g

黏度（25℃）　　　　0.25～0.45Pa·s

固体含量　　　　　　59%～65%

胶凝时间（25℃）　　8～25min

热稳定性（20℃）　　6个月

　　　　（80℃）　　24h

不饱和聚酯树脂由于黏度较小，成型工艺好，能室温固化，且固化时不产生副产物，固化时间较易控制，并可自由着色，美化产品，价格也较适宜；固化后有良好的物理力学性能，耐化学性也较好，故目前是玻璃钢船艇大量使用的树脂品种，但因含有较多的苯乙烯单体，对作业人员有一定的刺激性（毒性）。

不饱和聚酯树脂出厂产品为液态，要使它在一定时间内由液态转化为固态（俗称固化），一定要加入适量的引发剂和促进剂，这两种辅助材料均由树脂生产厂配套供应。常用的引发剂有过氧化环乙酮和过氧化甲乙酮，前者用量为4%，后者为2%。常用的促进剂为环烷酸钴，用量为1%～4%。引发剂均为过氧化物，属易燃易爆品，与促进剂直接接触达一定数量会引起爆炸，必须分开放置，注意安全。

2.环氧树脂

分子中含有两个及两个以上环氧基团树脂的总称。有很多品种，玻璃钢基体材料常用的是双酚A型环氧树脂，系由二酚基丙烷（即双酚A）与环氧氯丙烷缩聚而成。常用的牌号是E-44（前称6101），其主要指标为：

外观　　　　　　　　黄至琥珀色透明液体

黏度（40℃）　　　　～0.25Pa·s

软化点　　　　　　　12～20℃

环氧值　　　　　　　0.41～0.47当量/100g

环氧树脂黏结力很强，俗称万能胶。它固化时收缩率低，固化时无副产物，因其稳定性好，贮存期较长。有良好的耐化学性能和优良的电绝缘性能，耐水性和耐热性均好。但其粘度大，必须稀释及增塑后才能使用。以环氧树脂为基体的玻璃钢，其力学性能高于聚酯树脂为基体的玻璃钢，因环氧树脂价格高于不饱和聚酯树脂约一倍，故较少用于船艇。

环氧树脂须加入固化剂方能固化。固化剂种类很多，常用的是胺类中的脂肪胺及改性胺。

3.乙烯基酯树脂

环氧丙烯酸酯类树脂，也可称为不饱和环氧树脂。是由低分子量环氧树脂与不饱和一元酸（丙烯酸）通过开环加成反应而制得。乙烯基酯树脂既保留了环氧树脂的基本链段，又有不饱和聚酯树脂的不饱和双键，汇集了这两种树脂的双重特性，使性能更加完善，这是它的最大特点。

乙烯基酯树脂开发较晚，国内从20世纪90年代才生产，现有普通、耐热、改性等几种型号。主要性能指标为：

外观　　　　　　　　　棕色或棕黄色黏稠液体

酸值　　　　　　　　　8～25mgKOH/g

黏度（涂-4黏度计）　　136～161s

固体含量　　　　　　　62%～70%

凝胶时间（25℃）　　　38～60min

乙烯基酯树脂耐腐蚀及耐水性均很好，与各种增强纤维的浸润性和黏结性均好，因此制得的玻璃钢力学性能好，固化收缩率比不饱和聚酯树脂小，固化性能及工艺性能都很好，所用的引发剂与促进剂也与不饱和聚酯树脂相同，唯因价格接近环氧树脂，虽十分适合造船，但目前仅用于高档船艇。

（三）辅助材料

基体树脂使用时除适量加入引发剂、固化剂、促进剂外，还可以添加一些辅料来满足某种功能的需求，如着色、阻燃等。

（1）填料。作用是改善树脂收缩率、表面硬度、导电性能及增稠（防止流胶）等，并兼有降低成本作用。常用有机及无机粉状材料，如碳酸钙、活性二氧化硅、氢氧化铝、滑石粉、石英粉、铸石粉及金属粉等，要求细度大于200目。

（2）颜料。作用是美化产品，常用于产品表层。颜料分有机与无机两类，通过研磨与载体材料形成颜料浆，称为色浆，加入胶衣树脂后成为带色胶衣树脂。

胶衣树脂（又称：凝胶树脂）是指专为制作玻璃钢艇体表层的树脂配方，用胶衣树脂制作的船艇表面光洁明亮，色彩可按照客户要求定制，无需油漆。这种胶衣树脂各树脂生产厂均能提供。

（3）阻燃材料。为改善玻璃钢的燃烧性能，必须在能燃烧的合成树脂中加入阻燃成分。一种是在树脂聚缩反应时加入氯茵酸酐等材料合成具有阻燃性能的卤代不饱和聚酯树脂；另一种是在购进的合成树脂中添加具有阻燃性能的材料，如卤素材料、锑粉、氯化石蜡、氢氧化铝等。

二、原材料的选用

玻璃钢艇体的特点是可设计性，即通过原材料的选用和工艺设计来改变产品的物理和力学性能，这是玻璃钢产品的最大优点。下面介绍一些原材料选用方面的常识。

（1）耐水性。

船艇长期浸泡在水中，水通过损伤处或微细的管道渗入艇体是不可避免的，所以选择耐水性好的材料是很重要的。

在选择基体材料时要选择耐水性好的树脂品种，如189号树脂；增强材料也要选用耐水性好的品种，如无碱玻璃纤维（E玻璃纤维）。普通中碱玻璃纤维因耐水性差，不可用于船艇。但经高效能浸润剂处理过的中碱玻璃纤维，其强度及耐水性均与无碱玻璃纤维相当，已获船检局认可用于船艇建造。

（2）力学性能。

玻璃纤维布拉伸强度好，特别是单向布，经向强度可成倍高于纬向，适用于经向强度为主的产品，目前尚有45°方向的布，可用于剪力分布大的部位。此外，无纺布的强度也高于织造布，这些均需根据艇体强度的要求和工艺设计来选用。

值得指出的是近年来国外开发了一种先进的多轴向缝（经）编织物，它具有比传统编织的无捻粗纱布高得多的力学性能和浸润性能好等优点，获得国际FRP/CM船舶界的首肯，打破了几十年来沿用普通方格布一统天下的格局，它代表着低成本玻璃纤维织物向高科技发展的一个方向。

（3）防渗性能。

艇体抗渗性能除与操作质量有关外，也与材料选用有关。由于玻璃纤维毡无纤维连续性，空隙率大，制成的积层板含树脂多，防渗功能好，故在艇体结构铺层中多用短切纤维毡作为艇体的防渗层（即艇体与水接触的表面层）。

（4）效率的考虑。

生产企业十分重视工作效率，在手糊作业中选用厚的增强材料比薄的操作效率高，因此常选用单位面积重量较大的布或毡以及复合毡组合使用。

（5）经济性考虑。

产品成本是企业重视的又一因素。对于普通船艇，基体材料均采用耐水性不饱和聚酯树脂，用增强型中碱布及无碱布为主要增强材料，用部分短切毡作为防渗透增强材料。但在制造豪华型游艇及高档次船艇时则采用高强度高模量的增强材料和性能更好的基体材料，如乙烯基酯树脂。当船艇有阻燃要求时，一般产品常采用添加型阻燃树脂，档次高的才使用反应型阻燃树脂。

（6）美观因素。

选材也必须考虑产品的外观形象，例如为了提高表面光洁度，在胶衣层后要使用表面毡；在不接触模具的内表面不应使用粗纱布增强材料，而应使用薄的玻璃纤维布或较薄的短切纤维毡，使表面较细腻。

三、夹层结构是FRP/CM船舶的一个重要发展方向

与金属材料相比，FRP/CM低得多的弹性模量常常会导致所设计的艇体结构“强度有余，刚性不足”。单纯地从材料出发，试图尽量提高其弹性模量，不是一个经济的办法。而从设计选型来考虑，采用夹层结构则不失为一种事半功倍的方法，特别是对重量十分敏感的高性能船舶来说，采用夹层结构是一个重要的发展趋势。瑞典海军73m长的Visby级轻型护卫舰（图4-31）就是一个范例，该舰于2004年服役，它是目前世界上已建成的最大的FRP/CM夹层结构舰艇。

图4-31　瑞典海军的Visby级轻型护卫舰

夹层结构由上下面板（又称为“蒙皮”）与轻质蜂窝芯材通过胶粘剂粘接而成的层状复合结构。夹层结构面板可以是铝板或者碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维复合材料板。常用的蜂窝芯材料为铝箔、芳纶纸、玻璃布和牛皮纸等。夹层结构的突出特点是：弯曲刚度大，可充分利用材料的强度，重量轻。夹层结构在飞机上应用比较广泛，如翼面、舵面、舱面、壁、地板、雷达罩等。用玻璃纤维复合材料或芳纶复合材料为蒙皮以铝蜂窝芯、芳纶纸蜂窝芯制造的赛艇、游船性能优异，另外在滑水板、冲浪板、滑雪板等体育用品方面也得到应用。

夹层结构传递载荷的方式类似于工字梁，上下面板（相当于工字梁的翼板）主要承受由弯曲力矩引起的（平）面内拉伸应力或压缩应力和（平）面内剪切应力。而芯材（相当于工字梁的腹板）则主要承受由横向力产生的剪切应力。轻质的芯材可起到减轻结构重量、提高结构刚度（含强度）等作用，对于泡沫塑料夹层结构来说，还具有良好的隔热和隔音性能和抗冲击损伤性以及施工简便等优点。

四、泡沫芯材的主要种类、性能

需要特别提及的是，对FRP/CM夹层结构船舶而言，为适应夹层结构发展的需要，近年来已开发了许多轻质高性能结构芯材。船用芯材主要有3类：一是各种泡沫塑料，如PVC、PS、PU、SAN、PFI和PMI等，其中PS和PUR泡沫通常仅作为浮力材料，而不作为结构用材^［2］。目前PVC泡沫已几乎完全代替PUR泡沫而作为结构芯材，只是在一些现场发泡的结构中除外；二是轻木（Balsa）和普通的木胶合板；三是各种蜂窝材，包括铝蜂窝、FRP蜂窝、Nomex蜂窝和Nide-Core等。这几类轻质芯材目前都较易获得，它们为国内发展FRP/CM夹层结构船舶提供了优化选材的保证。

（1）PVC（聚氯乙烯）泡沫。

交联PVC：它的强度和刚度比线性PVC的高，但韧性要差些，其使用温度范围为-240～80℃，且能够耐多种化学物质腐蚀。尽管一般的PVC是可燃材料，但阻燃型PVC可用于有严格防火要求的结构中，需要注意的是PVC在燃烧以后会产生有毒气体。

线性PVC泡沫：这类泡沫具有高的韧性，良好的抗冲击性能，能量吸收性能和耐疲劳性能。线性PVC泡沫的强度和刚度相对于交联PVC而言要低些。

（2）PS（聚苯乙烯）泡沫。

该泡沫曾广泛用在船舶、冲浪板等制造行业。虽然其具有重量轻（40kg/m³）、成本低、便于机械加工等主要优点，但因其力学性能差，很少在高性能结构构件中使用。另外，这种泡沫不能和聚酯树脂同时使用，因为聚酯中含有的苯会降解聚苯乙烯泡沫。

（3）PU（聚氨酯）泡沫。

与其他泡沫相比，其力学性能一般，树脂/芯材界面易产生老化，从而导致面板剥离。作为结构材料使用时，常用作层合板的纵桁、横梁或加强筋之芯材。图4-32为一块PU泡沫板的样品。有时PU泡沫也能用于受载较小的夹层板中，起到隔热或隔音作用。该类泡沫的使用温度为-150～110℃，热传导性低，约为0.02～0.04W/（m·K），吸声性能良好，其成形非常简单，但是机械加工过程中易碎或掉渣。

图4-32　硬质聚氨酯泡沫板（样品）

（4）SAN（丙烯腈-苯乙烯）泡沫。

它属于热塑性材料，主要是针对船舶市场而开发的。发泡制作工艺与线性PVC的工艺基本相同，性能也基本相同，但热稳定性比线性PVC好，相当于普通交联PVC。大多数情况下，在舰艇结构中可以用SAN泡沫代替线性PVC泡沫。

（5）PEI（聚醚酰亚胺）泡沫。

由聚醚酰亚胺/聚醚砜发泡而成，具有很高的使用温度和良好的防火性能，不过其价位相对较高，但是这种泡沫可以在兼有结构要求和防火要求的部位使用，其使用温度为-194～180℃。

（6）PMI（聚甲基丙烯酰亚胺）泡沫。

在相同密度的条件下，PMI是强度和刚度最高的泡沫材料，其高温下耐蠕变性能使得该泡沫能够适用高温固化的树脂和预浸料。PMI泡沫经适当的高温处理以后，能满足190℃的固化工艺对泡沫尺寸稳定性的要求，适用于与环氧或BMI树脂（学名：双马来酰亚胺树脂）共固化的夹层结构构件中。

五、各种芯材特性的比较

船舶制造中使用的芯材除泡沫塑料外，还有Balsa（轻木）和普通的木胶合板。Balsa和胶合板相对成本较低，具有很高的压缩强度，但是比泡沫要重（一般密度都大于100kg/m³）而且容易吸水，并最终被腐烂。与Balsa相比，泡沫芯材轻、吸水少、耐腐蚀。泡沫的疲劳性能和耐久性也比Balsa好。

泡沫夹层结构的优点还有：良好的隔热和隔音性能、抗冲击损伤性能及施工简便性等。在夹层结构中，由于芯材是孔隙材料，整个夹层结构的导热系数比非夹层结构低。由于层合板的层数减少，降低了铺层制作成型的工作量，同时因为夹层结构的刚度较高，减少了加筋的数量，这有利于冲击荷载的扩散。此外，孔隙芯材还能降低船艇航行中的噪声。

蜂窝芯材例如Nomex（芳纶纸与酚醛树脂）和铝蜂窝等，常用在航空领域，因为它们具有高强度、高温稳定性和轻质的优点。但是蜂窝芯材由于存在如下的缺点：蜂窝与面板的粘接接触面相对较小，抗疲劳性能较差，蜂窝的开孔容易渗水，导致芯材与面板的粘接破坏等，因而在舰艇设计和制造中较少采用。

各种芯材的特性比较见表4-5。

表4-5　各种芯材的特性

注：竖纹镶块轻木即纹理的走向为贯穿厚度方向的轻木。

瑞士Tubus公司生产蜂窝夹心板。空腔材料可选用PC（聚碳酸酯）、PP（聚丙烯）。空腔直径3.5～14mm。容重55～400kg/m³；其中常用的一种PP8-80蜂窝板容重仅为80kg/m³。Tubus蜂窝板的形状见图4-33，不包含面板材料的性能（见表4-6）。

表4-6　Tubus蜂窝板（不包含面板材料）性能

图4-33　蜂窝板的形状（图片来源：Tubus公司样本）

这种蜂窝板表面可贴敷各种质地的板材，如钢板、纸板、铝板、塑料板、玻璃钢积层板等。在同等强度下的重量比较如下：

5mm铝板　　　　　　　13.5kg/m²；

12mm胶合板　　　　　 7.6kg/m²；

10mm蜂窝覆1.0mm 铝面板构成的蜂窝夹心板　5.6kg/m²。

中材科技股份有限公司和南京玻璃纤维研究设计院合作开发成功的三维机织中空层连织物（3DSandwich Woven Fab-ric）是一种新颖的纤维增强结构材料（图4-34）。它由E玻璃纤维织造而成，也可采用碳纤维、玄武岩纤维及其他高性能连续纤维进行织造。这种三明治式结构通过Z向纤维整体连接织物的上、下两层面，此中空织物的芯层厚度为2～20mm。

图4-34　三维机织中空层连织物

该织物可以瞬间吸收树脂，Z向纤维在“毛细管作用”下使织物自动灌浆形成复合材料。其复合材料的整体中空夹芯结构具有优异的强度重量比与超强的结构可设计性，同时具备了出众的隔音与隔热性能和优良的耐水、排水性能，易于仿形贴膜成型，克服了传统蜂窝、泡沫芯材等夹层复合材料易分层、耐冲击性能差的缺点。这种织物及其复合材料的规格和重量指标列于表4-7。

表4-7　规格和重量指标

该材料树脂适用性广泛，施工简单，一致性好，可以广泛用于艇体、甲板、内饰板、舱壁、防水隔壁、舱门等部位。