一、PMI泡沫材料简介

聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）泡沫是一种交联型硬质结构型泡沫材料，具有100%的闭孔结构，其均匀交联的孔壁结构可赋予其突出的结构稳定性和优异的力学性能。其主分子链为C-C链，分子侧链含有酰亚胺结构的泡沫塑料，可由多种方法制造。该泡沫塑料是目前强度和刚度最高的耐热泡沫塑料（180～240℃），能够满足中高温、高压固化和预浸料工艺要求。与各种类型树脂之间具有良好的兼容性，适合作为高性能夹层结构中的芯层材料使用，可以取代蜂窝结构，而且各向同性，容易经过机械加工成为各种形状复杂的截面形状，并且不含任何氟利昂，属于环保型材料，防火性能达到FAR 25.853和AITM等有关标准，代表着高性能聚合物结构泡沫塑料的最新发展领域。

PMI泡沫首先是由德国Schrder博士在1961年发明的，由德国Rohm(罗姆)和Hass股份有限公司于1966年在德国Darmstadt首先研制成功并实现商品化。目前PMI泡沫已被广泛地应用在航天、航空、军工、船舶、汽车、铁路机车制造、雷达、天线等领域。

PMI泡沫具有下列性能：

1、100%的闭孔结构，且各向同性。

2、耐热性能好，热变形温度为180～240℃。

3、优异的力学性能，比强度高、比模量高，在各种泡沫中是最高的。

4、面接触，具有很好的压缩蠕变性能。

5、可高温热压罐成型（180～230℃、0.5～0.7MPa），可真空包加热成型（180～230℃，几个Pa），还可熔融注射成型，实现泡沫夹层与预浸料的一次性共固化。

6、不含氟里昂和卤素。

7、良好的防火性能，无毒、低烟。8、和各种树脂体系的相容性好。

9、优良的介电性能：介电常数1.05～1.13，损耗角正切在(1～18)×10-3。在2～26 GHz 的频率范围内，其介电常数和介电损耗的变化很小，表现出很好的宽频稳定性，使之非常适于雷达及天线罩的制造。

10、没有铝蜂窝夹层结构的面板-蜂窝界面的湿热腐蚀。

PMI泡沫具有比重小、耐高温、低介电常数与损耗、抗压强度高、比强度高、抗疲劳和蠕变性能好等优点，可实现与预浸料一步固化的工艺；同时具有优良的二次加工性能，可通过加热成型不同曲面形状的制品

在相同密度的泡沫中，PMI泡沫的强度和刚度是所有泡沫中最高的。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。PMI泡沫作为夹芯材料时，可采用Scrimp法、纤维缠绕法、加压铸造法等方法制造复合材料。

二、PMI泡沫材料的特性

1、物理化学特性

PMI泡沫通过加热甲基丙烯酸/甲基丙烯腈共聚板，发泡制造。在发泡共聚板的过程中，共聚物转变成聚甲基丙烯酰亚胺。发泡温度在170oC以上，根据密度和型号不同而不同。目前，世界上主要PMI泡沫产品是德国德固赛公司生产的ROHACELL®系列产品，工艺过程如图2所示。

图：PMI泡沫的生产工艺过程

图3：ROHACELL-51 WF 的微结构

孔穴的基本特征：孔壁厚度：t=12um，孔穴大小：l=0.6mm，如图3。

ROHACELL WF泡沫的孔穴大小在0.6-0.8 mm左右。

线弹性状态下，当泡沫体是由液体组员制得时（有许多这种泡沫体，例如聚胺酯泡沫），表面张力可将材料拉向棱边，越过孔面只留下一层薄膜，它容易破裂。因此，虽然泡沫体具有初始闭合的孔穴，但其刚度完全来自孔棱，其模量则等同于开孔泡沫体。但是PMI泡沫材料孔面就由真正的固体部分构成，这些孔面会增加多孔体的刚度。闭孔泡沫体的压缩变形机制由三部分组成：孔壁弯曲、棱收缩和膜延伸以及被封入气体的压力。

其中，为孔穴棱边所含固体的体积分数，剩余部分即为孔壁所含固体的体积分数。那么，若孔棱厚度为te，孔壁厚度为tf。

是多孔固体的密度

是构成孔壁的固体材料的密度

可见，泡沫的强度和相对密度有关，同时更加重要的是和有关，是泡沫结构中孔隙棱边材料占泡沫材料的比率。最差的泡沫材料分形式是完全开孔的泡沫材料，所有材料都杆状分布在孔隙的棱边位置，这是等于1。最好的泡沫材料分布形式是所有的泡沫材料位于孔隙的孔壁位置，这时等于0，相对屈服强度和相对密度成正比。所以，期望有相对较低的值。和其他的结构泡沫相比，ROHACELL （RC）的较低。这个比值的范围是0.72到0.80。从这里可以看出，要得到更高比剪切强度的泡沫可以通过1）开发新的制造工艺，降低值。2）提高生产泡沫树脂的剪切强度。3）孔隙的大小小于裂纹扩展或发生失稳的临界直径。4）使用杆状的增强材料增强泡沫。

2、PMI泡沫夹层结构的结构优势

在夹层结构中，PMI泡沫材料可以作为结构性单元。过去，一般仅仅把泡沫作为填充材料，不考虑其强度和刚度对结构的贡献。主要原因是过去使用的泡沫材料，例如PUR泡沫，一般是在结构完成以后，空腔内发泡，这样泡沫的质量，均匀性和力学性能难以保证。PMI 泡沫采用的是独特的固体发泡技术，泡沫的质量、均匀性和力学性能都可以保证。PMI泡沫是目前比强度和比刚度最高的聚合物硬质泡沫材料。通过计算，如果把PMI泡沫作为夹层结构的结构性单元，面板可以减少1－2层碳纤维铺层。PMI泡沫夹层结构可以作为结构性夹层结构使用，应用领域突破了过去蜂窝等非结构性夹层结构的传统观点。

3、PMI泡沫夹层结构的工艺优势

PMI泡沫还具有突出的耐压缩蠕变性能。也可以这样说，PMI泡沫的比强度和比刚度是使得材料具有良好的使用性能，PMI泡沫耐压缩蠕变性能使得材料同时也具备了良好的工艺性能。碳纤维环氧复合材料体系的固化需要设定的压力，温度和时间为固化条件。如果采用节约成本的共固化工艺，作为芯材的泡沫材料，需要具有良好的耐压缩蠕变性能。经过试验，PMI泡沫能够满足各种固化条件的要求。

通常对于泡沫夹层结构，可以采用的工艺有：

模压工艺：模压工艺的特点是模具成本相对较高，优点是能够准确的保证复合材料的厚度和尺寸；同时具有两个光洁表面的构件。通常采用模压工艺的构件有飞行控制部件，直升机旋翼，运动器材和医疗床板等。在模压工艺中，通过赋予泡沫芯材一定的过盈量，在合模固化过程中，过盈量给面板的固化提供反压力。PMI泡沫的耐压缩蠕变性能是过盈量转变成反压力的前提和保证，可以通过设定合适的过盈量，根据铺层的树脂含量，固化体系，面板厚度，调整反压力的大小，满足固化压力的要求。

热压罐工艺：热压罐工艺的特点是一面硬模，一面软模（真空袋）。通过抽真空以及热压罐内加压，对固化中的复合材料层板加压。如果采用共固化工艺，也就是碳纤维复合材料面板的固化、夹层结构芯材与面板的粘接一次性完成。PMI泡沫的空隙相对蜂窝要小，能够对面板的固化提供足够的支撑，不会象蜂窝结构面板出现电报效应。

RTM工艺：液体树脂注射是一种相对较新的优化制造工艺，借助RTM（树脂转注模）的技术，生产高性能夹层结构构件。目的是为了简化生产过程，降低制造成本，节约原材料的价格。选用价格相对较低，具有良好的铺覆性能的布，可以实现批量生产，构件能达到使用高质量的预浸料的效果。如果将蜂窝的孔隙加以密封，不让低黏度的注射树脂流入蜂窝孔隙，在RTM制造工艺中，也可以选择蜂窝作为夹心材料。不过，通常如果采用RTM工艺生产夹层结构复合材料，一般采用泡沫芯材。和热压罐工艺相同，芯材也需要具有良好的耐压缩蠕变性能，满足树脂注射压力和注射温度的要求。

4、PMI泡沫夹层结构耐久性方面的优势

泡沫夹层结构与NOMEX®蜂窝夹层结构比较的另一个特点是其抗吸湿性好得多，由于泡沫是闭孔的，湿气和水分很难进入到夹芯里面去。两种材料的吸湿实验对比见图4。目前，舰载机型以及一些雷达透波构件（雷达罩）尽可能的避免采用蜂窝结构，减少维护成本。

图4：PMI泡沫和蜂窝吸湿实验对比曲线

三、应用市场分析

1、全球市场

PMI泡沫绝大部分用作复合材料夹芯材料，已成功地引入很多应用领域，目前已有154种复合材料夹芯应用，涉及领域包括雷达天线罩、隐身、火车、船舶、汽车和航空航天领域、医疗、体育用品。 PMI泡沫复合材料产品在全球市场增长迅猛，自20世纪70年代以来，PMI泡沫已经应用于许多航天、航空飞行器中，包括麦道公司MD11的襟翼导流片、进气道；韦斯特兰直升机公司的“山猫”、“海王”的主、尾旋翼；空客公司A320扰流器、A340/500/600/380飞机客舱气密隔板；欧洲直升机公司EC135、NH90的主尾旋翼；波音公司与西科斯基公司联合研制的RAH-66“科曼奇”的旋翼等。航天上，PMI泡沫塑料已经应用到美国德尔塔(Deltall)运载火箭的载荷段整流罩、级间段、中间体、隔热罩和组推器鼻锥结构等。

航天火箭整流罩

交通运输上，PMI泡沫塑料目前已经应用到日本新干线E4列车的列车头、欧洲快速列车车头、瑞士Schindler Technic公司自承载式货车车体、德国Duewag公司的有轨电车车体中段、意大利法拉利跑车、F1赛车的车体等。PMI泡沫塑料还应用于西门子等公司医疗床板，挪威高速表面效应巡逻艇的艇体等。

西门子医疗床

PMI泡沫优异性能，使其成为材料科学中理想的轻型材料之一。将PMI泡沫与其他材料及加工工艺结合，有利于汽车的轻量化发展。随着材料轻量化技术，包括设计、生产工艺、装配、连接及材料性能等的不断发展和成熟，未来基于复合材料的多材料轻量化结构是汽车轻量化及汽车外饰件材料的发展趋势。通过不同材料、结构和制造工艺的相互结合和补充，可以简单方便地实现设计和制造的模块化，以使所用材料和零件的功能达到最佳的组合。目前，汽车的轻量化技术还处于不成熟阶段，在未来将有很大的发展空间。

1）19 年山猫直升机Lynx AH MK 9 的首次飞行即安装了新型先进复合材料旋翼，旋翼直径达到12.8m。ROHACELL泡沫广泛应用在各种型号的直升机桨叶中作为芯材，例如BK117、EC135、EH101、Tiger等型号的直升飞机。其中EH101桨叶的长度达到8.5m。使用ROHACELL 泡沫的夹层结构设计，桨叶的使用寿命约可延长10000多飞行小时,比金属桨叶的400-500飞行小时长很多。

2）新一代的“虎”式直升机的引擎罩是使用PMI泡沫ROHACELL XT 作为芯材，和BMI 预浸料共固化。构件的长期使用温度达到160°C。只有使用ROHACELL XT才能实现共固化，降低成本的同时减轻重量。

3）PMI泡沫夹芯结构在A340和A380后压力框上取得应用。空中客车A340-500和600选择ROHACELL泡沫加强气密机舱的球面框，泡沫夹层的加强筋大幅度提高了球面框的稳定性。

4）日本新干线E4高速火车头中使用PMI泡沫作为芯材。高速火车头需要一种高强度和重量比的碳纤维/环氧树脂面板复合材料。而且需要满足压力罐工艺需要的压力和压力下的蠕变指标。PMI正是具有高强度重量比和较高的耐压缩蠕变性能。

5）1999年至2001年，雷诺汽车公司采用RTM工艺，先后成功地在Espace第三代汽车的发动机罩和汽车的车顶加强筋部位使用了ROHACELL 51 IG，并采用了玻璃纤维进行增强。此外，奔驰McLaren SLR汽车的车门槛板和后保险杠底杆等部件则使用了ROHACELL 71 IG。在Lancer Evolution 8中，ROHACELL 51 IG被用作扰流板的夹层结构芯材，它比原来的ABS 部件减轻了2kg。在宝马X5中，通过热压罐工艺固化成型的以ROHACELL 为芯材的夹层板发动机盖，其重量仅为金属制发动机盖的1/4左右。

6）法国Corima公司使用ROHACELL IG51泡沫作为芯材用在高性能的复合材料自行车的车架和轮辐，外面使用碳纤维的包覆模压成型。挪威制造商Madshus 公司多年来一直采用ROHACELL聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）硬质泡沫作为生产滑雪板的必需组成部分。ROHACELL 芯材与纤维增强表面的完美结合，赋予滑雪板最佳的柔韧性与动力学性能。采用胶粘或模压工艺，该高性能PMI 泡沫可与各种常用塑料形成具有高负承载能力的复合材料。

从国外使用情况看，PMI泡沫产品约80%用于航天航空领域，约15%用于交通运输上，约5%用于其他领域。

2、国内市场

国内PMI泡沫已用作耐高温结构材料和透波材料，主要从德国进口，价格昂贵。

2006年，德国赢创德固赛联合上海同济大学一起研发的PMI泡沫夹心帽筋条结构的复合材料发动机盖和后背门部件已被安装在上海燃料电池汽车动力系统有限公司的新一代燃料电池汽车上。与传统的金属结构部件相比，二者分别减重37.7%和34.6%。

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。并且，研制的PMI泡沫还在××无人机上得到了应用。

2012年7月18日，由直升机材料冶金和环境工程工作系统主持召开了“聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）泡沫性能和工艺评审会”；昌河飞机公司、中国直升机设计研究所、惠阳航空螺旋桨公司、湖南大学、湘潭大学等单位的领导和专家参加了评审会议。

中国首架自行研发的新型支线飞机ARJ21-700的机翼和翼片都采用了PMI夹层结构泡沫芯材，ARJ21也将成为中国第一个销往欧美国家的飞机产品，目前国内外订单为208架，其中包括美国通用电气商业航空服务公司订购的25架飞机。

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泡沫还在国产的某直升机旋翼、尾翼和机身，及某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。

中航惠腾风电设备股份有限公司风力发电机组风轮叶片已经在用森普沃（北京）新材料科技发展有限公司的PMI泡沫材料。由北京天波环宇研究所开发的偏馈天线上，改变了过去采用NOMEX蜂窝夹层结构的传统设计，转而采用PMI作为筋条。

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。另外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

中国首架自行研发的新型支线飞机ARJ21-700的机翼和翼片都采用了ROHACELL夹层结构泡沫芯材，这也是ROHACELL泡沫首次应用在中国本土自主研发设计的飞机中。ROHACELL 作为应用于复合材料的夹层泡沫，可粘合在两块由碳纤维或玻璃纤维增强的高韧性塑料面板之间，采用三明治结构的成型件刚性好且重量轻，具有高负承载能力。

四、PMI材料最新发展

美国Aztex公司在PMI泡沫的基础上又开发了两种新型的芯材，X-Core和K-Core。X-Core 使用Z-Fiber®针(完全固化的纤维/树脂针)，加强轻质PMI泡沫，如图10所示。露出泡沫表面的Z-Fiber®在铺层时，埋入蒙皮，提高蒙皮-芯材之间的胶接性能。Z-Fiber®形成的桁架结构承受剪切和压缩载荷，泡沫对Z-Fiber的稳定的侧向支撑。

图10：X-core及其示意图

K-Core® 也是利用Z-Fiber®针纵向加强。与X-Core不同，将露出来的Z-Fiber®和泡沫表面压平，如图11所示。

图11：K-core及其示意图

使用Z-Fiber®加强PMI泡沫，据Aztex资料介绍，和未加强的泡沫材料相比较，剪切强

度可以提高四倍以上，压缩强度十倍以上，提高损伤容限，可以适应高温或常温共固化工艺，可以最大限度的实现芯材的优化，其破坏方式为延性破坏。目前已用在了Sikorsky –RAH-66 直升机的地板等位置，替代NOMEX®蜂窝芯。

Webcore 公司使用碳纤维或玻璃纤维在闭孔泡沫的厚度方向上缝合。根据不同的要求，使用不同的泡沫材料和不同的纤维产品，主要用在液体树脂注射成型工艺中。TYCOR A使用碳纤维缝线增强，主要用在航天航空领域，例如Boeing Huntington Beach，CH-47 和X-45 起落架舱门，如图12所示。TYCOR B使用玻璃纤维缝线增强，主要用在船舶，铁路车辆等工业领域，如图13所示。

图12：TYCOR A 板材

图13：TYCOR B 板材五、PMI前景展望

目前PMI泡沫最初应用从上世纪初的航空开始，逐步发展到今天的船舶、交通运输、运动器材、风力发电、医疗器材等领域，随着需求的多样化，PMI泡沫的产品和应用也将不断发展。包括大中型客机的一级结构、雷达罩、机腹整流罩、小翼、冲压涡轮发动机舱门以及前起落架舱门等，直升机的机身、旋叶和尾端的芯子等，运载火箭的有效载荷整流罩、级间舱段、中间体、隔热罩、推进器鼻锥结构等，同时在在舰船、高速机车中也都得到了应用。

从国外PMI泡沫产品约80%用于航天航空领域看，PMI泡沫在国内航空航天领域相当大的提升比例。加上最近几年军工行业高速发展尤其战斗机、无人机等对轻型复合新材料需求比较旺盛的领域，国内的PMI泡沫龙头企业有望获得极大的发展机会。

附：国内主要的PMI生产厂家有：常州天晟新材(300169)、浙江中科恒泰性材料有限公司、中国科学院化学研究所、湖南兆恒材料科技有限公司、浩博（福建）新材料科技有限公司。下载本文