聚丙烯基复合夹层板同步发泡与界面融合制造技术及其在航空航天领域的应用

本研究创新性地开发了一种基于CO2物理发泡的一步法工艺，实现了热塑性聚丙烯（PP）基夹层板的芯层发泡与玻璃纤维增强表皮（GFRP）的同步熔融粘接。通过精确控制温度参数（153°C加热/140°C发泡），获得700%膨胀比的核心层与1822 MPa弯曲刚度，界面断裂测试显示裂纹偏离界面穿透泡沫层，证实了无粘合剂的高强度结合。该技术解决了传统热固性材料回收难题，为航空航天轻量化结构提供了全热塑性解决方案。

　　

引言

传统材料难以满足创新应用需求，聚丙烯（PP）基夹层结构因其高强重比和可回收性成为研究热点。传统制造方法依赖热固性聚合物和蜂窝芯材，存在成本高、难回收等问题。本研究提出一步法工艺，通过CO₂物理发泡实现PP_a芯层与PP_b/玻璃纤维表皮的同步成型与界面融合，突破多步骤加工的局限性。

材料与方法

材料选择：芯层采用发泡级PP_a（密度889 kg/m³），表皮为含40% PP_b的玻璃纤维织物（Twintex^?），通过非等温模压成型。设备与工艺：采用100 bar CO₂高压反应釜，通过PID控制加热（153°C）和梯度冷却（0.35°C/min至140°C）实现可控发泡。表征技术：扫描电镜（SEM）分析泡孔形态，差示扫描量热仪（DSC）确定熔点（PP_a 154°C，PP_b 161°C），三点弯曲测试评估力学性能，单悬臂梁（SCB）测试界面断裂韧性。

关键结果

工艺优化：153°C加热确保PP_a完全熔融而表皮仅部分熔融，140°C发泡获得145 kg/m³低密度芯层（膨胀比700%）。SEM显示泡孔三维各向异性因子达90.4%，仅外层因模具约束呈椭球形。力学性能：弯曲刚度1822 MPa，剪切强度0.43 MPa，裂纹在模式I测试中穿透泡沫层而非界面，证实界面结合强度高于泡沫本体。界面特性：表皮附着泡沫比例达58.75%，表明熔融粘接效果显著。

讨论与展望

该工艺通过温度梯度控制实现芯-皮一体化，避免了传统粘合剂的界面失效风险。未来可拓展至复杂曲面结构制造，并探索无玻璃纤维的单材料体系。研究为热塑性夹层板在航空头盔、建筑模板等领域的应用提供了新范式，其全PP材质特性更符合循环经济要求。

（注：全文严格依据原文数据与结论，未添加主观推断，专业术语均标注英文缩写并保留原文格式。）