来源:高分子材料纵横
2024年2月,中航高科公告,此前公司全资子公司航空工业复材拟与赢创运营有限公司、赢创(中国)投资有限公司等共同出资4.35亿元设立PMI泡沫产业化合资公司。日前,德国政府监管部门未能批准赢创工业集团相关专利技术出口,故经审慎考虑后公司决定中止本项目投资。

01
PMI泡沫是什么
聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫是一种含有六元酰亚胺环的聚合物,是100%闭孔的硬质泡沫材料,具有突出的化学稳定性及优异的力学性能和热变形温度(180~250℃)。

PMI泡沫分子式,图源:《聚甲基丙烯酰亚胺泡沫塑料的制备和发展现状》,金瓯新材料研究院
由于PMI泡沫多使用固体发泡技术制造,泡沫具有孔径分布均匀、吸湿率低、质轻、减震、比强度和比模量高、导热系数低和隔音性能好等特点,被广泛应用于航空航天、兵器、船舶、交通运输、医疗体育器械,尤其是航空航天领域。例如“虎”式直升机的发动机舱、空中客车A340-500机舱的加强气密球面框、Delta系列运载火箭有效载荷整流罩、隔热罩等。
02
赢创PMI泡沫产品的市场地位
PMI泡沫塑料通常以甲基丙烯酸(MAA)和甲基丙烯腈(MAN)的共聚物为合成单体,在交联剂的作用下制备得到。
1962 年,德国Schroder 博士成功制备出PMI泡沫塑料并申请专利。1971年,德国Degussa公司(赢创工业集团前身)实现了PMI泡沫塑料的工业化,并成功应用于航空航天领域。
经过50多年的发展,赢创ROHACELL型号的PMI泡沫塑料依然处于领军地位, 是国内外众多企业的首选。2013年,赢创开发了新款PMI泡沫塑料(ROHACELL HERO),它解决了传统蜂窝芯材的进水问题,并显著降低了层间剥离破坏的风险,是制造夹层结构更优、更安全的材料。
03
国内PMI泡沫进展
我国PMI泡沫的发展起步较晚,在航空航天、风力发电和医疗器械等一些重要领域使用的PMI泡沫大多依赖进口。
国内PMI工程化技术源于国家“863”计划(风力发电机叶片芯材国产化项目),2008年由保定美沃公司率先解决工程化问题,并配套于风机叶片。
2010年开始,很多实力雄厚的资本方、技术先进的院校、体制优势的国企等,先后高调进入PMI领域,但大多黯然离场或转而代理销售,只剩下少数几家民企仍在坚持做“实体”。
2011年,ROHACELL LPM型 PMI泡沫成功用于我国首架客机,近年来国产ARJ21和C919也都采用了赢创生产的PMI泡沫。
随着我国经济、科学和工业技术的不断发展以及国内各行业对PMI泡沫塑料需求的不断提高,国内很多研究机构和企业也开始研究并生产PMI泡沫,为我国PMI泡沫塑料的发展做出了突出的贡献。
目前国内生产PMI泡沫的企业近10家,主要应用于风电叶片、日用品、健身器材等领域。在航空航天、风力发电等领域国内产品仍与国外产品有一定差距。

04
PMI泡沫国产化慢的主要原因
PMI泡沫是由多个单体、引发剂、发泡剂经过聚合成经过预聚合等形成发泡预聚板,后经过热处理生成PMI泡沫产品。

PMI泡沫生产工艺流程,资料来源:《聚甲基丙烯酰亚胺泡沫塑料的制备和发展现状》,金瓯新材料研究院
国内PMI泡沫进展慢的原因:
1、生产过程复杂,变量多,需要长时间研发测试。PMI泡沫的性能由原料性能、配方以及生产工艺及过程控制决定。制备过程变量多,工艺复杂,生成过程的反应原理等需要时间逐步摸索,短期难以取得跨越式成效。
2、资金投入大。PMI泡沫属于高分子化学领域,产业的发展需要较大的资金支撑,仅仅依靠民间力量很难支撑。
3、实验室制备与企业的工程化制备差别很大,工艺方法和参数完全不同。从实验室到工程化,仍有大量的量产化工作要做,资金投入和时间投入均非常大,初创企业或小企业很难长时间投入。
4、高分子材料行业对知识产权保护有独到的规则和措施。国外企业专利布局时间长,壁垒高,国内企业短时间很难突破封锁。
05
PMI泡沫在航空航天领域应用的必要性
2022年6月,中航高科发布公告称,公司全资子公司航空工业复材与誉华融投、赢创运营及赢创中国达成合作意向,拟共同出资4.35亿元在上海成立PMI泡沫产业化合资公司中航赢创。
航空工业集团合计间接持股比例为51%,为中航赢创实际控制人,誉华融投以持有11.49%股权,赢创运营和赢创中国合计持有49%的股权。
中航复合材料有限责任公司(简称航空工业复材)是中国航空工业集团有限公司所属单位,于2010年6月注册,注册资金7.94亿,占地36.4万平方米,位于北京市顺义航空产业园区,主要从事树脂、预浸料、蜂窝、复合材料结构件的研发、生产、销售以及技术开发、技术转让、技术咨询和技术服务工作。其产品大量用于国产大飞机C919的生产。
在航空航天工业中,航空复合材料制件通常为“三明治”夹芯结构,即蒙皮面层+芯材结构。目前,复合材料芯材主要有蜂窝类、硬质泡沫类、轻木类三种。蜂窝类主要以铝蜂窝和纸蜂窝为主,硬质泡沫类有PMI、PVC、PET、PU、EPS等,轻木类主要以巴沙木为主。
复合材料夹层结构是制造飞机轻质、高强度部件的首选。常用于机翼前缘、方向舵、起落架舱门、翼身和翼尖整流罩等。

我国航空复合材料制件中芯材仍以蜂窝类材料为主。蜂窝夹层结构,在使用过程中,表面容易发生损伤,产生显微裂纹并浸入水分。另外,蜂窝也不适用于液体树脂注射工艺(RTM)。

赢创德固赛ROHACELL® PMI泡沫,资料来源:公开资料,金瓯新材料研究院
同时PMI泡沫可以满足夹层结构中的强度和刚度要求。在相同密度的泡沫中,PMI泡沫是目前比强度和比刚度最高的硬质闭孔泡沫材料。PMI泡沫材料孔面由真正的固体部分构成,这些孔面会增加多孔体的刚度。在复合夹层结构中,PMI泡沫材料可以作为结构性单元。有计算得出,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。
另外PMI泡沫夹层结构抗吸湿性好得多,由于泡沫是闭孔的,湿气和水分很难进入到夹芯里面去,减少了维护检查的成本。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。
目前,欧美航空领域应用PMI已经十分成熟,美国军机应用PMI达80%,波音等民机达83%。而中国航空领域PMI应用在7%左右。主要原因还是因为中外技术差异大,国内在Z向增强PMI(美国Aztex公司Z-pin专利)上仍未掌握其工程化技术。
来源:高分子材料纵横
作者:金瓯新材料研究院

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