夹层结构芯材的选择

       夹层结构一般是由较薄的、刚度和强度较大的面板夹以较厚的、较弱的低密度芯材形成的。

       在大多数情况下，这种复合材料的刚度、强度要比组分材料单独的刚度、强度之和高得多。芯材被人们使用已有百余年的历史了，而最早被应用于复合材料工业是在20世纪40年代初，用于制造英国皇家空军的蚊式轰炸机。60年代初期，船艇制造业的先进技术的开创者们，开始使用BALSA芯材与玻璃钢面板结合的结构来制造帆船的甲板，以降低船体重量并增加刚度。

       经过多年的使用，复合材料工业已将芯材按其材质分为三大主要类别：

      －结构蜂窝型：（NOMEX芳纶蜂窝，铝蜂窝）

      －天然材质型：（BALSA轻木，其它木质芯材）

      －人造材质型：（PVC等泡沫塑料）

       随着有限元分析（FEA）、计算机辅助设计（CAD）和复合材料工程设计的出现，对芯材在夹层结构中是如何“工作”和发挥的作用，就可通过各种资料和手段予以很好的证明。
 

       随着人们对轻质、高速、高强产品不断研发的需要，夹层结构的面板材料和其它各种原材料也有了长足的进展：出现了碳纤维和芳纶（Kevlar）纤维等多种先进增强材料，且价格不断下降；在过去的十几年，各种高性能聚酯树脂、环氧树脂也得到了广泛的应用，而且连热塑性树脂也有一定程度的发展；用于夹层结构的各种高质量芯材，已出现在复合材料行业的原料市场上。
 

芯材的类型
 

      有经验的芯材制造商在拓宽产品种类的同时，还采用更先进的密度控制方法，以提高产品的质量。为了更好地了解芯材的选择及其应用领域，在此我们可根据芯材在夹层结构中的作用将其归结为以下三类：
 

      1．非结构芯材 例如密度为32kg/m3的聚氨酯泡沫或纸质蜂窝，这些芯材只能提供一定的刚度，但对载荷的承受能力较低。用纸质蜂窝制造居民住宅区的房屋内门是这类芯材较好的应用范例。
 

       2．准结构芯材 例如其剪切强度低于0.69MPa的低密度PVC泡沫芯材（密度<60 kg/m3），这类芯材还包括酚醛基纸蜂窝和较高密度聚氨酯泡沫。
 

       3．结构芯材 它能提供最高的刚度和很大的承载能力。如密度高于60kg/m3的NOMAX蜂窝和铝蜂窝， BALSA端纹轻木，PVC泡沫，以及密度高于70 kg/m3、剪切强度高于0.69MPa的芯材。
 

      本文的重点在于如何选择结构芯材。下表给出的产品均可作为结构芯材使用，表中并列出了这些常用结构芯材重要的力学性能，仅供参考。
 

夹层结构的工作方式
 

      夹层结构传递载荷的方式类似于工字梁，即面板（翼板）主要承受由弯矩引起的面内拉压正应力和面内剪应力，而芯材（腹板）主要承受由横向力产生的剪应力。夹层结构一般由以下五个要素构成：
 

      上面板；上面板与芯材的粘接层；芯材；下面板与芯材的粘接层；下面板。
 

      所有这些要素组成一个整体的夹层结构。产品设计者的最终目标就是设计出一个具有较高刚度、强度、较低重量和合理成本的理想结构。
 

      芯材的剪切强度和剪切模量对于夹层结构的性能以及芯材的选择都起着决定性作用。当然，在选择芯材以及选择夹层结构的其它四个要素时，还有一些条件应依据产品设计要求加以优先考虑：诸如耐火性能、烟密度、烟毒指标、损伤容限，绝缘性能或工艺性能等。而这一切得来自于最终产品的要求，也就是说，当产品设计者确定了他们所要生产的产品性能时，材料的选择方法也就显而易见了。
 

       夹层结构的强度设计应由五要素中最薄弱的一个来决定。由此，设计者的设计目标也可以认为是：分析夹层结构各要素的强度性能差别，组合出最为合理的五要素。在满足性能要求的前提下，如果五个要素能同时被破坏，这样的结构被视为最理想和最有效的结构。实际上，充分理解了“同时破坏”（等强度设计）这一概念，并且综合平衡强度、刚度、重量及成本之间的关系，这就是设计理想产品的最终原则。
 

       对于有经验的芯材供应商，他们能够在提供高质量芯材的同时，还能为用户提供有限元分析和计算机辅助铺层设计以及验证试验等多项服务，并有丰富的理论数据和工程设计经验，这种经验不只是在芯材选择方面，也包含了夹层结构的其它要素。
 

芯材的正确选用
 

      芯材的选择首先取决于产品设计者对产品重量、力学性能、工艺条件以及成本的要求，综合平衡夹层结构的五要素（上面板、上面板与芯材的粘接层、芯材、下面板与芯材的粘接层、下面板），据此来进行设计，以获得最终的铺层方案。目前，铺层设计可由有经验的芯材供应商通过计算机分析提供出最终设计结果，直接被产品设计者选用。
 

       选择芯材时，应考虑到它只是整个铺层设计的一部分，选择时不应只片面地考虑个别的性能，而应考虑到整体结构的要求及应用，怎样使整个结构的各要素工作得象一个整体，这是设计师的最终设计目标。可以预计，芯材的正确选用必将成为未来复合材料设计的核心。
 

成功应用实例
 

       高速摩托艇
 

       CIGARETTE赛艇队的11.5米F2级新型高速摩托艇，夺得了1998年Key West杯近海摩托艇赛的F2级别冠军。

该艇设计师的主要目标是：在不增加制造成本的前提下减轻艇体重量，提高航速，同时保证CIGARETTE在安全性及高质量制作方面的声誉。为了达到这一设计目标，设计师在该艇的底部选用了标准BALSA轻木芯材（美国博太芯材技术公司提供），以获得最大的剪切和压缩强度。而艇的干舷部和甲板则采用控制密度方式生产的重量较轻的BALSA轻木。此外，舱壁、内部地板和座椅采用BALSA为芯材的夹层板和以泡沫为芯材的预制帽型横梁，取代了原设计中重量大得多的胶合板结构。
 

    最终的效果十分惊人：减重22%，节省2500美元的材料及人工费，艇速提高了24公里/小时（航速超过136公里/小时），不容怀疑地赢得了冠军。
 

高速渡船
 

       HYDRA 技术公司生产的13米双体渡船的最低航速要求为35节，该船在巴拿马的内河中营运，河上有很多碎片（如飘浮的木料等）。由此可见，损伤容限是此船最主要的技术指标。为了达到设计速度，船体重量也受到了严格的限制。因此，选用密度为140kg/m3的线型PVC泡沫作为船底的芯材，而船侧和舷台的芯材则采用密度为80kg/m3的线型PVC泡沫。制造商选用环氧树脂来降低重量并提高损伤容限（增加抗冲击强度和剥离强度）。采用玻璃纤维增强的船壳板并用真空袋压制工艺，以获得面板与芯材的良好粘接。
 

       对于甲板和舱室侧壁板，制造商选用了78kg/m3密度控制方式生产的SuperLite BALSA端纹轻木作为芯材，这种芯材的表面带有AL600/10的胶层，可有效地提高芯材与面板的粘接性能。
 

       制造商还选择了交联PVC（60kg/m3）芯材与环氧树脂/玻纤（400g/m2）面板预制成1.2m×2.4m的标准夹层板，再通过切割、粘接等加工，组装成船内舱室。这种方法解决了因各艘船的舱室布置略有差别而要制造不同模具的问题，有效地节省了制造成本和生产时间。全船的铺层布置图是采用计算机设计程序设计的，这就确保了满足设计重量要求并使其符合巴拿马的渡船标准以及ABS规范。
 

       CORVETTE赛车
 

       通用汽车公司的第五代雪佛莱（C-5 Chevrolet）汽车的地板选用了复合材料夹层结构，设计时考虑了生产速度，降低车内噪声，减小震动以及刚度的要求。
 

      通用汽车公司比选了多种芯材，经对其性能综合平衡后，最终选定了博太芯材技术公司提供的密度控制BALSA端纹轻木，并由该公司为其提供了相应的多项分析及其它零件的夹层结构设计方案。
 

      在中国的应用情况
 

      自1999年始，美国博太芯材技术公司在中国有了正式的代理机构（科拉斯复合材料有限公司），并在国内的一定范围内，对芯材及夹层结构的应用进行了多次各种形式的技术讲座。目前，夹层结构已在国内生产的出口游艇，工作艇，高档火车，风力发电机叶片上，得到了成功的应用。例如广东东莞市玻璃钢船厂2000年建成的13米“沪浦巡1号”巡视艇中，由于整个上棚

采用了BALSA轻木，除达到了增加船舱净空高度和良好的隔热效果外，还使航速大为提高（设计航速为12节，实测航速为19节），目前该厂正在为上海家化集团设计的20米交通工作艇，其上棚和舱壁也将采用BALSA轻木。也有很多国内用户用其制造模具，以提高模具的刚度，减轻模具的重量。