复合材料夹层结构基本原理及芯材的力学性能和测试方法

前言

我国复合材料工业的发展起始于20世纪50年代，经过50余年的发展，由于“轻质高强”的优异性能，其应用领域已由最初的航空航天和国防业渗透到了当今国民经济的各个领域，如化工管罐，运动器材，汽车部件，建筑，船艇，轨道交通，风力发电叶片等等。随着复合材料应用领域的扩展，产品的尺寸不断变大，夹层结构的应用也越来越广泛。

1 复合材料夹层结构基本原理

       复合材料夹层结构由强度很高的面层和强度较低的轻质夹芯材料组成，在弯曲荷载下，上下面层承担主要的拉应力和压应力，芯材主要承担剪切应力。芯材的力学作用机理是连接面层使之成为整体构件，让薄而强的面层在承担较高拉压应力的同时不发生屈曲，并将剪切力从面层传向内层。以面层厚度相等的单夹层结构在弯曲载荷作用下的响应为例，来说明夹层结构的基本原理。

1.1 面层和芯材的拉、压应力分布

       在弯曲载荷作用下，假设面层和芯材的界面没有损坏，即在界面处的变形是连续的，且材料处于线弹性范围内，则夹层结构产生的拉压应变分布如图1所示。

由于面层和芯材的弹性模量不同，所以其应力分布会发生突变，面层的拉、压应力远大于芯材的拉、压应力，如图2所示。

根据材料力学梁的弯曲理论，根据夹层结构的几何数据和各部分材料的弹性模量可以算出结构的等效刚度（EI）eq，则面层和芯材部位产生的拉、压应力如下：

式中，M：夹层结构承受的弯矩
            y：离中性轴的距离
           Ef：面层的弹性模量
           Ec：夹芯材料的弹性模量

1.2 面层和芯材的剪应力分布

    根据材料力学梁的弯曲理论，夹层结构中的剪应力分布如图3所示。

    在工程实践中，为便于计算，可以对其进行线性简化，如图4所示。那么剪应力可按下式进行简化计算：

式中，Q：截面承受的剪力
            b：夹层结构梁的宽度
            c：芯材的高度

1.3 面层和芯材的匹配

      从上面的分析可以看到，面层承担了大部分的拉、压力，芯材承担了大部分的剪力。而面层的强度和刚度都远大于夹芯材料，对于夹层结构设计人员来说，如何能够使这两种力学性能大相径庭的材料完美的结合在一起，充分发挥各自的优点，即满足使用要求，又不浪费材料？

      在夹层结构受弯情况下，夹层结构主要是靠芯材的剪切来传递直接施加在面层上的力，在复合材料夹层结构中，FRP面层的模量和强度都很高，只有高剪切强度和大剪切断裂延伸率的芯材才适用，如常用的PVC、PET、SAN、PEI、PMI等泡沫芯材。要根据夹层结构在使用中可能的受力状况，选用适当种类和密度的芯材，合理设计面层和芯材的厚度，按照前面介绍的应力计算方法，或用相关的有限元分析软件，进行反复的计算验证，最终达到较优的设计方案。

      若选用剪切强度低，或是剪切断裂延伸率小的芯材，则芯材破坏时，面层可能只发挥了1%不到的强度，则会造成材料的浪费。

1.4 胶粘剂的选用

       用于粘接面层和夹芯材料的胶粘剂要有足够的剪切强度和韧性，保证粘接层不先于芯材而破坏，才能把剪切应力从面层传递到芯材，最终保持夹层结构的整体性。另外，胶粘剂不能与芯材或面层发生化学反应，其固化成型温度不能影响芯材和面层的性能。

2 夹芯材料基本力学性能

       前面提到，只有剪切性能高的芯材才适用于复合材料夹层结构。市场最常用的是硬质泡沫塑料和balsa轻木。总体来说，轻木力学性能高，但离散性大，由于来自特定地区的天然木材，产量有一定限制；泡沫芯材力学性能一般低于轻木，但性能十分稳定，且可以随市场需求不断的提高产量。另外，作为结构芯材的还有各类蜂窝，玻璃钢梯形板等。

2.1 泡沫芯材

       目前，市场上常用的泡沫芯材主要有PVC、PET、PEI、PMI、SAN等，目前在复合材料夹层结构中应用最多的是PVC泡沫芯材。Airex公司的C70系列PVC泡沫为市场主流PVC产品，密度范围从40~200 kg／m3，以此为例来说明其基本力学性能。

       本文对Airex公司C70系列PVC泡沫的压缩强度、压缩模量，剪切强度、剪切模量，拉伸强度和拉伸模量等力学性能与密度的关系进行了分析。表1为此PVC泡沫系列产品的力学性能数据。

       把表1中的数据制成散点图，即图5，从中可以直观的看出各力学性能与密度的关系。经线性模拟后发现，线性相关系数非常高，R2值均超过了0.99，证实了这类泡沫芯材的力学性能与密度基本成正比。图6和图7分别列举了压缩模量和剪切强度的线性模拟方程及其R2值。

2.2 balsa轻木

Balsa轻木也是应用最广泛的夹芯材料之一，它的综合力学性能比PVC泡沫更好。在微观结构上，它是一种十分致密的蜂窝状结构，所以压缩强度和压缩模量都很高。表2为市场常见的Baltek公司SB系列轻木芯材的力学性能。

    对SB系列轻木的力学性能进行统计分析后发现，其力学性能与密度也基本成正比。

    同时发现，其剪切强度明显低于木纤维方向的压缩强度和拉伸强度，而剪切模量达不到木纤维压缩和拉伸模量的10%，这一点与C70不同。导致这一差异的原因在于两种芯材的细观结构不同，PVC泡沫是各向同性的，而balsa木有着强烈的各向异性。

3 夹层结构及其芯材相关测试方法

3.1 芯材基本性能测试

    对于芯材，最主要的性能指标是压缩和剪切性能，表3列出了常用的如ISO、ASTM、GB等测试方法。

除此之外，还有DIN，BS，JIS，各厂家和研究机构自己制定的标准等，对于特定芯材的特定性能，各测试标准基本原理是一致的，但在试样尺寸和试验操作上不完全相同。关于各测试标准的技术水平和测试结果的精度，各国都有专门的标准化委员会来研究，如美国的ASTM，中国的GB等。在工程应用上，如用户进行芯材的对比选择，或是芯材生产上的质量检查和控制，只要选定一种熟悉的测试方法既可。

3.2 夹层结构性能测试

由于制作工艺、设计水平和生产管理等影响，由高性能芯材制成的复合材料夹层结构的综合性能不一定如设计所愿。所以，对夹层结构，还要通过专门的试验测试来检验其实际效果。

       夹层结构力学性能测试有静力学测试和动力学测试。中国夹层结构静态试验标准为GB/T 1452- GB/T 1457，见表4。其中最能充分反映夹层结构综合力学特性的是夹层结构弯曲试验方法，它直接模拟了构件的主要受力情况，可以考验面层强度，粘接面强度，芯材强度和制作工艺水平。从弯曲试验的破坏状况可以判断制品的薄弱环节，从而做针对性的改进。

对特定的复合材料产品，如航空航天产品，轨道交通车辆等，还会要求进行疲劳测试和冲击测试。这些测试的设备工装复杂，要由具有较高技术水平和一定相关经验的人员来操作，更重要的是要能够对测试结果进行正确的分析。因此，常规的实验室往往不做此类试验，要在针对性很强的专门实验室进行。

4 小结

 复合材料在近几十年得以迅猛发展，在于其“轻质高强”的特性，而夹层结构的设计理念则向人们展示了复合材料“更轻更强”的神奇魅力。其中，夹芯材料是设计成败的关键，只有熟悉了各种夹芯材料的性能和夹层结构的制作工艺，并选用正确的试验方法进行检验，才能制作出优秀的复合材料夹层结构制品。