前言

我國復合材料工業的發展起始于20世紀50年代，經過50余年的發展，由于“輕質高強”的優異性能，其應用領域已由最初的航空航天和國防業滲透到了當今國民經濟的各個領域，如化工管罐，運動器材，汽車部件，建筑，船艇，軌道交通，風力發電葉片等等。隨著復合材料應用領域的擴展，產品的尺寸不斷變大，夾層結構的應用也越來越廣泛。

1 復合材料夾層結構基本原理

       復合材料夾層結構由強度很高的面層和強度較低的輕質夾芯材料組成，在彎曲荷載下，上下面層承擔主要的拉應力和壓應力，芯材主要承擔剪切應力。芯材的力學作用機理是連接面層使之成為整體構件，讓薄而強的面層在承擔較高拉壓應力的同時不發生屈曲，并將剪切力從面層傳向內層。以面層厚度相等的單夾層結構在彎曲載荷作用下的響應為例，來說明夾層結構的基本原理。

1.1 面層和芯材的拉、壓應力分布

       在彎曲載荷作用下，假設面層和芯材的界面沒有損壞，即在界面處的變形是連續的，且材料處于線彈性范圍內，則夾層結構產生的拉壓應變分布如圖1所示。

由于面層和芯材的彈性模量不同，所以其應力分布會發生突變，面層的拉、壓應力遠大于芯材的拉、壓應力，如圖2所示。

根據材料力學梁的彎曲理論，根據夾層結構的幾何數據和各部分材料的彈性模量可以算出結構的等效剛度（EI）eq，則面層和芯材部位產生的拉、壓應力如下：

式中，M：夾層結構承受的彎矩
            y：離中性軸的距離
           Ef：面層的彈性模量
           Ec：夾芯材料的彈性模量

1.2 面層和芯材的剪應力分布

    根據材料力學梁的彎曲理論，夾層結構中的剪應力分布如圖3所示。

    在工程實踐中，為便于計算，可以對其進行線性簡化，如圖4所示。那么剪應力可按下式進行簡化計算：

式中，Q：截面承受的剪力
            b：夾層結構梁的寬度
            c：芯材的高度

1.3 面層和芯材的匹配

      從上面的分析可以看到，面層承擔了大部分的拉、壓力，芯材承擔了大部分的剪力。而面層的強度和剛度都遠大于夾芯材料，對于夾層結構設計人員來說，如何能夠使這兩種力學性能大相徑庭的材料完美的結合在一起，充分發揮各自的優點，即滿足使用要求，又不浪費材料？

      在夾層結構受彎情況下，夾層結構主要是靠芯材的剪切來傳遞直接施加在面層上的力，在復合材料夾層結構中，FRP面層的模量和強度都很高，只有高剪切強度和大剪切斷裂延伸率的芯材才適用，如常用的PVC、PET、SAN、PEI、PMI等泡沫芯材。要根據夾層結構在使用中可能的受力狀況，選用適當種類和密度的芯材，合理設計面層和芯材的厚度，按照前面介紹的應力計算方法，或用相關的有限元分析軟件，進行反復的計算驗證，最終達到較優的設計方案。

      若選用剪切強度低，或是剪切斷裂延伸率小的芯材，則芯材破壞時，面層可能只發揮了1%不到的強度，則會造成材料的浪費。

1.4 膠粘劑的選用

       用于粘接面層和夾芯材料的膠粘劑要有足夠的剪切強度和韌性，保證粘接層不先于芯材而破壞，才能把剪切應力從面層傳遞到芯材，最終保持夾層結構的整體性。另外，膠粘劑不能與芯材或面層發生化學反應，其固化成型溫度不能影響芯材和面層的性能。

2 夾芯材料基本力學性能

       前面提到，只有剪切性能高的芯材才適用于復合材料夾層結構。市場最常用的是硬質泡沫塑料和balsa輕木。總體來說，輕木力學性能高，但離散性大，由于來自特定地區的天然木材，產量有一定限制；泡沫芯材力學性能一般低于輕木，但性能十分穩定，且可以隨市場需求不斷的提高產量。另外，作為結構芯材的還有各類蜂窩，玻璃鋼梯形板等。

2.1 泡沫芯材

       目前，市場上常用的泡沫芯材主要有PVC、PET、PEI、PMI、SAN等，目前在復合材料夾層結構中應用最多的是PVC泡沫芯材。Airex公司的C70系列PVC泡沫為市場主流PVC產品，密度范圍從40~200 kg／m3，以此為例來說明其基本力學性能。

       本文對Airex公司C70系列PVC泡沫的壓縮強度、壓縮模量，剪切強度、剪切模量，拉伸強度和拉伸模量等力學性能與密度的關系進行了分析。表1為此PVC泡沫系列產品的力學性能數據。

       把表1中的數據制成散點圖，即圖5，從中可以直觀的看出各力學性能與密度的關系。經線性模擬后發現，線性相關系數非常高，R2值均超過了0.99，證實了這類泡沫芯材的力學性能與密度基本成正比。圖6和圖7分別列舉了壓縮模量和剪切強度的線性模擬方程及其R2值。

2.2 balsa輕木

Balsa輕木也是應用最廣泛的夾芯材料之一，它的綜合力學性能比PVC泡沫更好。在微觀結構上，它是一種十分致密的蜂窩狀結構，所以壓縮強度和壓縮模量都很高。表2為市場常見的Baltek公司SB系列輕木芯材的力學性能。

    對SB系列輕木的力學性能進行統計分析后發現，其力學性能與密度也基本成正比。

    同時發現，其剪切強度明顯低于木纖維方向的壓縮強度和拉伸強度，而剪切模量達不到木纖維壓縮和拉伸模量的10%，這一點與C70不同。導致這一差異的原因在于兩種芯材的細觀結構不同，PVC泡沫是各向同性的，而balsa木有著強烈的各向異性。

3 夾層結構及其芯材相關測試方法

3.1 芯材基本性能測試

    對于芯材，最主要的性能指標是壓縮和剪切性能，表3列出了常用的如ISO、ASTM、GB等測試方法。

除此之外，還有DIN，BS，JIS，各廠家和研究機構自己制定的標準等，對于特定芯材的特定性能，各測試標準基本原理是一致的，但在試樣尺寸和試驗操作上不完全相同。關于各測試標準的技術水平和測試結果的精度，各國都有專門的標準化委員會來研究，如美國的ASTM，中國的GB等。在工程應用上，如用戶進行芯材的對比選擇，或是芯材生產上的質量檢查和控制，只要選定一種熟悉的測試方法既可。

3.2 夾層結構性能測試

由于制作工藝、設計水平和生產管理等影響，由高性能芯材制成的復合材料夾層結構的綜合性能不一定如設計所愿。所以，對夾層結構，還要通過專門的試驗測試來檢驗其實際效果。

       夾層結構力學性能測試有靜力學測試和動力學測試。中國夾層結構靜態試驗標準為GB/T 1452- GB/T 1457，見表4。其中最能充分反映夾層結構綜合力學特性的是夾層結構彎曲試驗方法，它直接模擬了構件的主要受力情況，可以考驗面層強度，粘接面強度，芯材強度和制作工藝水平。從彎曲試驗的破壞狀況可以判斷制品的薄弱環節，從而做針對性的改進。

對特定的復合材料產品，如航空航天產品，軌道交通車輛等，還會要求進行疲勞測試和沖擊測試。這些測試的設備工裝復雜，要由具有較高技術水平和一定相關經驗的人員來操作，更重要的是要能夠對測試結果進行正確的分析。因此，常規的實驗室往往不做此類試驗，要在針對性很強的專門實驗室進行。

4 小結

 復合材料在近幾十年得以迅猛發展，在于其“輕質高強”的特性，而夾層結構的設計理念則向人們展示了復合材料“更輕更強”的神奇魅力。其中，夾芯材料是設計成敗的關鍵，只有熟悉了各種夾芯材料的性能和夾層結構的制作工藝，并選用正確的試驗方法進行檢驗，才能制作出優秀的復合材料夾層結構制品。