前言

我國復合材料工業(yè)的發(fā)展起始于20世紀50年代，經(jīng)過50余年的發(fā)展，由于“輕質(zhì)高強”的優(yōu)異性能，其應用領域已由最初的航空航天和國防業(yè)滲透到了當今國民經(jīng)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(fā)電葉片等等。隨著復合材料應用領域的擴展，產(chǎn)品的尺寸不斷變大，夾層結(jié)構(gòu)的應用也越來越廣泛。

1 復合材料夾層結(jié)構(gòu)基本原理

       復合材料夾層結(jié)構(gòu)由強度很高的面層和強度較低的輕質(zhì)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(gòu)件，讓薄而強的面層在承擔較高拉壓應力的同時不發(fā)生屈曲，并將剪切力從面層傳向內(nèi)層。以面層厚度相等的單夾層結(jié)構(gòu)在彎曲載荷作用下的響應為例，來說明夾層結(jié)構(gòu)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(xù)的，且材料處于線彈性范圍內(nèi)，則夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(fā)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(jù)材料力學梁的彎曲理論，根據(jù)夾層結(jié)構(gòu)的幾何數(shù)據(jù)和各部分材料的彈性模量可以算出結(jié)構(gòu)的等效剛度（EI）eq，則面層和芯材部位產(chǎn)生的拉、壓應力如下：

式中，M：夾層結(jié)構(gòu)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(jù)材料力學梁的彎曲理論，夾層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)合在一起，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點，即滿足使用要求，又不浪費材料？

      在夾層結(jié)構(gòu)受彎情況下，夾層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中，F(xiàn)RP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(jù)夾層結(jié)構(gòu)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(guān)的有限元分析軟件，進行反復的計算驗證，最終達到較優(yōu)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(fā)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(jié)構(gòu)的整體性。另外，膠粘劑不能與芯材或面層發(fā)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(jié)構(gòu)。市場最常用的是硬質(zhì)泡沫塑料和balsa輕木?？傮w來說，輕木力學性能高，但離散性大，由于來自特定地區(qū)的天然木材，產(chǎn)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(wěn)定，且可以隨市場需求不斷的提高產(chǎn)量。另外，作為結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(guān)系進行了分析。表1為此PVC泡沫系列產(chǎn)品的力學性能數(shù)據(jù)。

       把表1中的數(shù)據(jù)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(guān)系。經(jīng)線性模擬后發(fā)現(xiàn)，線性相關(guān)系數(shù)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(jié)構(gòu)上，它是一種十分致密的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，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(tǒng)計分析后發(fā)現(xiàn)，其力學性能與密度也基本成正比。

    同時發(fā)現(xiàn)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)及其芯材相關(guān)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(gòu)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(guān)于各測試標準的技術(shù)水平和測試結(jié)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(chǎn)上的質(zhì)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(jié)構(gòu)性能測試

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

       夾層結(jié)構(gòu)力學性能測試有靜力學測試和動力學測試。中國夾層結(jié)構(gòu)靜態(tài)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(jié)構(gòu)綜合力學特性的是夾層結(jié)構(gòu)彎曲試驗方法，它直接模擬了構(gòu)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(huán)節(jié)，從而做針對性的改進。

對特定的復合材料產(chǎn)品，如航空航天產(chǎn)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(shù)水平和一定相關(guān)經(jīng)驗的人員來操作，更重要的是要能夠?qū)y試結(jié)果進行正確的分析。因此，常規(guī)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(jié)

 復合材料在近幾十年得以迅猛發(fā)展，在于其“輕質(zhì)高強”的特性，而夾層結(jié)構(gòu)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(guān)鍵，只有熟悉了各種夾芯材料的性能和夾層結(jié)構(gòu)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(yōu)秀的復合材料夾層結(jié)構(gòu)制品。