夾層結(jié)構(gòu)一般是由較薄的、剛度和強(qiáng)度較大的面板夾以較厚的、較弱的低密度芯材形成的。

       在大多數(shù)情況下，這種復(fù)合材料的剛度、強(qiáng)度要比組分材料單獨(dú)的剛度、強(qiáng)度之和高得多。芯材被人們使用已有百余年的歷史了，而最早被應(yīng)用于復(fù)合材料工業(yè)是在20世紀(jì)40年代初，用于制造英國皇家空軍的蚊式轟炸機(jī)。60年代初期，船艇制造業(yè)的先進(jìn)技術(shù)的開創(chuàng)者們，開始使用BALSA芯材與玻璃鋼面板結(jié)合的結(jié)構(gòu)來制造帆船的甲板，以降低船體重量并增加剛度。

       經(jīng)過多年的使用，復(fù)合材料工業(yè)已將芯材按其材質(zhì)分為三大主要類別：

      －結(jié)構(gòu)蜂窩型：（NOMEX芳綸蜂窩，鋁蜂窩）

      －天然材質(zhì)型：（BALSA輕木，其它木質(zhì)芯材）

      －人造材質(zhì)型：（PVC等泡沫塑料）

       隨著有限元分析（FEA）、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和復(fù)合材料工程設(shè)計(jì)的出現(xiàn)，對(duì)芯材在夾層結(jié)構(gòu)中是如何“工作”和發(fā)揮的作用，就可通過各種資料和手段予以很好的證明。
 

       隨著人們對(duì)輕質(zhì)、高速、高強(qiáng)產(chǎn)品不斷研發(fā)的需要，夾層結(jié)構(gòu)的面板材料和其它各種原材料也有了長足的進(jìn)展：出現(xiàn)了碳纖維和芳綸（Kevlar）纖維等多種先進(jìn)增強(qiáng)材料，且價(jià)格不斷下降；在過去的十幾年，各種高性能聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂也得到了廣泛的應(yīng)用，而且連熱塑性樹脂也有一定程度的發(fā)展；用于夾層結(jié)構(gòu)的各種高質(zhì)量芯材，已出現(xiàn)在復(fù)合材料行業(yè)的原料市場(chǎng)上。
 

芯材的類型
 

      有經(jīng)驗(yàn)的芯材制造商在拓寬產(chǎn)品種類的同時(shí)，還采用更先進(jìn)的密度控制方法，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量。為了更好地了解芯材的選擇及其應(yīng)用領(lǐng)域，在此我們可根據(jù)芯材在夾層結(jié)構(gòu)中的作用將其歸結(jié)為以下三類：
 

      1．非結(jié)構(gòu)芯材 例如密度為32kg/m3的聚氨酯泡沫或紙質(zhì)蜂窩，這些芯材只能提供一定的剛度，但對(duì)載荷的承受能力較低。用紙質(zhì)蜂窩制造居民住宅區(qū)的房屋內(nèi)門是這類芯材較好的應(yīng)用范例。
 

       2．準(zhǔn)結(jié)構(gòu)芯材 例如其剪切強(qiáng)度低于0.69MPa的低密度PVC泡沫芯材（密度<60 kg/m3），這類芯材還包括酚醛基紙蜂窩和較高密度聚氨酯泡沫。
 

       3．結(jié)構(gòu)芯材 它能提供最高的剛度和很大的承載能力。如密度高于60kg/m3的NOMAX蜂窩和鋁蜂窩， BALSA端紋輕木，PVC泡沫，以及密度高于70 kg/m3、剪切強(qiáng)度高于0.69MPa的芯材。
 

      本文的重點(diǎn)在于如何選擇結(jié)構(gòu)芯材。下表給出的產(chǎn)品均可作為結(jié)構(gòu)芯材使用，表中并列出了這些常用結(jié)構(gòu)芯材重要的力學(xué)性能，僅供參考。
 

夾層結(jié)構(gòu)的工作方式
 

      夾層結(jié)構(gòu)傳遞載荷的方式類似于工字梁，即面板（翼板）主要承受由彎矩引起的面內(nèi)拉壓正應(yīng)力和面內(nèi)剪應(yīng)力，而芯材（腹板）主要承受由橫向力產(chǎn)生的剪應(yīng)力。夾層結(jié)構(gòu)一般由以下五個(gè)要素構(gòu)成：
 

      上面板；上面板與芯材的粘接層；芯材；下面板與芯材的粘接層；下面板。
 

      所有這些要素組成一個(gè)整體的夾層結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)者的最終目標(biāo)就是設(shè)計(jì)出一個(gè)具有較高剛度、強(qiáng)度、較低重量和合理成本的理想結(jié)構(gòu)。
 

      芯材的剪切強(qiáng)度和剪切模量對(duì)于夾層結(jié)構(gòu)的性能以及芯材的選擇都起著決定性作用。當(dāng)然，在選擇芯材以及選擇夾層結(jié)構(gòu)的其它四個(gè)要素時(shí)，還有一些條件應(yīng)依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求加以優(yōu)先考慮：諸如耐火性能、煙密度、煙毒指標(biāo)、損傷容限，絕緣性能或工藝性能等。而這一切得來自于最終產(chǎn)品的要求，也就是說，當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)者確定了他們所要生產(chǎn)的產(chǎn)品性能時(shí)，材料的選擇方法也就顯而易見了。
 

       夾層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)由五要素中最薄弱的一個(gè)來決定。由此，設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)目標(biāo)也可以認(rèn)為是：分析夾層結(jié)構(gòu)各要素的強(qiáng)度性能差別，組合出最為合理的五要素。在滿足性能要求的前提下，如果五個(gè)要素能同時(shí)被破壞，這樣的結(jié)構(gòu)被視為最理想和最有效的結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，充分理解了“同時(shí)破壞”（等強(qiáng)度設(shè)計(jì)）這一概念，并且綜合平衡強(qiáng)度、剛度、重量及成本之間的關(guān)系，這就是設(shè)計(jì)理想產(chǎn)品的最終原則。
 

       對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的芯材供應(yīng)商，他們能夠在提供高質(zhì)量芯材的同時(shí)，還能為用戶提供有限元分析和計(jì)算機(jī)輔助鋪層設(shè)計(jì)以及驗(yàn)證試驗(yàn)等多項(xiàng)服務(wù)，并有豐富的理論數(shù)據(jù)和工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，這種經(jīng)驗(yàn)不只是在芯材選擇方面，也包含了夾層結(jié)構(gòu)的其它要素。
 

芯材的正確選用
 

      芯材的選擇首先取決于產(chǎn)品設(shè)計(jì)者對(duì)產(chǎn)品重量、力學(xué)性能、工藝條件以及成本的要求，綜合平衡夾層結(jié)構(gòu)的五要素（上面板、上面板與芯材的粘接層、芯材、下面板與芯材的粘接層、下面板），據(jù)此來進(jìn)行設(shè)計(jì)，以獲得最終的鋪層方案。目前，鋪層設(shè)計(jì)可由有經(jīng)驗(yàn)的芯材供應(yīng)商通過計(jì)算機(jī)分析提供出最終設(shè)計(jì)結(jié)果，直接被產(chǎn)品設(shè)計(jì)者選用。
 

       選擇芯材時(shí)，應(yīng)考慮到它只是整個(gè)鋪層設(shè)計(jì)的一部分，選擇時(shí)不應(yīng)只片面地考慮個(gè)別的性能，而應(yīng)考慮到整體結(jié)構(gòu)的要求及應(yīng)用，怎樣使整個(gè)結(jié)構(gòu)的各要素工作得象一個(gè)整體，這是設(shè)計(jì)師的最終設(shè)計(jì)目標(biāo)?？梢灶A(yù)計(jì)，芯材的正確選用必將成為未來復(fù)合材料設(shè)計(jì)的核心。
 

成功應(yīng)用實(shí)例
 

       高速摩托艇
 

       CIGARETTE賽艇隊(duì)的11.5米F2級(jí)新型高速摩托艇，奪得了1998年Key West杯近海摩托艇賽的F2級(jí)別冠軍。

該艇設(shè)計(jì)師的主要目標(biāo)是：在不增加制造成本的前提下減輕艇體重量，提高航速，同時(shí)保證CIGARETTE在安全性及高質(zhì)量制作方面的聲譽(yù)。為了達(dá)到這一設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)師在該艇的底部選用了標(biāo)準(zhǔn)BALSA輕木芯材（美國博太芯材技術(shù)公司提供），以獲得最大的剪切和壓縮強(qiáng)度。而艇的干舷部和甲板則采用控制密度方式生產(chǎn)的重量較輕的BALSA輕木。此外，艙壁、內(nèi)部地板和座椅采用BALSA為芯材的夾層板和以泡沫為芯材的預(yù)制帽型橫梁，取代了原設(shè)計(jì)中重量大得多的膠合板結(jié)構(gòu)。
 

    最終的效果十分驚人：減重22%，節(jié)省2500美元的材料及人工費(fèi)，艇速提高了24公里/小時(shí)（航速超過136公里/小時(shí)），不容懷疑地贏得了冠軍。
 

高速渡船
 

       HYDRA 技術(shù)公司生產(chǎn)的13米雙體渡船的最低航速要求為35節(jié)，該船在巴拿馬的內(nèi)河中營運(yùn)，河上有很多碎片（如飄浮的木料等）。由此可見，損傷容限是此船最主要的技術(shù)指標(biāo)。為了達(dá)到設(shè)計(jì)速度，船體重量也受到了嚴(yán)格的限制。因此，選用密度為140kg/m3的線型PVC泡沫作為船底的芯材，而船側(cè)和舷臺(tái)的芯材則采用密度為80kg/m3的線型PVC泡沫。制造商選用環(huán)氧樹脂來降低重量并提高損傷容限（增加抗沖擊強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度）。采用玻璃纖維增強(qiáng)的船殼板并用真空袋壓制工藝，以獲得面板與芯材的良好粘接。
 

       對(duì)于甲板和艙室側(cè)壁板，制造商選用了78kg/m3密度控制方式生產(chǎn)的SuperLite BALSA端紋輕木作為芯材，這種芯材的表面帶有AL600/10的膠層，可有效地提高芯材與面板的粘接性能。
 

       制造商還選擇了交聯(lián)PVC（60kg/m3）芯材與環(huán)氧樹脂/玻纖（400g/m2）面板預(yù)制成1.2m×2.4m的標(biāo)準(zhǔn)夾層板，再通過切割、粘接等加工，組裝成船內(nèi)艙室。這種方法解決了因各艘船的艙室布置略有差別而要制造不同模具的問題，有效地節(jié)省了制造成本和生產(chǎn)時(shí)間。全船的鋪層布置圖是采用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)的，這就確保了滿足設(shè)計(jì)重量要求并使其符合巴拿馬的渡船標(biāo)準(zhǔn)以及ABS規(guī)范。
 

       CORVETTE賽車
 

       通用汽車公司的第五代雪佛萊（C-5 Chevrolet）汽車的地板選用了復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)考慮了生產(chǎn)速度，降低車內(nèi)噪聲，減小震動(dòng)以及剛度的要求。
 

      通用汽車公司比選了多種芯材，經(jīng)對(duì)其性能綜合平衡后，最終選定了博太芯材技術(shù)公司提供的密度控制BALSA端紋輕木，并由該公司為其提供了相應(yīng)的多項(xiàng)分析及其它零件的夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。
 

      在中國的應(yīng)用情況
 

      自1999年始，美國博太芯材技術(shù)公司在中國有了正式的代理機(jī)構(gòu)（科拉斯復(fù)合材料有限公司），并在國內(nèi)的一定范圍內(nèi)，對(duì)芯材及夾層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用進(jìn)行了多次各種形式的技術(shù)講座。目前，夾層結(jié)構(gòu)已在國內(nèi)生產(chǎn)的出口游艇，工作艇，高檔火車，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片上，得到了成功的應(yīng)用。例如廣東東莞市玻璃鋼船廠2000年建成的13米“滬浦巡1號(hào)”巡視艇中，由于整個(gè)上棚

采用了BALSA輕木，除達(dá)到了增加船艙凈空高度和良好的隔熱效果外，還使航速大為提高（設(shè)計(jì)航速為12節(jié)，實(shí)測(cè)航速為19節(jié)），目前該廠正在為上海家化集團(tuán)設(shè)計(jì)的20米交通工作艇，其上棚和艙壁也將采用BALSA輕木。也有很多國內(nèi)用戶用其制造模具，以提高模具的剛度，減輕模具的重量。