前言

我國(guó)復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展起始于20世紀(jì)50年代，經(jīng)過(guò)50余年的發(fā)展，由于“輕質(zhì)高強(qiáng)”的優(yōu)異性能，其應(yīng)用領(lǐng)域已由最初的航空航天和國(guó)防業(yè)滲透到了當(dāng)今國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如化工管罐，運(yùn)動(dòng)器材，汽車(chē)部件，建筑，船艇，軌道交通，風(fēng)力發(fā)電葉片等等。隨著復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，產(chǎn)品的尺寸不斷變大，夾層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

1 復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)基本原理

       復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)由強(qiáng)度很高的面層和強(qiáng)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(dān)主要的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，芯材主要承擔(dān)剪切應(yīng)力。芯材的力學(xué)作用機(jī)理是連接面層使之成為整體構(gòu)件，讓薄而強(qiáng)的面層在承擔(dān)較高拉壓應(yīng)力的同時(shí)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(yīng)為例，來(lái)說(shuō)明夾層結(jié)構(gòu)的基本原理。

1.1 面層和芯材的拉、壓應(yīng)力分布

       在彎曲載荷作用下，假設(shè)面層和芯材的界面沒(méi)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(yīng)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(yīng)力分布會(huì)發(fā)生突變，面層的拉、壓應(yīng)力遠(yuǎn)大于芯材的拉、壓應(yīng)力，如圖2所示。

根據(jù)材料力學(xué)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(yīng)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(yīng)力分布

    根據(jù)材料力學(xué)梁的彎曲理論，夾層結(jié)構(gòu)中的剪應(yīng)力分布如圖3所示。

    在工程實(shí)踐中，為便于計(jì)算，可以對(duì)其進(jìn)行線性簡(jiǎn)化，如圖4所示。那么剪應(yīng)力可按下式進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)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(dān)了大部分的拉、壓力，芯材承擔(dān)了大部分的剪力。而面層的強(qiáng)度和剛度都遠(yuǎn)大于夾芯材料，對(duì)于夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，如何能夠使這兩種力學(xué)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(diǎn)，即滿(mǎn)足使用要求，又不浪費(fèi)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(lái)傳遞直接施加在面層上的力，在復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)RP面層的模量和強(qiáng)度都很高，只有高剪切強(qiáng)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(dāng)種類(lèi)和密度的芯材，合理設(shè)計(jì)面層和芯材的厚度，按照前面介紹的應(yīng)力計(jì)算方法，或用相關(guān)的有限元分析軟件，進(jìn)行反復(fù)的計(jì)算驗(yàn)證，最終達(dá)到較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

      若選用剪切強(qiáng)度低，或是剪切斷裂延伸率小的芯材，則芯材破壞時(shí)，面層可能只發(fā)揮了1%不到的強(qiáng)度，則會(huì)造成材料的浪費(fèi)。

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(qiáng)度和韌性，保證粘接層不先于芯材而破壞，才能把剪切應(yīng)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(xué)反應(yīng)，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(xué)性能

       前面提到，只有剪切性能高的芯材才適用于復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)。市場(chǎng)最常用的是硬質(zhì)泡沫塑料和balsa輕木?？傮w來(lái)說(shuō)，輕木力學(xué)性能高，但離散性大，由于來(lái)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(xué)性能一般低于輕木，但性能十分穩(wěn)定，且可以隨市場(chǎng)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(lèi)蜂窩，玻璃鋼梯形板等。

2.1 泡沫芯材

       目前，市場(chǎng)上常用的泡沫芯材主要有PVC、PET、PEI、PMI、SAN等，目前在復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最多的是PVC泡沫芯材。Airex公司的C70系列PVC泡沫為市場(chǎng)主流PVC產(chǎn)品，密度范圍從40~200 kg／m3，以此為例來(lái)說(shuō)明其基本力學(xué)性能。

       本文對(duì)Airex公司C70系列PVC泡沫的壓縮強(qiáng)度、壓縮模量，剪切強(qiáng)度、剪切模量，拉伸強(qiáng)度和拉伸模量等力學(xué)性能與密度的關(guān)系進(jìn)行了分析。表1為此PVC泡沫系列產(chǎn)品的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。

       把表1中的數(shù)據(jù)制成散點(diǎn)圖，即圖5，從中可以直觀的看出各力學(xué)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(guò)了0.99，證實(shí)了這類(lèi)泡沫芯材的力學(xué)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(qiáng)度的線性模擬方程及其R2值。

2.2 balsa輕木

Balsa輕木也是應(yīng)用最廣泛的夾芯材料之一，它的綜合力學(xué)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(qiáng)度和壓縮模量都很高。表2為市場(chǎng)常見(jiàn)的Baltek公司SB系列輕木芯材的力學(xué)性能。

    對(duì)SB系列輕木的力學(xué)性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn)，其力學(xué)性能與密度也基本成正比。

    同時(shí)發(fā)現(xiàn)，其剪切強(qiáng)度明顯低于木纖維方向的壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，而剪切模量達(dá)不到木纖維壓縮和拉伸模量的10%，這一點(diǎn)與C70不同。導(dǎo)致這一差異的原因在于兩種芯材的細(xì)觀結(jié)構(gòu)不同，PVC泡沫是各向同性的，而balsa木有著強(qiáng)烈的各向異性。

3 夾層結(jié)構(gòu)及其芯材相關(guān)測(cè)試方法

3.1 芯材基本性能測(cè)試

    對(duì)于芯材，最主要的性能指標(biāo)是壓縮和剪切性能，表3列出了常用的如ISO、ASTM、GB等測(cè)試方法。

除此之外，還有DIN，BS，JIS，各廠家和研究機(jī)構(gòu)自己制定的標(biāo)準(zhǔn)等，對(duì)于特定芯材的特定性能，各測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)基本原理是一致的，但在試樣尺寸和試驗(yàn)操作上不完全相同。關(guān)于各測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)水平和測(cè)試結(jié)果的精度，各國(guó)都有專(zhuān)門(mén)的標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)來(lái)研究，如美國(guó)的ASTM，中國(guó)的GB等。在工程應(yīng)用上，如用戶(hù)進(jìn)行芯材的對(duì)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(cè)試方法既可。

3.2 夾層結(jié)構(gòu)性能測(cè)試

由于制作工藝、設(shè)計(jì)水平和生產(chǎn)管理等影響，由高性能芯材制成的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的綜合性能不一定如設(shè)計(jì)所愿。所以，對(duì)夾層結(jié)構(gòu)，還要通過(guò)專(zhuān)門(mén)的試驗(yàn)測(cè)試來(lái)檢驗(yàn)其實(shí)際效果。

       夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能測(cè)試有靜力學(xué)測(cè)試和動(dòng)力學(xué)測(cè)試。中國(guó)夾層結(jié)構(gòu)靜態(tài)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1452- GB/T 1457，見(jiàn)表4。其中最能充分反映夾層結(jié)構(gòu)綜合力學(xué)特性的是夾層結(jié)構(gòu)彎曲試驗(yàn)方法，它直接模擬了構(gòu)件的主要受力情況，可以考驗(yàn)面層強(qiáng)度，粘接面強(qiáng)度，芯材強(qiáng)度和制作工藝水平。從彎曲試驗(yàn)的破壞狀況可以判斷制品的薄弱環(huán)節(jié)，從而做針對(duì)性的改進(jìn)。

對(duì)特定的復(fù)合材料產(chǎn)品，如航空航天產(chǎn)品，軌道交通車(chē)輛等，還會(huì)要求進(jìn)行疲勞測(cè)試和沖擊測(cè)試。這些測(cè)試的設(shè)備工裝復(fù)雜，要由具有較高技術(shù)水平和一定相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的人員來(lái)操作，更重要的是要能夠?qū)y(cè)試結(jié)果進(jìn)行正確的分析。因此，常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室往往不做此類(lèi)試驗(yàn)，要在針對(duì)性很強(qiáng)的專(zhuān)門(mén)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

4 小結(jié)

 復(fù)合材料在近幾十年得以迅猛發(fā)展，在于其“輕質(zhì)高強(qiáng)”的特性，而夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念則向人們展示了復(fù)合材料“更輕更強(qiáng)”的神奇魅力。其中，夾芯材料是設(shè)計(jì)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(yàn)方法進(jìn)行檢驗(yàn)，才能制作出優(yōu)秀的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)制品。