1  夾層結構的原理
    在航空、風力發電機葉片、體育運動器材、船舶制造、列車機車等領域，大量使用了夾層結構，減輕重量，如圖1所示。

    在夾層結構中，使用低密度夾心材料增加層合板的厚度，從而達到提高材料剛度的目的。這樣在重量增加很少的前提下，大幅度的提高結構的剛度。在彎曲荷載下，面層材料主要承擔拉應力和壓應力，芯材主要承擔剪切應力，如圖2所示。

    同時，對于很薄的薄壁夾層結構，還需要注意荷載的施加方式對夾層結構的影響和夾層結構對沖擊荷載的承受能力。

2   夾心材料

    選擇面板時，主要考慮的是材料的剛度和強度，但是對于芯材的選擇，先考慮的是重量。為了是面板在相互之間保持一定距離的同時，面板能保持穩定，夾心材料有時還必須承受一定的應力。芯材主要承受的剪應力，有時還存在壓應力。目前，主要的夾心材料有：蜂窩材料，泡沫材料和木材，如圖3所示。

    蜂窩材料

    蜂窩材料主要有鋁蜂窩、NOMEX蜂窩和普通紙蜂窩。

    鋁蜂窩是一種強度／重量比高的結構材料，同時價格也比較便宜。根據不同的設計和制作工藝，孔隙有不同的幾何形狀。通常是六角形。鋁蜂窩材料一般是未張拉的蜂窩塊的形式，在使用現場進行張拉。

    鋁蜂窩夾心材料在一定的重量條件下，可以做得很薄。然而，這種薄壁可能會導致蜂窩的表面，尤其是在蜂窩孔隙較大的情況下，發生局部的穩定破壞。除此以外，鋁蜂窩和碳纖維同時使用，由于這兩種材料都不是絕緣材料，會發生接觸腐蝕。對蜂窩材料作接觸腐蝕的內部檢查成本很高。通過敲擊可以初步檢查蜂窩材料的質量和損壞情況。鋁蜂窩材料還有一個缺陷就是沒有“力學記憶”。夾心層板受到沖擊以后，蜂窩的變形是不可恢復，然而，FRP面材具備一定的彈性，在沖擊荷載過后，恢復到原來的位置。這將
導致在局部區域，面材和芯材脫離，夾層結構的力學性能降低。

    NOMEX蜂窩夾心材料是由芳綸紙浸酚醛樹脂制成，在航天、航空結構、船舶制造中具有廣泛的應用領域。和鋁蜂窩相比，發生局部屈曲的幾率要小得多，因為蜂窩的壁相對的要厚一些。另外，因為NOMEX材料不導電，不存在接觸腐蝕的問題。但是和其它芳綸產品一樣，不能抵抗紫外線的侵蝕，使用時外部通常覆有面板，起到一定的防護作用。

    在有阻燃要求的一些場合，也有使用酚醛泡沫填充蜂窩孔隙，提高材料和面材之間的粘結性能和結構隔熱性能。例如，在公共交通工具內使用時。

    在航空領域，一些常見的使用NOMEX蜂窩的結構有：機翼的前緣和尾翼，起落架艙門、其它各種艙門和整流罩。盡管蜂窩夾層結構在結構性能上有突出的優點，但是航空公司還是在尋找其它更好的材料來代替，原因是蜂窩夾心材料在各種用途的使用過程中需要昂貴的維護費用。因為在一些特殊情況下，蜂窩會進水。例如，面板出現裂縫以后。在低溫下，蜂窩孔隙中的水凍結，發生膨脹，會破壞相鄰的蜂窩孔隙。

    普通紙蜂窩由于強度很低，吸水，不在復合材料夾層結構中使用。

    泡沫材料

    聚合物泡沫是一種常用的芯材。主要有，聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PU）、聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸亞胺（PMI）、聚醚酷亞膠（PEL）和丙烯腈一苯乙烯（SAN或AS），密度從30kg／m³到300kg／m³不等。通常在復合材料中，使用的泡沫密度在 40kg／m³－ 200kg／m³之間。

    聚氯乙烯PVC泡沫是一種閉孔泡沫。嚴格的講，它實際上是PVC和聚氨酯混合物，但常常都簡單的說成PVC泡沫。PVC泡沫具有綜合的靜力和動力性能，不易受潮。使用溫度在-240℃－＋80℃，并且能夠耐多
種化學物質腐蝕。盡管PVC泡沫是可燃材料，但是阻燃類型的PVC泡沫可以在具有防火嚴格要求的結構中，例如列車。PVC泡沫耐苯，所以能夠和聚酯樹脂共同使用。PVC泡沫主要用在一些不需要壓力罐的工藝中。在選擇固化工藝方法時，需要注意PVC泡沫在溫度升高時會釋放孔隙氣體。

    有兩種主要的PVC泡沫，一種是交聯，另外一種是非交聯（有時也叫做線性PVC泡沫）。

    線性PVC，即非交聯PVC泡沫（例如AirexR63．80），兼具良好韌性和柔性，可以按照曲面形狀熱成形。但是，線性PVC的力學性能、化學穩定性（耐苯）和熱變形性能和交聯的PVC泡沫相比，在相同的密度條件下，相對要低一些。

    交聯PVC的硬度和脆性較高。在高溫下，不容易變軟或發生蠕變。常見的交聯PVC產品有 Herex C系列泡沫、DivinycellH和HT泡沫以及 POlimex Klegecell和 Termanto的PVC泡沫。

    聚苯乙烯PS泡沫廣泛用在船舶、沖浪板制造行業。雖然其擁有重量輕（40kg／m³），成本低，易于機械加工等主要優點，但是因為力學性能差，很少在高性能結構構件中使用。另外，這種泡沫不能和聚酯樹脂同時使用，因為樹脂中含有的苯會溶化泡沫。

    聚氨酯PU泡沫的力學性能表現一般，樹脂芯材的界面發生老化，導致面板剝離。作為結構材料使用時，常常是用作構件的加強筋或加勁肋。但是聚氨酯泡沫也能用作荷載較小情況下的夾層層板中，起到隔熱作用。該類泡沫的使用溫度是150℃左右，同時吸聲性能好。泡沫的機械加工成形簡單。

    聚醚酸亞膠PEI泡沫，由粟醚酸亞胺／聚醚砜發泡而成，具有很高的使用溫度和良好的防火性能，盡管價位相對較高，但是這種泡沫可以在有結構要求，高溫情況下，具有防火要求的部位使用。其使用溫度在- 194℃到十180℃之間。由于能滿足嚴格的防火阻燃要求，適合在飛機和列車內使用。

    聚甲基丙烯酸亞胺PMI泡沫是德國德固賽公司生產，商標是ROHACELL^®。在所有的泡沫中，相同密度的條件下對比，是強度和剛度高的泡沫。其高溫下耐蠕變性能使得該泡沫能夠適用高溫固化的樹脂和預浸料。PMI泡沫在適當的高溫處理以后，能承受190℃的固化工藝對泡沫的尺寸穩定性的要求，在航空領域中得到了廣泛的應用。PMI泡沫是采用固體發泡工藝制作，泡沫的孔隙基本一致、均勻的100％閉孔泡沫。

    PMI泡沫適用于多個領域，包括電子，運載火箭，航空，鐵路機車，船舶以及天線，雷達天線罩，體育器材等。目前在國外的主要應用有：美國的Delta運載火箭的整流罩，日本三菱的Hll－A運載火箭的整流罩，日本新干線的火車頭，通用、西門子等公司的醫療床板，Vestas的風力發電機葉片，還有導彈、直升機和飛機項目，如圖4所示。

    丙烯腈一苯乙烯SAN泡沫，性能和韌性與增強后的交聯PVC泡沫相似，具有交聯PVC的大部分靜力特性，但是延伸率和韌性相比更高。和普通以及韌性增強后的交聯PVC相比，抗沖擊性能因此也更好。和韌性增強的PVC不同，PVC是使用塑性劑來提高聚合物的韌性，而SAN泡沫是聚合物本身具有的韌性特點，不會發生老化。

    在大多數應用場合，可以用SAN泡沫代替線性PVC泡沫，因為SAN泡沫具有部分線性PVC的韌性和延伸率的同時，還有更好的耐高溫性能和靜力性能。SAN泡沫能夠熱成形，可以方便的構筑結構的曲面。熱穩定型
的SAN泡沫也能和低溫固化預浸料共同使用，常見的SAN泡沫產品有ATC Core．Cell公司的A一系列泡沫。

    根據樹脂或預浸料的固化溫度要求，圖5中列出了常見的樹脂和預浸料適用的泡沫類型。圖6列出了幾種聚合物泡沫剪切模量的對比。在密度一定的條件下，ROHACELL^®WF的剪切模量高，交聯PVC的剪切模量要高干線性 PVC。

    木材

     木材可以看成是一種天然的蜂窩材料，因為它的微觀結構和六邊型的人造蜂窩的孔隙相似。在夾層結構中使用時，要求木材的纖維方向和面板相垂直，這樣，構件的力學性能和使用人造的蜂窩相似。但是，盡管可以進行各種各樣的化學處理，所有的木質芯材還是會受到濕氣的影響，如果沒有被面材或樹脂密封的話，木質芯材會發生腐爛。

    端面巴薩木是常用的木材芯材。巴薩木先是在19世紀40年代，在飛艇的船體中使用鋁面板和巴薩木芯材，抵抗在水面著陸時受到的重復的沖擊荷載。隨后，開始在海洋結構中使用端面巴薩木作為FRP結構的芯材。巴薩木除了具有高的壓縮性能，還有很好的隔熱性能和隔音性能。在加熱以后，材料不會發生變形，在遇火時，用作隔熱層和燒蝕層，芯層慢慢燒焦，使未遇火的面材保持結構性能。同時，巴薩木還能提供向上的浮力，其加工工具和設備簡單。巴薩木芯材產品一般有織物背村，3―50mm厚，具有一定輪廓。剛性端面巴薩木板材的厚度可以達到100mm。針對真空袋、預浸料工藝或壓力基礎上的制造工藝藝過程，例如 RTMI藝，這種板材可以預先采用樹脂涂覆。巴薩木的一個缺點是小密度偏大，通常小密度值大約是100kg／m³。但在層會的過程中，巴薩木還要吸收大量的樹脂。為了減少樹脂的吸收增加重量，可以預先用泡沫密封。巴薩木的應用通常限制在那些重量不是要求很高或局部承載力要求很高的地方。

    另外一種常用作夾層結構芯材的木材是松木。船舶結構中，常常以松木條板，加上復合材料面板。松木的木材纖維方向和層板的面板平行。松木纖維沿船的長度方向，提供縱向的剛度，在FRP面材中纖維以±45℃向鋪放，提供扭轉剛度，保護木材芯層。

    其它芯材材料

    雖然通常這些材料不是真正意義上的夾層結構芯材，但是也常用一些低密度、薄層織物降低單層層板的密度。例如， Coremat^TM和Spheretex^TM等含有大量孔隙的無紡布氈。厚度通常只有1一3mm厚，象層板中的一個層，在鋪設過程中，鋪層樹脂會浸潤無紡布氈。這樣樹脂代替孔隙以后，中間織物的重量和
泡沫或蜂窩相比，要重得多，但是和相同厚度的玻璃纖維層合板相比，要輕一些。由于很薄，它很容易做成二維曲面，操作方便簡單。

3 PMI泡沫材料的幾個值得注意的問題

3．I ROHACELL^®的吸濕性能

    ROHACELL^®泡沫和其它泡沫塑料相類似，也會吸潮。就ROHACELL^®來講，因為PMI化學方程式中存在有對位的酸亞氨基因。ROHACELL^®是一種100％的閉孔泡沫，吸濕的機理是一種純粹的擴散過程。所以，在一定的環境條件下（包括溫度和溫度），ROHACELL^®吸收的濕氣達到一定的程度就會發生炮和。

    樣件大?。?0x50x25mm

    ROHACELL^®泡沫吸潮以后，H₂O分子擴散進入孔隙結構在分子鏈中占據一定的空間?？醽啺被蚝退肿又g不發生化學反應，但是一部分的水分子會和酸亞氨基因之間形成物理鍵一范德華力。吸潮以后，分子鏈加寬，體積增加，尺寸發生變化。水分子加寬了PMI泡沫分子鏈，其作用和在共聚物中加入增塑劑的作用是一樣的，終，材料變軟。對ROHACELL^®加工過程的影響，尺寸穩定性降低。其次，在100℃以上溫度，加工未干燥的ROHACELL^®時，按照實際濕度的高低，可能會產生水蒸氣。（吸潮過程是可逆過程，和水分子沒有發生化學反應）。如果水蒸氣的壓力值很高，夾層結構的面板和芯材之間的粘結會發生破壞，造成局部面材和芯材之間的分離，如果局部水蒸氣不能擴散出去，甚至形成局部的氣泡。吸潮會產生負面的影響，降低了壓縮蠕變性能，這樣在一定的溫度和壓力荷載下，例如在熱壓罐，RTM或模壓的過程中，會影響材料的尺寸穩定性。

    這樣，ROHACELL^®需要在使用前，根據其中含有的水分，需要在高溫（大于120℃）下干燥，消除加工中出現水蒸汽，消除水分子的塑化作用，提高對抗壓縮蠕變性能。通常，以2―3℃／分鐘的速度加熱，在空氣循環供箱中130t干燥大約 3小時。泡沫擱置時，保證板材表面的空氣能夠循環。在板材的厚度大于25，4mm的時候，需要延長干燥時間。

    對于工藝要求達到180℃ （ROHACELL^®WF）或190℃（ROHACELL^®XT）的情況下，材料必須作以下處理，提高其耐壓縮蠕變性能：

    步驟一：在 130℃的空氣循環烘箱中干燥至少兩小時。

    步驟二：根據ROHACELL^®型號不同和密度不同，在160℃和180℃之間，干燥48小時。第二步的目的是進一步提高材料的耐蠕變性能，斷開水分子物理鏈接，使材料干燥。

    關于高溫熱處理（HT）的詳細資料是：

    因為 190℃的高溫熱處理會使損害材料表面，所以芯材的成形應該在高溫熱處理以后進行。

    如果ROHACELL^®。在沒有防潮的條件下已經儲存了一個較長的時間，材料一定已經吸收了一定比率的水分。在使用之前，必須先干燥。確定是否要預先干燥，去除水分的方法是：

    ?準備一個少 200 x 200mm板材全厚度的試件

    ?在干燥前秤取樣件的重量

    ?在120℃的條件下干燥，直到樣件的重量基本保持不變（每小時，重量減少<0．3％），記錄下干燥時間。

    這個記錄下的時間就是以后板材使用前的預干燥的時間。吸收的水分=l－（W_干燥以后／W_干燥前）X 100%。根據吸收的水分的比率和相應比率下ROHACELL^®的耐壓縮編變性能確定使用前是否需要預先干燥。

    3．2 PMI泡沫夾層結構層板的吸水性

    夾層結構的吸水性是一個非常值得關注的方面，例如在船舶制造和其它方面。如果面材破壞，芯村直接和水接觸，對夾層結構的芯村會產生什么后果？這是大量用戶關心的問題。

    對此進行了一系列的試驗來回答這個問題。夾層結構四十個月的潮濕滲透試驗過程如下。

    試驗用的夾層結構手糊樣講，使用的芯材是高密度的ROHACELL^®（170kg／m³），尺寸為400x400x28mm，全部用GRP面材包裹。面材使用室溫固化的不飽和聚酯樹脂，玻璃纖維增強材料依次為：氈450g／m²，粗紗500g／m²，氈450g／m²，粗紗500g／m²，氈450g／m²。后面板的厚度是5mm。在上表
面的中間，截去一個直徑為70mm的面材，模擬面板的破壞。使用一個注水的管件，放在樣件被破壞的部位上部，固定，密封，使芯村直接和水接觸。管中水柱的高度保持在是300mm。

    在四十個月以后，移走注水的管件，去除面材，將芯材切成50x50x 28mm的樣件。干燥樣件直到重量保持恒定，得出含水量。圖表表明從中心區域向夾層構件的外圍，泡沫含水量很快降低。在距離破壞區大約150mm以外，含水量幾乎為零。試驗表明GRP面層之間PMI泡沫的吸水對結構的影響可以忽略。

    即使面材發生破壞，泡沫芯直接長期（大于兩年）暴露在水中，泡沫芯材的含水量仍然很低。這是因為PMI泡沫是100％的閉孔泡沫，而水分的吸收過程是一個純粹的滲透過程，對低密度的芯材（ROHACELL^® 51WF and  51s）的試驗仍然得到相似的結論。

4  結論
    在相同密度的條件下，PMI泡沫是目前強度和剛度高的泡沫材料，同時也是耐壓縮蠕變性能好的泡沫。在使用過程中，由于PMI泡沫吸水后，會降低壓縮蠕變性能，必要時需要在烘箱中預先干燥。

    泡沫的成形工藝和其它泡沫塑料相類似，相對比較簡單。在航空結構中，如果就整個復合材料的使用周期進行計算，PMI泡沫的成本要低于蜂窩，雖然蜂窩要比PMI泡沫輕，比強度和剪切模量高。同時，PMI泡沫具有很好的耐候性和介電性能，在相控陣雷達、天線等方面也有廣泛的應用。