格构增强型复合材料夹层结构的制备与受力性能
复合材料夹层结构芯材
复合材料夹层结构芯材复合材料夹层结构中的芯材是一种具有特殊功能和特性的材料，通常用于加强复合材料的刚度和强度，同时减轻结构的重量。
夹层结构常用于航空航天、汽车、建筑和体育等领域，以提高结构的性能和耐久性。
夹层结构芯材的选择对于复合材料结构的性能和应用至关重要。
夹层结构芯材的主要功能是提供强度和刚度，使结构能承受外部荷载。
同时，芯材还可以在振动吸收、降低噪音、隔热和隔音等方面发挥作用。
夹层结构芯材的选择应考虑以下几个方面：强度和刚度要求、重量要求、耐久性和环境适应性、经济性等。
根据上述要求，夹层结构芯材可以分为几类，其中常见的材料包括：蜂窝结构芯材、泡沫结构芯材、纤维介质芯材和高分子材料芯材。
蜂窝结构芯材是一种由无数的六角形或方形单元组成的网状结构，其特点是轻、强、刚，适用于高要求的结构。
蜂窝结构芯材的优点是其内部空气占据了大部分体积，从而实现了轻量化；而缺点是由于其结构特点，较难实现曲面结构。
泡沫结构芯材是一种由高分子材料制成的多孔体，轻巧、坚固，成为应用较广泛的夹层结构芯材之一、泡沫结构芯材的优点是重量轻，但其强度和刚度相对较低，可通过增加材料厚度增加强度，但会增加重量。
纤维介质芯材是一种由纤维织物制成的复合材料，它具有高强度、高刚度和低密度的优点，常用于要求较高的结构中。
纤维介质芯材的优点是其具有较高的刚度和强度，缺点是成本相对较高。
高分子材料芯材是一种由高分子材料制成的聚合物，常用于需要较高耐温性能的夹层结构。
高分子材料芯材的优点是其能够抵抗高温和化学侵蚀，缺点是其成本较高。
总之，夹层结构芯材的选择应根据具体的应用需求和要求进行，并综合考虑芯材的强度、刚度、重量、成本等因素。
随着科技的进步和材料的不断发展，夹层结构芯材的性能和应用将不断提升，并在更多领域中得到应用。
复合材料成型工艺 夹层结构制造技术
复合材料成型工艺夹层结构制造技术夹层结构一般是由三层材料制成的复合材料。
夹层复合材料的上下面层是高强度、高模量材料，中间层是较厚的轻质材料，玻璃钢夹层结构实际上是复合材料与其它轻质材料的再复合。
采用夹层结构方式是为了提高材料的有效利用率和减轻结构重量，以梁板构件为例，在使用过程中，一要满足强度要求，二要满足刚度的需要，玻璃钢材料的特点是强度高，模量低。
因此，用单一的玻璃钢材料制造梁板，满足强度要求时，挠度往往很大，如果按允许挠度进行设计，则强度大大超过，造成浪费。
只有采用夹层结构形式进行设计，才能合理的解决这一矛盾。
这也是夹层结构得以发展的主要原因。
由于玻璃钢夹层结构的强度高，重量轻，刚度大，耐腐蚀，电绝缘及透微波等，目前已广泛用于航空工业和宇航工业的飞机、导弹、飞船及样板、屋面板，能大幅度的减轻建筑物的重量和改善使用功能。
透明玻璃钢夹层结构板，已广泛用于寒冷地区的工业厂房、大型公用建筑及温室的采光屋顶。
在造船和交通领域，玻璃钢夹层结构广泛用于玻璃钢潜艇、扫雷艇、游艇中的许多构件。
我国设计制造的玻璃钢过街人行桥、公路桥、汽车和火车保温泠藏车等，均采用了玻璃钢夹层结构，满足了重量轻、强度高、刚度大、隔热、保温等多性能要求。
在要求透微波的雷过罩中，玻璃钢夹层结构已成为其它材料不能与之相比的专用材料。
1、玻璃钢夹层结构的种类与特点根据夹层结构所用的芯材种类和形式不同，玻璃钢夹层结构分为：泡沫夹层结构，蜂窝夹层结构，梯形板夹层结构，矩形夹层结构和圆形夹层结构。
（1）泡沫塑料夹层结构泡沫塑料夹层结构是采用玻璃钢薄板作蒙皮（面板），泡沫塑料做夹芯层，泡沫塑料夹层结构的最大特点是蒙皮和泡沫塑料夹芯层粘接牢固、受力不大和保温隔热性能要求高的部件，如飞机尾翼、保温通风管道及样板等。
（2）蜂窝夹层结构蜂窝夹层结构是采用玻璃钢薄板作蒙皮，蜂窝材料（玻璃布蜂窝、纸蜂窝或其它棉布及铝蜂窝等）做夹芯层。
蜂窝夹层结构的重量轻，强度高，刚度大，多用作结构尺寸大、强度要求高的结构件，如玻璃钢桥的承重板、球形屋顶结构、雷达罩、反射面、冷藏车地板及箱体结构等。
复合材料夹层结构分析
复合材料夹层结构分析复合材料夹层结构是指由两个或多个不同材料组成的结构，每个材料在夹层结构中的分布和相互作用对整个结构的性能起着重要的影响。
本文将从夹层结构的组成、分析方法和应用领域三个方面进行介绍，并重点探讨夹层结构的应力分析、强度计算和疲劳寿命预测等方面的问题。
夹层结构的组成可以有很多种形式，例如纤维增强复合材料夹层结构、金属-复合材料夹层结构、复合材料-塑料夹层结构等。
其中，纤维增强复合材料夹层结构是最常见的一种形式。
在纤维增强复合材料夹层结构中，一般由多层纤维增强复合材料板材和粘接剂层组成。
其中，板材是由纤维和基体材料复合而成的，粘接剂层用于将不同板材连接在一起。
夹层结构的分析方法可以通过有限元分析、理论分析和试验分析等途径进行。
其中，有限元分析是最常用的分析方法之一、有限元分析可以通过将夹层结构离散化成有限个小单元，然后利用数值方法求解得到夹层结构的应力、应变和变形等信息。
在进行有限元分析时，需要考虑夹层结构的几何形状、材料特性和加载方式等因素，并选择合适的有限元模型和边界条件。
夹层结构的应力分析是夹层结构分析的关键一步。
应力分析可以通过解析方法、数值方法和试验方法进行。
在解析方法中，常用的有层合板理论、三维理论和剥离理论等。
层合板理论是最常见和简化的一种方法，它假设夹层结构是一个薄板，在板厚方向上应力变化不大。
三维理论则考虑了夹层结构的厚度效应，可以更准确地描述夹层结构的应力分布。
而剥离理论则主要用于描述夹层结构在受剪力作用下的剥离破坏。
夹层结构的强度计算是夹层结构分析中的另一个重要内容。
强度计算可以通过解析方法和试验方法进行。
在解析方法中，常用的有杠杆平衡法、层合板理论和损伤力学等。
杠杆平衡法可以用于计算夹层结构的最大弯曲应力和最大剪应力等。
层合板理论可以用于计算夹层结构的最大应力和最大应变等。
而损伤力学则可以用于描述夹层结构的疲劳寿命和损伤演化过程等。
夹层结构的疲劳寿命预测是夹层结构分析的重要内容之一、疲劳寿命预测可以通过数值模拟和试验验证相结合的方法进行。
夹层结构复合材料设计原理及其应用
夹层结构复合材料设计原理及其应用夹层结构复合材料是一种由两层面材料夹着一层中间材料构成的结构。
这种复合材料由于具有优异的性能，如高强度、高刚度、低密度、抗疲劳、耐腐蚀、耐高温等特点，被广泛应用于航空、航天、汽车、建筑和体育器材等诸多领域。
1.材料的选择夹层结构复合材料的强度和刚度取决于所采用的面材料和中间层材料的性能。
一般来说，面材料应具有良好的拉伸强度和弹性模量，而中间层材料则应具有较高的剪切强度和剪切模量。
为了满足工程应用的需求，还需要考虑材料的密度、成本、加工性能和耐久性等因素。
2.层间界面的设计夹层结构复合材料中，面材料与中间层材料之间的层间界面是复合材料性能的关键因素之一。
层间界面的强度和粘结性决定了材料的整体强度和耐久性。
为了保证夹层结构复合材料的性能，需要选择适当的胶粘剂或界面剂，并对界面进行加强处理，如表面处理、微观结构设计等方法。
3.结构的设计夹层结构复合材料的结构设计需要考虑受力情况、应力分布、连接方式等因素。
合理的结构设计可以提高复合材料的整体强度和刚度，减小材料的重量和成本。
在具体的工程应用中，还需要考虑材料的制造工艺和加工方便性等因素。
夹层结构复合材料的应用也十分广泛，例如：1.航空航天领域在航空航天领域，夹层结构复合材料可以用于制造飞机机翼、机身、桁架等部件，以及卫星、火箭等航天器。
这些部件通常需要具有高强度、高刚度、低密度、抗疲劳、耐腐蚀、耐高温等特点，而夹层结构复合材料正好可以满足这些要求。
2.汽车领域在汽车领域，夹层结构复合材料可以用于制造车身、车门、引擎罩等部件。
这些部件可以大大降低汽车的重量，提高燃油效率和性能，并且具有较好的吸音和隔热效果。
3.建筑领域4.体育器材领域在体育器材领域，夹层结构复合材料可以用于制造滑雪板、高尔夫球杆、网球拍等器材。
这些器材具有高强度、高刚度、低重量、优异的灵敏性和稳定性，可以提高运动员的表现水平。
复合材料夹层结构
点阵夹芯结构
应用领域
点阵夹芯结构应用于卫星结构，其 大的空隙为热控元件提供了安置空 间，无需在结构中挖掘空洞，保持 了结构完整性
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点阵夹层结构
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点阵夹层结构
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点阵夹层结构
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传统夹层结构
芯材的制备 芯材与蒙皮的胶接 蒙皮的成型 芯材的承压能力与压力传递
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传统夹层结构
夹层结构的优点很多，如比强度高、比刚度高、结 构稳定性好、承载能力高、耐疲劳、抗振动、隔音、隔热 等。
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新型轻质夹层结构复合材料
Z向缝合夹层结构
Z-pin夹层结构
新型轻质夹层 结构复合材料
连体织物夹层结构
点阵夹芯结构
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Z向缝合夹层结构
上面板
泡沫 芯材
下面板
承力柱
突出平压强度 优异耐久性 良好隔热隔声性
1.胶液压力。涂胶辊对玻璃布的接触压力越大，胶液 浸透到玻璃布背面的可能性也就越大，容易造成严 重的透胶现象，致使固化后的蜂窝芯子条拉不开。
2.胶液粘度。胶液粘度越大越不易透胶，但粘度过 大会造成涂胶困难，或使胶层过厚在加压固化过程 中出现透胶。胶液粘度小则容易在涂胶过程中发生 透胶。因此在保证涂胶顺利的情况下，胶液粘度越 大越好。
3.皱褶和偏斜。涂胶过程中往往会出现玻璃布打折 和偏移，影响蜂窝质量。原因是传动不平稳，涂胶 导向及胶布放布辊之间不平行等。
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② 压制固化
涂胶完毕后从叶轮转筒上取下的蜂窝叠块，按所 用胶的固化规范固化。压力大小以胶液不渗透到玻璃 布背面，保证蜂窝胶接边胶合良好为原则。
蜂窝叠块的厚度即布的层数，由产品的尺寸要求 来决定。可由以下公式算出：
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复合材料夹层结构件的设计
复合材料夹层结构件的设计发布时间：2021-06-09T07:49:40.265Z 来源：《福光技术》2021年4期作者：张淼[导读] 铝面板 - 纸蜂窝夹层结构、碳纤维面板 - 纸蜂窝夹层结构、玻璃钢面板- 玻璃纸蜂窝夹层结构等。
中航工业直升机设计研究所江西景德镇 333001摘要：复合材料夹层结构是复合材料的一种特殊类型，通常是由比较薄的面板与比较厚的芯子胶接而成。
由于这种轻型结构材料具有最优比强度、比刚度、最大抗疲劳性能、表面平整光滑、吸音和隔热等优点，已在中国航空领域得到较为广泛地应用。
针对复合材料夹层结构在型号任务中的广泛应用，主要对复合材料夹层结构在某民机型号型号的设计创新做些介绍。
关键词：复合材料；夹层结构一、引言复合材料夹层结构是复合材料的一种特殊类型，通常是由比较薄的面板与比较厚的芯子胶接而成。
夹层结构实质上是由 3 种基本材料组合而成的复合材料 , 这为结构人员提供了广泛改变参数以满足设计技术指标的可能性。
目前在型号任务中最常用的为铝面板 - 铝蜂窝夹层结构、铝面板 - 纸蜂窝夹层结构、碳纤维面板 - 纸蜂窝夹层结构、玻璃钢面板- 玻璃纸蜂窝夹层结构等。
图 1 典型蜂窝夹层结构二、蜂窝夹层结构的组成蜂窝夹层结构由 3 个元件组成：1)一对薄而强的面板, 以承受轴向载荷、弯矩和面内剪力；2)厚而轻的蜂窝芯子 , 它将上、下面板隔开 , 以承受由一个面板传递到另一个面板的载荷和横向剪力；3)胶粘剂, 它能将剪力传递至蜂窝芯子并由蜂窝芯子传递给面板。
2.1面板材料面板的主要功能是提供要求的轴向弯曲和面内剪切刚度 , 以承受轴向弯曲和面内剪切载荷, 在夹层结构中, 面板常用碳纤维单向带或织物或玻璃布, 也有采用金属铝合金面板等, 面板的选择按实际使用要求选定。
2.2蜂窝芯子材料蜂窝芯子形状主要采用正六边形。
航空结构中的蜂窝芯子材料一般采用铝蜂窝芯子、Nomex 纸蜂窝芯子。
选择蜂窝芯子材料必须满足以下要求：密度低，有足够的强度和刚度；胶接性能好；与面板的电性能相匹配，避免电偶腐蚀；工艺性能良好，价格低。
单向纤维腹板格构增强复合材料夹层板侧压试验研究
Ｏ 引 言
由于 树 脂 基 纤 维 增 强 复 合 材 料 （ Ｆ Ｒ Ｐ ） 夹 层 结 构＿ １ ＿ ２ Ｊ 具有 质量轻 、 比刚度 和 比强度 高等 突 出优点 ， 在大 多数 领域 中都 有 着广 泛 的应用 ， 而 聚氨 酯 泡沫 因其 在受 热情况 下 具 有很 好 的尺 寸稳 定 性 ， 同时 又 具有 良好 的耐 化 学腐 蚀 性 能【 ３ Ｊ ， 被 广 泛用 作 夹 层结 构 的芯材 ， 但在 传 统 复合 材 料夹 层 结 构 的应 用 过 程 中， 存在 芯材 剪切 、 压 缩 刚度 和 强 度 均较 低 、 面 板 和
进行侧压试验 ， 得到该类型夹层板的侧压破坏形态 、 侧 压极 限承载力 以及相应 的荷载应变 曲线 。基 于板
材 的屈 曲理论 ， 预估 了夹层板侧压受力状 态下 的极 限承载力 ， 理论计算值与试验结果值较吻合。
关键词 ：复合材料夹层板 ； 单 向腹板 ； 侧 压试 验 中图分类号 ： Ｔ Ｕ ５ ９ ９ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：１ ６ ７ ２ 一ｌ １ ４ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ｏ ４ —０ ０ ２ ４ —ｏ ４
ＯＵＹＡＮＧ Ｙｉ － ｚ ｈ ｅ ｎ，Ｆ ＡＮＧ Ｈａ ｉ ，Ｌ Ｉ Ｕ Ｗｅ ｉ — ｑ ｉ ｎ ｇ，ＺＨＵＡＮＧ Ｙｏ ｎ ｇ
（ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆＣ ｉ ｖ ｉ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ，Ｎ ａ ｎ ｉ ｆ ｎ ｇ Ｐ ｏ ｌ ｙ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｎ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ ，￣ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ ２ １ ０ ０ ０ ９ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
ｓ ｉ ｏ ｎ ｔ ｅ ｓ ｔ ，ｔ ｈｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｅ ｒ ｍｏ ｄ ｅ，ｌ ｉ ｍｉ ｔ ｂ ｅ ａ ｉｎ ｔ ｇ ｃ ａ ｐ ａ ｃ ｉ ｔ ｙ ｎｄ ａ ｌ ｏ ａ ｄ － ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｎｄ ａ ｉｃ ｗ ｈ ｐ ｌ ａ ｔ ｅ ａ ｒ ｅ ａ ｃ ｑ ｕ ｉ ｅｄ ｒ ｉ ｎ ｔ ｈｅ ｔ ｅ ｓ ｔ ．Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｈｅ ｔ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ ｐ ｌ ａ ｔ ｅ ｂ ｕ ｃ ｋ ｌ ｉ ｎ ｇ，ｔ ｈ ｅ ｕ ｌ ｔ ｉ ｍａ ｔ ｅ ｂ ｅ ａ ｉ ｔ ｎ ｇ ｃ ａ ｐ ａ ｃ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｈｅ ｔ ｓ ｎｄ ａ ｉｃ ｗ ｈ ｐ ｌ ａ ｔ ｅ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｌ ａ ｔ ｅ ｒ ａ ｌ ｃ ｏ ｍｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｅ ｒ ｅ ｓ ｔ ｉ ｍａ ｔ ｅ ｄ．Ｔｈ ｅ ｈｅ ｔ ｏ ｒ ｅ ｔ ｉ ｃ ｌ ａ ｎａ ａ ｌｙ ｓ ｉ ｓ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｒｅ ａ ｒ ａ ｈｅ ｔ ｒ ｉ ｎ ａ ｇ ｒ ｅ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｉｔ ｗ ｈ ｈｅ ｔ ｔ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ：ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｓ ａ ｎｄ ｗｉ ｃ ｈ ｐ ｌ ａ ｔ ｅ ；ｏ ｎ ｅ － ｗａ ｙ ｗｅ ｂ；ｌ ａ ｅｒ ｔ ａ ｌ ｃ ｏ ｍｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｔ ｅ ｓ ｔ
夹层复合材料结构与失效机制
夹层复合材料结构与失效机制夹层复合材料是由两层不同材料组成的结构，中间通过粘合剂粘合在一起。
它具有很高的强度和刚度，同时具备较低的重量。
夹层复合材料被广泛应用于航空航天、汽车工业和建筑领域等。
夹层复合材料的结构通常由外层材料、粘合剂和内层材料组成。
外层材料一般是高强度、高刚度的纤维增强复合材料，如碳纤维增强聚合物。
内层材料则可以是轻质材料，如泡沫塑料或铝合金。
粘合剂的选择非常关键，它能够提供夹层结构的强度和刚度。
夹层复合材料的失效机制主要包括剪切失效、剥离失效和层间剪切失效。
剪切失效是指外层和内层材料之间的剪切应力超过材料的强度极限，导致复合材料出现破坏。
剥离失效是指粘合剂与外层或内层材料之间的粘结强度不足，导致粘合剂与材料分离。
层间剪切失效是指在复合材料的层间产生剪切力，导致层间的失效。
在夹层复合材料的设计和制造过程中，需要考虑以下几个因素来提高结构的强度和耐久性。
首先，选择合适的外层和内层材料，使它们具备良好的力学性能和耐腐蚀性能。
其次，选择合适的粘合剂，确保粘合剂与材料之间具有良好的粘结强度。
第三，对结构进行合理的设计，避免应力集中和缺陷的产生。
最后，在制造过程中，需要严格控制工艺参数，确保夹层复合材料的质量稳定。
夹层复合材料在航空航天领域中的应用非常广泛。
例如，飞机的机翼和机身通常采用夹层复合材料结构，以提高飞机的性能和燃油效率。
在汽车工业中，夹层复合材料被用于制造车身和车门等零部件，以提高汽车的安全性和节能性。
在建筑领域，夹层复合材料被用于制造外墙板和屋顶材料，以提高建筑物的抗风性能和隔热性能。
夹层复合材料具有很高的强度和刚度，在航空航天、汽车工业和建筑领域有着广泛的应用。
夹层复合材料的结构和失效机制对于设计和制造过程非常重要，需要合理选择材料、粘合剂和工艺参数，以提高结构的性能和耐久性。
夹层复合材料的应用将为各个领域带来更加先进和高效的解决方案。
格构腹板增强泡沫夹芯复合材料准静态压缩吸能试验
泡 沫夹 芯 复合 材 料 在 工程 中大 量 运 用 ， 其 吸能 性 能
聚酯树脂 ， １ ． ２ ％过 氧 化 甲 乙酮 （ ＭＥ Ｋ Ｐ） 固化 剂 ， 密 度
了不 同影 响 因素对 其 承载力 以及 吸能 性 能 的影 响 。
抗弯性能均较传统夹层结构有所 提高［ ８ ］ ， 双向格构
腹 板增 强形 式 能有 效提 高该 夹层结 构 的极 限变形 能
力与受弯极限承载力［ ９ ］ 。周强等 ［ １ ０ ］ 进行 了不 同腹 板参数下的腹板增 强复合材料试件弯 曲试验 ， 在经
关键 词 ：复合材料 ；格构腹板 ；准静 态压缩 ；吸 能
中 图 分 类 号 ：Ｔ Ｂ ３ ３ ２ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ ３ － ０ ９ ９ ９ （ ２ ０ １ ７ ） ０ １ － ０ ０ ０ ５ － ０ ６
复合 材料 夹层 结构 具有 轻质 高强 、 弯 曲刚度 大 、
沫 夹芯 复合 材 料 是一 种 由上 下 面 板 、 格 构 腹 板 和 泡 沫 芯材 组合 而成 的夹层结 构 （ 图 １ ） ， 其剪切 、 平压 与
究， 观察其在均布荷载作用下的压缩 变形情况 以及 破坏形态 ． 根据荷载一 位移曲线得 出该复合材料的抗 压 承载力 、 初 始 刚度 、 吸 收 能量 值 以及 比 吸能 ， 分 析
图 １ 格构腹板增强泡沫夹芯复合材料
Ｆ ｉ ｇ ． １ Ｌ ａ ｔ ｔ ｉ ｃ ｅ ｗｅ ｂ ｒ ｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｄ ｆ ｏ ａ ｍ ｓ ａ ｎ ｄ ｗ ｉ ｃ ｈ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ
纤维增强夹层结构一体化制备
纤维增强夹层结构一体化制备English answer：Fiber-reinforced sandwich structures are widely used in aerospace, marine, and automotive industries due to their high specific strength and stiffness. Traditional manufacturing methods for these structures involve the separate fabrication of the face sheets and core, followed by their assembly. This process is time-consuming andlabor-intensive, and can lead to poor bonding between the components.In recent years, there has been growing interest in the development of one-step manufacturing methods for fiber-reinforced sandwich structures. These methods offer the potential to reduce production time and cost, and to improve the quality of the final product.One promising approach for one-step manufacturing of fiber-reinforced sandwich structures is the use of fiberpreforms. Fiber preforms are three-dimensional structures made from continuous fibers that are held together by a temporary binder. The preforms are placed in a mold, and then resin is injected into the mold. The resin cures, bonding the fibers together and forming the composite structure.The use of fiber preforms offers several advantages for the one-step manufacturing of fiber-reinforced sandwich structures. First, the preforms can be designed to have the desired shape and thickness of the face sheets and core. Second, the preforms can be placed in the mold with precise control, which ensures that the final product has the correct dimensions and shape. Third, the preforms can be made from a variety of materials, including carbon fiber, glass fiber, and aramid fiber. This allows the manufacturer to tailor the properties of the final product to meet the specific requirements of the application.Several different methods can be used to fabricatefiber preforms. One common method is to use a needle loom to stitch the fibers together. Another method is to use abraiding machine to create a three-dimensional braid from the fibers. A third method is to use a three-dimensional printer to create the preform from a CAD model.The choice of fabrication method depends on the desired shape and size of the preform, the materials being used, and the production volume.Once the fiber preforms have been fabricated, they are placed in a mold. The mold is then closed, and resin is injected into the mold. The resin cures, bonding the fibers together and forming the composite structure.The molding process can be carried out at a variety of temperatures and pressures. The choice of molding conditions depends on the type of resin being used and the desired properties of the final product.After the molding process is complete, the composite structure is removed from the mold. The structure is then trimmed and finished to the desired specifications.The one-step manufacturing of fiber-reinforced sandwich structures offers several advantages over traditional manufacturing methods. These advantages include reduced production time and cost, improved product quality, and the ability to tailor the properties of the final product to meet the specific requirements of the application.中文回答：纤维增强夹层结构一体化制备。
点阵增强型复合材料夹层结构制备与力学性能
第11卷第4期2008年8月建 筑 材 料 学 报J OU RNAL OF BU ILDIN G MA TERIAL S Vol.11,No.4Aug.,2008收稿日期:2007-09-20;修订日期:2007-12-19基金项目:江苏省属高校自然科学重大基础研究项目(06K J A56002);南京工业大学博士学位论文创新基金资助项目(BSCX200719)作者简介:方 海(1981-),男,江苏仪征人,南京工业大学博士生.E 2mail :fanghainjut @ 文章编号:1007-9629(2008)04-0495-05点阵增强型复合材料夹层结构制备与力学性能方 海, 刘伟庆, 万 里(南京工业大学土木工程学院,江苏南京210009)摘要:选用H -60PVC 泡沫、四轴向玻璃纤维布以及乙烯基酯树脂,通过在PVC 泡沫芯材上、下表面开正交布置的齿槽及沿芯材厚度方向穿孔,采用先进的真空导入成型工艺,制备出在玻璃纤维面板与PVC 泡沫芯材界面具有创新构型的点阵增强型复合材料夹层结构.研究结果表明:真空导入成型工艺充模速度快、成型效率高;点阵增强型复合材料夹层结构经乙烯基树脂柱增强后,其剪切与平压性能均有一定的提高.另外,通过三点弯曲与四点弯曲试验,观察了试件的典型受弯破坏形态;利用经典夹层梁理论预估了试件抗弯刚度和受弯极限承载力,理论预估值与实测值符合较好.关键词:真空导入成型工艺;点阵增强型;复合材料夹层结构;力学性能中图分类号:TB332;TB301 文献标识码:AMechanical Properties and Manufacturing Process ofG rooved Perforation Sandwich CompositesFA N G H ai , L I U W ei 2qi n g , W A N L i(College of Civil Engineering ,Nanjing University of Technology ,Nanjing 210009,China )Abstract :H -60PVC foam ,four 2axis E 2glass non 2woven fabric and vinyl resin are selected to fabricate a type of reinforced sandwich compo site as grooved perforation sandwich (GPS )by t he advanced vacuum inf usion molding process (V IM P ).The interfacial struct ure between t he face and core of GPS is innovative because of t he acuminate grooves in bot h sides of foam core and t he holes perforated along core ’s height.The fabrication result s show t hat V IM P is a high 2speed and co st 2effective manufact uring met hod.The shear and flatwise comp ression properties of GPS are enhanced by t he resin column inclusions.The typical flexural failure modes of specimens are ob 2served.The flexural stiff ness and ultimate loading capacity of GPS are st udied by ordinary sand 2wich beam t heory and t he t heoretical data tally wit h t he tested data.K ey w ords :vacuum inf usion molding process (V IM P );grooved perforation sandwich (GPS );sandwich compo site ;mechanical property 大型/异型复合材料夹层结构构件可采用低成本且快速成型的真空导入成型工艺(vacuum in 2f ution molding process ,V IM P )制备,该工艺方法灵活,能够一次成型带有夹芯、加筋、预埋的大型结构件,且成型工艺绿色环保,已成为复合材料领域的重要发展方向之一[1].采用树脂基纤维面板和泡沫或轻木芯材的复合材料夹层结构可以达到理想的结构性能(如强度、刚度、疲劳和冲击韧性等),且具有轻质、耐腐蚀、电磁屏蔽等特点,可替代钢结构面板制造各种结构构件,从而大幅度提高军事设施、车辆、舰船、建筑、桥梁等结构性能和使用效果.如瑞典海军的轻型护卫舰Visby 号,长73m ,舰上的部件如船体、甲板和上层建筑等大型构件均采用这种用真空导入成型工艺制造的复合材料夹层结构[2].目前,美国海军正全面展开真空导入制备复合材料夹层结构的研究[3].在我国风力叶片制造领域,这种真空导入成型工艺也已悄然兴起,并逐步向舰船领域渗透.在建筑领域,美国、澳大利亚等国家已采用真空导入成型工艺一次成型大跨建筑屋盖、桥面板、道面垫板、轻便舟桥等大型构件[4].在我国,不仅在结构加固领域广泛应用复合材料,而且用其作为结构构件的应用也正方兴未艾,如用于混凝土结构的纤维筋和预应力筋、斜拉桥的纤维拉索、拉挤成型玻璃钢空腹桥面板等.但采用真空导入工艺快速制备具有夹芯材料的复合材料夹层结构作为建筑结构件的研究与应用目前尚处于空白阶段.为此,本文在传统复合材料夹层结构制备与研究的基础上,设计并制备了适合真空导入成型工艺的点阵增强型(grooved perforation sandwich ,GPS )复合材料夹层结构,对其剪切、平压与抗弯性能及破坏形态进行了实验研究,并应用经典夹层梁理论预估了其极限承载力,以促进其作为新型建筑材料在我国推广应用.1 制备工艺1.1 实验材料乙烯基酯树脂:上纬(上海)精细化工有限公司生产的901-P 低粘度乙烯基树脂,需要1.2%(质量分数)的过氧化甲乙酮(M E KP )作为固化剂;增强材料:法国圣戈班集团常州技术材料有限公司生产的800g/m 2四轴向[0/45/90/-45]准正交玻璃纤维布;PVC 泡沫:瑞典DIAB 公司生产的H -60PVC 泡沫,密度为60kg/m 3.1.2 真空导入工艺本实验所采用的真空导入成型工艺基本原理参见图1.在模具上依次铺放两层干的800g/m 2四轴向[0/45/90/-45]准正交玻璃纤维布,形成[0/45/90/-45/0/45/90/-45]铺层,然后在其上面放置上、下表面均开有正交布置的齿槽且沿厚度方向穿孔的PVC 泡沫芯材,再在该泡沫芯材的上表面放置两层玻璃纤维布(见图2),并依次铺上脱模布、导流布,最后用真空袋将其密封.在型腔抽真空的过程中,乙烯基酯树脂可在大气压作用下沿树脂管注入真空袋内,并沿导流布分布、流动而浸渍玻璃纤维束,当乙烯基酯树脂浸渍到PVC 泡沫芯材时即可沿其表面分布的齿槽和圆孔流到下表面的玻璃纤维布上.由于所采用的乙烯基酯树脂粘度较低,浸渍性较好,同时,该树脂可在室温下固化,因此,成型时无需加热加压处理.图1 真空导入成型工艺Fig.1 Vacuum inf ution moldingprocess 图2 点阵增强型复合材料夹层结构Fig.2 Grooved perforation sandwich 本实验采用的模具为平板玻璃,成型时可观察PVC 泡沫芯材上、下表面乙烯基酯树脂的流动情况.乙烯基酯树脂的具体流动过程为:15s 后,乙烯基酯树脂浸渍PVC 泡沫芯材下表面;60s 后,乙烯基酯树脂基本完成PVC 泡沫芯材上、下表面充模;150s 后,PVC 泡沫芯材所有的边角无干点,整个充模过程完成.充模结束后,仍保持真空状态40min.6h 后脱模.实验发现,在PVC 泡沫芯材上、下表面布置的齿槽为乙烯基酯树脂提供了快速流动通道,而沿其厚度方向穿过的圆孔则保证了乙烯基酯树脂在上、下两个表面的均匀流动,从而使整个充模过程694建 筑 材 料 学 报第11卷 迅速、顺利,并且使试件在室温下短时间固化.填满齿槽的乙烯基酯树脂将玻璃纤维面板与PVC 泡沫芯材镶在一起,圆孔内的乙烯基酯树脂则形成乙烯基酯树脂柱,可起到螺栓的作用,将上、下玻璃纤维面板与PVC 泡沫芯材铆在一起,提高了玻璃纤维面板与PVC 泡沫芯材的抗剥离能力.2 力学性能实验2.1 剪切、平压性能测试点阵增强型复合材料夹层结构主要由乙烯基酯树脂、玻璃纤维面板和由点阵乙烯基酯树脂柱增强的PVC 泡沫芯材组成.经测试,玻璃纤维面板的弹性模量为8730M Pa ,拉伸强度为223.7M Pa.增强前、后PVC 泡沫芯材的剪切性能与平压性能实验结果见表1.由表1可见,PVC 泡沫芯材采用点阵乙烯基酯树脂柱增强后,其剪切强度平均提高了9.2%,剪切模量平均提高了3.5%;平压强度平均提高了74.4%,平压模量平均提高了13.1%.表1 PVC 泡沫芯材剪切与平压性能实验结果T able 1 R esults of shear test and flat compressive test of foam core SpecimenShear strengt h/MPaTestAverage Shear modulus/MPa Test Average Flat compressive strengt h/MPa Test Average Flat compressive modulus /MPa Test Average Unreinforced0.7620.00.9070.010.8321.4 1.5578.5GPS 20.830.8320.920.7 1.50 1.5782.379.230.8219.9 1.6276.72.2 抗弯性能测试根据文献[5]制备3个不同跨度的点阵增强型复合材料夹层结构三点弯曲试梁(t hree point flexural test ,简称tf ),梁宽为80mm ,跨度分别为150,300,450mm.跨度为150mm 的短试梁在变形较小的情况下即发生PVC 泡沫芯材剪切破坏,而跨度为300,450mm 的三点弯曲试梁呈现上玻璃纤维面板受压屈曲破坏(见图3(a )),其三点弯曲荷载P -跨中位移f 曲线见图4(a ).为了研究点阵增强型复合材料夹层结构的抗弯刚度,本实验制备了3个四点弯曲试梁(four point flexural test ,ff ),梁跨度为450mm ,采用三分点加载形式.试梁典型破坏形态均为PVC 泡沫芯材剪切破坏,并同时引起PVC 泡沫芯材与玻璃纤维面板的剥离(见图3(b )),其四点弯曲荷载-跨中位移曲线见图4(b ).由图4(b )可见,PVC 泡沫夹层结构的位移变化以弹性发展为主,但当荷载达到极限位移约2/3时,由于PVC 泡沫芯材的剪切变形以塑性发展为主,其荷载-跨中位移曲线的斜率呈降低趋势,并在进入塑性阶段后,出现了一小段屈服平台;当达到极限荷载时,PVC 泡沫芯材发生剪切破坏,其荷载-跨中位移曲线开始下降.试梁破坏时的挠度约20mm ,为跨度的1/20～1/25.(a )Failure modes of t hree point flexural test (b )Failure modes of four point flexural test图3 试梁典型破坏形态Fig.3 Failure modes of sandwich794 第4期方 海,等:点阵增强型复合材料夹层结构制备与力学性能 (a )Load 2midspan deflection curves of t hree point flexuraltest (b )Load 2midspan deflection curves of four point flexural test图4 试梁荷载—跨中位移曲线Fig.4 Load 2midspan deflection curves 表2为试梁四点弯曲实验结果,其中:抗弯刚度D 由式(1)计算D =a ΔP (3l 2-4a 2)/48Δw (1)式中:a 为加载点至反力支座之间的距离,mm ;l 为测量挠度的标距,即试梁的跨度,mm ;ΔP 为荷载增量,位于比例极限以下,N ;Δw 为在荷载增量ΔP 作用下全跨度内所产生的挠度,mm.表2 试梁四点弯曲实验结果T able 2 R esults of four point flexural testSpecimen Ultimateloading/kNUltimate deflection /mm Ultimate flexural moment /(kN ・m )Test Average Flexural stiffness ×10-6/(N ・mm 2)Test Average13.36820.20.253378.11GPS 23.31820.50.2490.251475.86426.443 3.36521.10.252425.353 受弯理论与分析3.1 抗弯刚度由于PVC 泡沫芯材的弹性模量相对于玻璃纤维面板小许多,同时,玻璃纤维面板厚度仅1.5mm ,相对于PVC 泡沫芯材厚度25mm 薄许多,因此,本实验仅考虑上、下玻璃纤维面板绕夹层结构中性轴的抗弯刚度[6],其表达式为D =E f bt f d 2/2(2)式中:E f 为玻璃纤维面板的弹性模量,8730M Pa ;b 为试梁宽度,80mm ;t f 为玻璃纤维面板厚度,1.5mm ;d 为夹层结构高度,28mm.由式(2)可求得试梁的抗弯刚度理论值为410.66×106N ・mm 2,与试验值426.44×106N ・mm 2相差3.7%,基本吻合.3.2 极限承载力按经典夹层梁理论分析夹层结构截面的应力分布,玻璃纤维面板中的最大正应力σf 为σf =M/bt f d(3)式中:M 为弯矩,N ・mm.PVC 泡沫芯材所受的剪应力τc 为τc =Q/bd (4)式中:Q 为剪力,N.对于实验中观察到的2种主要破坏模式,有(1)当σf =M/bt f d ≥σyf (σyf 表示玻璃纤维面板受压屈服临界强度),玻璃纤维上面板易发生受压894建 筑 材 料 学 报第11卷 屈曲破坏.如果是三点弯曲试梁,则其玻璃纤维面板临界屈曲荷载P cr 可表示为P cr =4σyf bdt f /l(5) (2)当τc =Q/bd ≥τyc (τyc 表示PVC 泡沫芯材受剪临界强度),PVC 泡沫芯材易发生剪切破坏.如果是三点或四点弯曲试梁,则其PVC 泡沫芯材临界剪切荷载P ′cr 可表示为P ′cr =2τyc bd(6) 将试梁极限荷载实测值以及根据式(5),(6)求得的理论值列于表3.由表3可见,跨度为150,300mm 的三点弯曲试梁其极限荷载理论值与实测值存在一定差异,分别为10.3%,38.8%.通过分析可知,跨度较小的点阵增强型复合材料夹层梁加载受弯时,其玻璃纤维面板与PVC 泡沫芯材易处于局部受压状态,从而导致其抗弯极限荷载尚未达到理论值时即告破坏.跨度较大(450mm )的三点、四点弯曲试梁其极限荷载理论值与实测值均吻合较好,这表明利用经典夹层梁理论的简单方法预估点阵增强型复合材料夹层结构极限承载力具有较好的工程实用精度.表3 试梁极限荷载实测值与理论值对比T able 3 Comp arison bet w een theoretical and tested ultim ate flexural loading cap acity Test mode Span/mmUltimate loading /kN Test Theoretical Difference/%Failure mode Three pointflexural test1503.372 3.71810.3Core shear 300 2.272 3.15438.8Face yield 450 1.993 1.971 1.1Face yield Four pointflexural test 450 3.350 3.320-0.9Core shear 4 结论1.真空导入成型工艺充模速度快、成型效益高,适合制备大型/异型复合材料夹层结构构件.2.PVC 泡沫芯材表面的齿槽以及沿厚度方向的圆孔为成型过程中乙烯基酯树脂充模提供了快速流动通道.3.点阵增强型复合材料夹层结构的剪切、平压性能均较增强前的PVC 泡沫有了一定提高,点阵布置的乙烯基酯树脂柱对PVC 泡沫芯材起到了增强作用.4.点阵增强型复合材料夹层结构的抗弯刚度主要由玻璃纤维面板的性能与夹层结构的厚度控制,其理论值与实测值吻合较好.5.点阵增强型复合材料夹层结构受弯时,容易发生玻璃纤维面板屈曲和PVC 泡沫芯材剪切破坏,可利用经典夹层梁理论预估其极限抗弯荷载.参考文献:[1] 李新华,祝颖丹,王继辉,等.沟槽型真空注射成型工艺的研究[J ].复合材料学报,2003,20(4):111-116. L I Xinhua ,ZHU Y indan ,WAN GJihui ,et al.Study on vacuum infusion molding process based on grooves[J ].Journal of Com 2posite Materials ,2003,20(4):111-116.(in Chinese )[2] MOU RITZ A P ,GELL ER T E ,BU RCHILL P ,et al.Review of advanced composite st ructure for naval ships and submarines[J ].Composite St ructures ,2001,53(11):21-41.[3] BROWN L ,SIML ER J.Navy expert s explain t he newest material &structural technologies[J ].Amptiac Quarterly ,2003,7(3):21-25.[4] van ERP G M ,CA T TEL C ,A YERS A.A fair dinkum approach to fibre composites in civil engineering[J ].Construction andBuilding Materials ,2006,20(1):2-10.[5] G B/T 1456—88,夹层结构弯曲性能试验方法[S]. G B/T 1456—88,Test met hod for flexural properties of sandwich construction[S].(in Chinese )[6] ALL EN H G.Analysis and design of structural sandwich panels[M ].London :Pergamon Press ,1969.994 第4期方 海,等:点阵增强型复合材料夹层结构制备与力学性能 。
大型桥梁复合材料防撞系统关键技术及应用
项目名称：大型桥梁复合材料防撞系统关键技术及应用推荐单位:中国土木工程学会推荐奖种:2015年度国家技术发明奖一等奖项目简介：本项目属于土木建筑工程复合结构科学技术领域。
全球统计资料表明，大型桥梁遭受船舶碰撞事故的发生频率远高于地震、飓风等,往往导致桥毁、船沉、人亡及环境污染等严重后果，经济损失巨大，是威胁大型桥梁和航运安全的重要因素。
2007年“6.15”广东九江大桥船撞事故后，大型桥梁防船撞设计引起了我国桥梁工程界的高度重视。
但目前桥梁防撞系统存在占用航道多、易造成船舶毁损、消减撞击力效能有限、易腐蚀难修复等不足，且各国对船撞力设计标准差别很大，对大型桥梁和航运安全构成重大隐患。
本项目瞄准国际学术前沿，围绕国家重大工程需求,经过10多年的试验研究和技术攻关，发明了格构增强复合材料结构及格构增强复合材料防撞系统，解决了显著提升防撞系统消能能力和保护船舶免遭毁损的技术难题,实现了大型桥梁和航运船舶双保护的重要突破.取得的创新性成果如下：（1）发明了格构增强复合材料结构。
针对大型桥梁防船撞系统高抗力、高耗能的实际需求,发明了格构增强复合材料结构.通过静动力试验及数值模拟,摸清了格构增强复合材料结构的基本力学性能和冲击吸能机理,建立了承载力与冲击吸能理论计算公式。
相比传统无格构增强泡沫夹芯结构，格构增强型复合材料结构的承载能力和吸能能力提高15倍以上。
(2）首创了格构增强复合材料防撞系统。
结合格构增强复合材料结构的消能特性和大型桥梁防船舶撞击的工程需求,发明了格构增强复合材料防撞系统，并形成了产品系列化。
基于船—桥和船-防撞系统-桥系列碰撞试验，建立了船桥碰撞动力学分析模型，提出了船-防撞系统-桥碰撞精细化数值模拟方法、船撞力简化计算公式及格构增强复合材料防撞系统设计方法。
与传统防撞系统相比,格构增强复合材料防撞系统具有消能能力强、综合造价低、安装维护方便、耐腐蚀、船—桥双保护等显著优势。
（3）解决了格构增强复合材料防撞系统的工业化成型工艺、耐久性提升及拼装连接技术。
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ｓａｎｄｗｉｃｈ ｐａｎｅｌｓ［Ｒ］．ＮＡＳＡ ＣＲ－２００１－２１ １０２５，２００１． ［５］ＧＢ／Ｔ １“７－８３．玻璃纤维增强塑料拉伸性能试验方法［Ｓ］． ［６］ＧＢ／Ｔ １４５５－８８．夹层结构或芯子剪切性能试验方法［ｓ］． ［７］ＧＢ／Ｔ １４５３－８７．非金属夹层结构或芯子平压性能试验方法［ｓ］． ［８］ＧＢ／Ｔ １４５６－８８．夹层结构弯曲性能试验方法［ｓ］． ［９］Ｍｉｅｎ Ｈ Ｇ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓａｎｄｗｉｃｈ ｐａｎｅｌｓ［Ｍ］．
图４组分材料试验 袁１ 泡沫芯材剪切与平压性能试验结果
图２充模过程（ｔ＝２０ｓ）
图３制备完成的样品 ＦＲＰ／ＣＭ ２００９．Ｎｏ．４
万方数据
２．２受弯试验 根据参考文献［８］，制备跨度为４５０ｍｍ的格构
增强型复合材料夹层结构四点弯试样，采用四点弯 加载形式，并在跨中设竖向位移计。其破坏形态分 别参见图５，为芯材剪切破坏，格构腹板有效抑制了 面板与芯材剥离破坏的发生。图６所示为格构增强 型复合材料夹层结构（ＬＲＳ）与真空导人制备的传统 复合材料夹层结构四点弯荷载一跨中位移曲线，极限
面板
（ａ）基本构造
（ｂ）铺层力式
图１ 格构增强型复合材料夹层结构 制备时，室温为２８℃，可以发现：５ｓ后，即可观 察到树脂浸滞到下表面；２０ｓ后，上、下表面完成大
部分充模过程，下表面略滞后于上表面，参见图２； ３０ｓ后，边角无干点，完全完成充模过程；此后保持 真空状态３０ｍｉｎ；充模完成１５ｍｉｎ后。真空袋表面明 显发热，树脂固化；６ｈ后，即可将脱模布剥离，取出 制品，可以发现沿芯材厚度方向剖开位置的玻璃纤 维布与树脂固化形成复合材料格构腹板，将上、下面 板与泡沫芯材有机形成一体，泡沫芯材上下表面的 尖槽内同样填满树脂，将面板与泡沫芯材“钉”在一 起，可提高面板与芯材的抗剥离能力，参见图３。格 构腹板对夹层结构剪切、平压以及受弯性能的影响 及其与传统复合材料夹层结构受力性能的比较将在 其后通过试验论证。
ｕｓｕａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．Ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ Ｈ－６０ ＰＶＣ ｆｏａｍ，ｆｏｕｒ—ａｘｉｓ Ｅ—ｇｌａｓｓ ｎｏｎ·ｗｏｖｅｎ ｆａｂｒｉｃ ａｎｄ ｖｉｎｙｌ ｒｅｓｉｎ，ａ ｔｙｐｅ ｏｆ ｉｎｎｏｖａ— ｔｉｖｅ ｒｅｉｎｆｏｒｅｅｄ ｓａｎｄｗｉｃｈ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ａｓ ｌａｔｔｉｃｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｓａｎｄｗｉｃｈ（ＬＲＳ）ａｌ＇ｅ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ ＶＩＭＰ．Ｔｈｅ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ
（３）格构增强型复合材料夹层结构的剪切与平 压性能均较增强前的泡沫有了大幅提高，格构腹板 对泡沫芯材起到了增强作用，且能有效抑制泡沫剪 切裂纹的扩展；
（４）格构增强型复合材料夹层结构受弯时，其 腹板可有效抑制面板与芯材的剥离破坏，极限承载 力与抗弯刚度均高于传统复合材料夹层结构，可利 用经典夹层梁理论的简单方法预估其受弯极限承载 力，理论值与实测值符合较好。
大型／异型复合材料结构件可采用低成本且快 速成型的真空导入成型工艺（Ｖａｃｕｕｍ ｉｎｆｕｓｉｏｎ ｍｏｌｄ— ｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，简称ＶＩＭＰ）制备，该工艺方法灵活，能够 一次成型带有夹芯、加筋、预埋的大型结构件，且成 型工艺绿色环保，已成为复合材料领域的重要发展 方向之一…。采用树脂基纤维面板和泡沫或轻木 芯材的复合材料夹层结构可达到理想的结构性能 （强度、刚度、疲劳和冲击韧性等），且具有轻质、耐 腐蚀、电磁屏蔽等特征，可替代钢结构面板制造各种 结构构件，从而大幅度提高军事设施、车辆、舰船、建 筑、桥梁等的结构性能和使用效果。如瑞典海军的
预先将整块ＰＶＣ平板泡沫芯材（表面开有正交 布置的尖槽）分割成宽４０ｍｍ的条形泡沫块，然后用 一层玻璃纤维布沿条形泡沫块错位折霍式布置，基 本构造参见图１（ａ）；然后，在平板玻璃模具上，于泡 沫芯材上、下表面铺放两层干的８００９／ｍ２四轴向 ［０／４５／９０／一４５］准正交玻璃纤维布，形成的铺层为 ｆ０／４５／９０／一４５／０／４５／９０／一４５］，参见图１（ｂ）；依 次铺放脱模布、导流布，并采用真空袋将其密封；型 腔内抽真空时，树脂即可在大气压作用下沿树脂管 注入真窄袋内，并沿导流布分布、流动而浸滞纤维 束，浸滞到泡沫芯材时即沿ｊ占材表面的齿槽分布，然 后树脂沿芯材厚度方向的剖开腹板流动至芯材下表 面的纤维布。
图６ 四点弯荷载－跨中位移曲线
２．３四点弯极限承载力
按经典夹层梁理论分析夹层结构截面应力分
布【９ Ｊ。根据试验中观察到的破坏模式，当芯材所受
，１
的剪应力ｒ。＝茜≥ｒ。，芯材易发生剪切破坏，则对
ｏｕ，
。
于四点弯试件，芯材临界剪切荷载可表示为：
Ｐ。＝２ｒ。ｂｄ
（Ｉ）
式中，丁。为增强后芯材剪切强度，０．９０ＭＰａ；ｂ为
试件宽度，８０ｍｍ；ｄ为ｊ芯材高度，２５ｍｍ。 根据公式（１）可求得格构增强型复合材料夹层
结构四点弯极限承载力理论值为３．６０ｋＮ，与试验值
３．５９ｋＮ仅差异０．２８％，符合较好，这表明利用经典 夹层梁理论的简单方法预估格构增强型复合材料夹
层结构极限承载力具有较好的工程实用精度。
参考文献
［１］李新华，祝颖丹，王继辉等．沟槽型真空注射成型工艺的研究 ［Ｊ］．复合材料学报，２００３，２０（４）：１１１－１１６．
２００９年第４期
玻璃钢／复合材料
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承载力提高了７．１％，抗弯刚度提高了２０．４％。 图５复合材料夹层结构四点弯试验
３结论
（１）真空导人成型工艺充模速度快、成型效益 高，适合制备大型／异型复合材料夹层结构件；
（２）格构增强型复合材料夹层结构在泡沫芯材 表面所开的齿槽，以及沿厚度方向的剖开腹板为树 脂充模过程提供了快速流动通道；
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格构增强型复合材料夹层结构的制备与受力性能
方 海，刘伟庆，万里
（南京工业大学土木工程学院，江苏南京 ２１０００９） 摘要：真空导入成型工艺是一种新型的适合大型／异型复合材料结构件成型的技术。选用Ｈ－６０ ＰＶＣ泡沫、四轴向玻璃纤 维布以及乙烯基酯树脂，通过在泡沫芯材上、下表面开槽，同时沿芯材厚度方向剖开，采用真空导入成型工艺制备出在结构上 具有创新构型的格构增强型复合材料夹层结构。研究结果表明，真空导入成型工艺充模速度快、成型效益高；格构增强型复合
整个试验过程中，齿槽的布置为树脂提供了快 速流动通道，沿芯材厚度方向的腹板保证了树脂在 芯材两面的流动均匀，使得整个充模过程迅速完成，
收稿日期：２００８－０４－２４ 基金项目：江苏省属高校自然科学重大基础研究项目（０６ＫＪＡ５６００２）；南京工业大学博士学位论文创新基金（ＢＳＣＸ２００７１９） 作者简介：方海（１９８１－），男，博士，讲师，主要从事复合结构材料研究。
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格构增强型复合材料夹层结构的制备与受力性能
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且无干点。由于所采用的乙烯基树脂粘度较低 （２５。Ｃ时粘度为３５０ｅｐｓ），因此浸滞性较好。同时该 树脂可在室温下固化，因此无需加热加压处理，这也 保证了该工艺对大型复合材料结构件的适用性，充 模速度快，成型效益高。
ｔｉｍｅ．Ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｏｎ ｂｏｔｈ ｓｉｄｅｓ ｏｆ ｃｏｒｅ ｔｈａｔ ｃａｌｌ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｔｈｅ ｆｉｌｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ａ ｓｈｏｒｔ
［２］Ｍｏｕｒｉｔｚ Ａ Ｐ。Ｇｅｌｌｅｒｔｅ，Ｂｕｒｃｈｉｌｌ Ｐ，ｅｔ ａ１．Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ８ｄＶ∞ｃｅｄ ｃｏｉｎ— ｐｏｓｉｔｅ ｓｔｎｌｃｔＩＩｒｅ ｆｏｒ ｎａｖａｌ ｓｈｉｐｓ ａｎｄ ｓｕｂｍａｒｉｎｅｓ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ
Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００１，５３：２１－４１． ［３］Ｂｒｉｗｎｌ，Ｓｉｍｌｅｒ Ｊ．Ｎａｖｙ ｅｘｐｅｒｔｓ ｅｘｐｌａｉｎ ｔｈｅ ｎｅｗｅｓｔ ｍａｔｅｒｉａｌ＆ｓｔｍｃ·
２受力性能试验
２．１ 组分材料物理力学性能测试 格构增强型复合材料夹层结构的组分材料主要
包括乙烯基树脂／玻璃纤维面板和由格构腹板增强 的ＰＶＣ泡沫。面板的受拉性能可根据文献［５］进行 测试，其弹模为８７３０ＭＰａ，拉伸强度为２２３．７ＭＰａ，断 口形貌呈±４５。破坏，参见图４（８）。而增强前后泡 沫芯材的剪切性能［６’与平压性能０７】试验结果参见 表１，与增强前相比，泡沫芯材经纤维腹板格构增强 后，剪切强度提高１８．４％，剪切模量提高５０．４％，腹 板起到了阻止剪切裂纹扩展，控制剪切变形的作用， 参见图４（ｂ）；平压强度大幅提高２６８．９％，平压模 量提高１５．Ｏ％，为树脂基纤维腹板失稳折断破坏， 并挤压其周围泡沫，参见图４（ｃ）。由此可说明芯材 经树脂基纤维腹板格构增强后，其剪切性能与平压 性能均得以大幅提高。
轻型护卫舰Ｖｉｓｂｙ号，长７３ｍ，舰上的部件如船体、 甲板和上层建筑均采用复合材料夹层结构制造，并 采用真空导入成型工艺制造这些大型结构件旧Ｊ。 美国海军部门目前也正全面展开真空导入制备复合 材料夹层结构的研究＂Ｊ。目前真空导人成型工艺 在我国风力叶片制造领域悄然兴起，并有向舰船领 域渗透的趋势。但传统复合材料夹层结构面板与芯 材界面构造简单，较易发生剥离破坏。目前缝纫点 阵式泡沫夹层结构虽已成为研究热点【４ Ｊ，但制备工 艺较为复杂，较难成型大型结构件。本文在传统复 合材料夹层结构制备与研究的基础上，设计并制备 了适合真空导入成型工艺的格构增强型复合材料夹 层结构（Ｌａｔｔｉｃｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｓａｎｄｗｉｃｈ，简称ＬＲＳ），对其 剪切、平压与抗弯性能及破坏形态进行了试验研究， 并应用经典夹层梁理论预估了受弯极限承载力。
１ 制备工艺
１．１试验材料 本试验主要用到的原材料包括乙烯基酯树脂，