夹芯 复合材料夹心材料

【夹芯】夹芯材料简介

一、原理

自二十世纪四十年代低密度的夹芯材料就已用于复合材料，它可提高弯曲强度、降低重量。具有相同负荷能力的夹层结构要比实体层状结构轻好几倍。夹芯材料能够降低单位体积的成本、削弱噪音与震动、增加耐热、抗疲劳和防火性能等。夹芯材料的作用机理是将剪切力从表皮层传向内层，使两个表皮层在静态和动态载荷下都能保持稳定，并且吸收冲击能来提供抗破坏性能。

二、分类

用于复合材料夹层结构的夹芯材料主要有：硬质泡沫、蜂窝和轻木三类。

①硬质泡沫主要有聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PU）、聚醚酰亚胺（PEI）和丙烯腈-苯乙烯（SAN或AS）、聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）、发泡聚酯（PET）等。

②蜂窝夹芯材料有玻璃布蜂窝、NOMEX蜂窝、棉布蜂窝、铝蜂窝等。蜂窝夹

层结构的强度高，刚性好，但蜂窝为开孔结构，与上下面板的粘接面积小，粘接效果一般没有泡沫好。

③轻木夹芯材料是一种天然产品，市场常见的轻木夹芯主要产自南美洲的种植

园，由于气候原因，轻木在当地生长速度特别快，所以比普通木材轻很多，且其纤维具有良好的强度和韧性，特别适合用于复合材料夹层结构。

三、应用领域

夹芯材料的应用领域广阔，涉及能源、航空航天、船舶、交通运输、建筑等领域。航空航天

飞机的主要部件，如机身，机翼和尾翼可采用PVC泡沫夹芯材料复合结构，同

时使用丁二烯。在生产中不必进行高压高温处理。飞机的重量得以减轻。直升飞机最新一代复合螺旋桨叶采用密度较低、可耐大多数溶剂且可经受高压蒸煮温度和压力的PMI泡沫夹芯材料。它采用传统预浸工艺制造。这种新型复合螺旋桨

叶的寿命可达10000h/L，是先前金属桨叶寿命的十倍。今天超轻型竞赛飞机、飞机模型和现代"超级风车"的桨叶都使用了轻质木质夹芯材料。

船舶

常规的交联PVC泡沫己在船舶中广泛应用。瑞士海军的护卫舰使用了28、13.5、0.09m片状构造的丁二烯蜂窝夹芯材料。聚氨酯（PU）发泡夹芯材料也常用于船舶的建造。80kg/m³高密度泡沫可应用于承载部件如船舷等；80～120kg/m³的泡沫专门用作甲板和上部构造的芯材。硬质PU泡沫广泛用于水槽、绝缘板、结构性填料和充空填料。大型冷藏拖网鱼船很多是整体成型的夹芯构，用玻璃布制作内外蒙皮，夹芯材料的厚度为100mm。该类船具有轻质、

高强、耐海水腐蚀、抗微生物附着以及吸收撞击能。很多游艇的船底、表面使用了标准的轻质木，以保证最大的剪切和挤压强度；船前部和甲板使用了密度较低的轻质木；隔壁面板室内地板和家具也使用了轻质木夹芯材料。

在多杂物（浮木等）漂浮的巴拿马运河中营运的快速渡轮，其抗破坏能力应是首先考虑的，其次是总重量轻以保证渡轮的速度。由于这些原因，一种线型PVC 泡沫芯材被选作船壳底材，另一类型的PVC泡沫芯材作船壳侧面材料和舷侧突出部。部件使用玻纤增强表皮层和真空袋膜工艺；甲板和船舱侧面使用横纹轻质木夹芯材料，其表面用交联环氧树脂/玻纤板材做舱房表皮层，以保证渡轮达到ABS标准。

交通运输

交联的PVC夹芯材料在铁路运输中得到广泛应用，并用于公共汽车和有轨电

车及摩托车等。一级方程式赛车模仿自然蜂窝结构，使用空心六边形管相互作用增强原理制作芯材。赛车具有高的抗冲击强度和能量吸收能力。比赛用自行车也采用这种蜂窝结构芯材。法国制造的铁路冷藏车采用PVC泡沫夹芯材料提高隔热效果。其它夹芯材料用于运输车辆主要是利用它们的绝缘性，如聚异氰酸酯绝缘泡沫塑料等。

建筑

夹芯材料在建筑上的应用十分广泛。在内外墙上使用纤维板、胶合板等各种夹芯材料，使墙壁具有隔音、隔热、轻质、高强等优点。由于顶棚强度要求不太高，只要求重量轻、刚性好，有一定防火、保温性能，其次是美观和价格便宜，安装方便，因此通常采用各种纤维芯材和PE钙塑泡沫芯材等。其它夹芯材料用在建筑上主要是利用它们的绝缘性。

风能

夹芯材料是风电叶片的关键材料之一，为增加结构刚度，防止局部失稳，提高整个叶片的抗载荷能力，在叶片的前缘、后缘以及剪切肋等部位，一般都会采用夹层结构。

用于风电叶片的夹芯材料主要有交联PVC泡沫、Balsa轻木和PET泡沫。典型的设计方案是，把强度较高的Balsa轻木（密度为150 kg/m³）用于承受载荷较大的靠近叶根的部位，交联PVC泡沫（密度为60 kg/m³）用于承载较小的靠近叶尖的部位，从叶根向叶尖方向，夹芯材料的厚度逐渐减小。也有叶片厂家只使用Balsa轻木或泡沫。

【夹芯】何为三明治夹芯结构？

，是一种特殊的复合材料结构类型，三明治夹芯结构是通过在重量轻而相对厚一点的芯材两侧贴上两层薄而坚固又有刚度的面板所组成。三明治夹芯结构有着典型的轻重量、高刚性和高强度特征。

当三明治夹芯结构承受弯曲载荷时，其工作原理从某种意义上来说类似于工字钢，工字钢翼板（正如三明治夹芯结构的面板）承载平面压缩和拉伸荷载，而工字钢腹板承受剪切载荷（正如结构三明治夹芯结构的芯材）。像使用传统的工字钢一样，当上下面板之间的距离被进一步分开，结构就能获得更大比例的刚性。较厚的芯材能达到同样的效果，但它也能提供一个总体的低比重，这就获得了高刚度-重量比。三明治夹芯结构在具有在保持力学性能的同时显著减轻重量的能力。减重带来许多好处，包括增加的行程、更大的载荷和降低的油耗。所有这些都对成本和减少对环境的冲击有着积极的影响。因此，在三明治夹芯复合材料的应用变得越来越广泛。

三明治夹芯复合材料除了具有较高的刚度-重量比之外，还可以通过选择不同的芯材和面板来实现不同的功能。

阻燃、低烟、无毒（FST）

在公共汽车、火车和飞机这类人员高度密集的地方，通过选用适合的芯材可以实现三明治夹芯复合材料的特殊功能——阻燃、低烟和无毒。一些结构芯材因为具有特殊的结构及原料特点，因此可以在保证无毒的基础上实现自我熄灭功能；而隔热聚合物芯材通常由微孔结构构成，在这些微孔中充满了空气从而实现隔热、隔冷效果。

隔音