复合材料夹层结构分析

A sandwich panel (12 mm thickness) with an aluminium foam core and two steel faceplates
Sweden
(a) The Beech Starship
(b) Voyager
一 夹层结构的原理
•
在航空、风力发电机叶片、体育运动器材、船
丙烯腈一苯乙烯SAN泡沫，性能和韧性与增强后的 交联PVC泡沫相似，具有交联PVC的大部分静力特 性，但是延伸率和韧性相比更高。和普通以及韧性 增强后的交联PVC相比，抗冲击性能因此也更好。 和韧性增强的PVC不同，PVC是使用塑性剂来提高 聚合物的韧性，而SAN泡沫是聚合物本身具有的韧 性特点，不会发生老化。
• 尽管PVC泡沫是可燃材料，但是阻燃类型的PVC泡沫可 以在具有防火严格要求的结构中，例如列车。
• PVC泡沫耐苯，所以能够和聚酯树脂共同使用。 • • PVC泡沫主要用在一些不需要压力罐的工艺中。在选择
固化工艺方法时，需要注意PVC泡沫在温度升高时会释放 孔隙气体。
聚氯乙烯PVC泡沫
•
有两种主要的PVC泡沫，一种是交联，另外一 种是非交联（有时也叫做线性PVC泡沫）。
其它泡沫材料
•
在大多数应用场合，可以用SAN泡沫代替线性
PVC泡沫，因为SAN泡沫具有部分线性PVC的韧性
和延伸率的同时，还有更好的耐高温性能和静力性
能。
•
SAN泡沫能够热成形，可以方便的构筑结构的
曲面。
•
热稳定型的SAN泡沫也能和低温固化预浸料共
同使用，常见的SAN泡沫产品有ATC Core．Cell
公司的A一系列泡沫。
Foam core material
PMI:
PVC:
Polymethacrylimide Polyvinylchloride
木
•
材
木材可以看成是一种天然的蜂窝材
料，因为它的微观结构和六边型的人造蜂
窝的孔隙相似。
• 在夹层结构中使用时，要求木材的纤 维方向和面板相垂直，这样，构件的力学 性能和使用人造的蜂窝相似。但是，尽管 可以进行各种各样的化学处理，所有的木 质芯材还是会受到湿气的影响，如果没有 被面材或树脂密封的话，木质芯材会发生 腐烂。
意
荷载的施加方式对夹层结构的影响
•和
•
夹层结构对冲击荷载的承受能力。
夹层结构得以发展的主要原因
• 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，
夹层结构得以发展的主要原因
• 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，
其它泡沫材料
• 聚苯乙烯PS泡沫广泛用在船舶、冲浪板制造行业。虽 然其拥有重量轻（40kg／m3），成本低，易于机械 加工等主要优点，但是因为力学性能差，很少在高性 能结构构件中使用。另外，这种泡沫不能和聚酯树脂 同时使用，因为树脂中含有的苯会溶化泡沫。
• 聚氨酯PU泡沫的力学性能表现一般，树脂芯材的界面 发生老化，导致面板剥离。作为结构材料使用时，常 常是用作构件的加强筋或加劲肋。但是聚氨酯泡沫也 能用作荷载较小情况下的夹层层板中，起到隔热作用。 该类泡沫的使用温度是150℃左右，同时吸声性能好。 泡沫的机械加工成形简单。
线性PVC，即非交联PVC泡沫（例如 AirexR63．80），兼具良好韧性和柔性，可以按 照曲面形状热成形。但是，线性PVC的力学性能、 化学稳定性（耐苯）和热变形性能和交联的PVC泡 沫相比，在相同的密度条件下，相对要低一些。
交联PVC的硬度和脆性较高。在高温下，不 容易变软或发生蠕变。常见的交联PVC产品有 Herex C系列泡沫、DivinycellH和HT泡沫以及 POlimex Klegecell和 Termanto的PVC泡沫。
第 五章 夹层结构设计 Design of sandwich structure
• 1 夹层结构的原理 • 2 夹层结构的特点 • 3 夹层结构的制造技术 • 4 蜂窝的工程弹性常数计算 • 5 夹层结构的失效模式
夹层结构
夹层结构通常是由比较薄的面板与比较厚的芯子胶接而 成。具有质量轻、弯曲刚度与强度大、抗失稳能力强、耐疲 劳、吸音和隔热等优点。
2 夹层材料
面板
选择面板时，主要考虑的是材料的刚度和强度，
• 可选择铝、不锈钢、玻璃钢、天然石材、防火 板装饰板、喷塑金属板,复合材料等，以满足不同 的使用要求。
表1 几种常用板材重量刚性比较
板材种类
厚度(mm)
铝蜂窝夹层板 20
铝板
12.5
钢板
8.75
弯曲刚度 N(m^2/m)
重量(kg)
1.15 x 10^6 6.3 1.15 x 10^6 33.8 1.15 x 10^6 68.7
• 但是对于芯材的选择，首先考虑的是重量。
• 为了是面板在相互之间保持一定距离的同时，面 板能保持稳定，夹心材料有时还必须承受一定的 应力。
• 芯材主要承受的剪应力，有时还存在压应力。
芯子材料选择应遵循的原则有
芯子材料密度低，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。 对于某些特殊构件，要考虑芯子的电性能、导 热性能以及阻燃、防毒和防烟雾性能等。 电性能、导热性以及阻燃、防毒和防烟雾性能 等。
蒙皮，用玻璃钢蜂窝、纸蜂窝及泡沫塑料做夹芯 材料，则称为非金属材料夹层结构。
• 目前，以玻璃钢薄板做蒙皮、玻璃钢蜂窝和泡沫 塑料做芯材的夹层结构应用最广。
夹层结构的特点
• 1)具有大的弯曲刚度/重量比,弯曲强度/重量比 • 2)具有良好的吸声,隔声,隔热性能 • 3)具有大的屈曲临界载荷 • 4)对湿热环境敏感,设计时要防潮密封 • 5)面板对低能冲击敏感 • 6)修补困难
其它泡沫材料
• PMI泡沫适用于多个领域，包括电子，运载火箭，航 空，铁路机车，船舶以及天线，雷达天线罩，体育 器材等。目前在国外的主要应用有：美国的Delta运 载火箭的整流罩，日本三菱的Hll－A运载火箭的整 流罩，日本新干线的火车头，通用、西门子等公司 的医疗床板，Vestas的风力发电机叶片，还有导弹、 直升机和飞机项目。
• 因为在一些特殊情况下，蜂窝会进水。
• 例如，面板出现裂缝以后。在低温下，蜂窝孔隙中 的水冻结，发生膨胀，会破坏相邻的蜂窝孔隙。
泡沫材料
• 聚合物泡沫是一种最常用的芯材。
• 主要有， • 聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PU）、 • 聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸亚胺（PMI）、 • 聚醚酷亚胶（PEL） • 和丙烯腈一苯乙烯（SAN或AS），
目前，主要的夹心材料有
• 蜂窝材料，泡沫材料和木材
蜂窝材料
•
蜂窝材料主要有
• • 铝蜂窝、
•
(芳香聚酰氨)NOMEX蜂窝
•
和普通纸蜂窝。
铝蜂窝
•
是一种强度／重量比最高的结构材料，同时价格也
比较便宜。根据不同的设计和制作工艺，孔隙有不同的
几何形状。通常是六角形。
•
•
铝蜂窝材料一般是未张拉的蜂窝块的形式，在使
FRP面材具备一定的弹性，在冲击荷载过后，恢复到原 来的位置。 • 这将导致在局部区域，面材和芯材脱离，夹层结构的力 学性能降低。
NOMEX蜂窝
• NOMEX蜂窝夹心材料是由芳纶纸浸酚醛树脂制成，在 航天、航空结构、船舶制造中具有广泛的应用领域。
• 和铝蜂窝相比，发生局部屈曲的几率要小得多，因为蜂窝的 壁相对的要厚一些。
比刚度
10.8 5.3 1.0
表2 铝蜂窝板抗风压力能力
幕墙(1m x 2m) 风压300kgf/m^2 风压500kgf/m^2
15mm厚夹层板 变形量5.2mm 20mm厚夹层板 变形量3.7mm
变形量10.5mm 变形量7.1mm
面 板 的 铺 层 方 式
夹心材料
• 选择面板时，主要考虑的是材料的刚度和强度，
• • 另外，因为NOMEX材料不导电，不存在接触腐蚀的问题。
但是和其它芳纶产品一样，不能抵抗紫外线的侵蚀，使用时 外部通常覆有面板，起到一定的防护作用。
在有阻燃要求的一些场合，也有使用酚醛泡沫填充蜂窝 孔隙，提高材料和面材之间的粘结性能和结构隔热性能。例 如，在公共交通工具内使用时。
在航空领域，一些常见的使用NOMEX蜂窝的结构有：
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.
夹层结构分类
• 夹层结构的蒙皮和夹芯材料种类很多， • 如果用铝、钛合金做蒙皮和芯材，则称为金属夹
层结构； • 用玻璃钢薄板，木质胶合板和无机复合材料板做
•
巴萨木的一个缺点是最小密度偏大，通常最小密度值
大约是100kg／m3。但在层会的过程中，巴萨木还要吸
收大量的树脂。为了减少树脂的吸收增加重量，可以预先
用泡沫密封。巴萨木的应用通常限制在那些重量不是要求
很高或局部承载力要求很高的地方。
木• 材
端面巴萨木是最常用的木材芯材。巴萨木最先是在19 世纪40年代，在飞艇的船体中使用铝面板和巴萨木芯材， 抵抗在水面着陆时受到的重复的冲击荷载。随后，开始在 海洋结构中使用端面巴萨木作为FRP结构的芯材。巴萨木 除了具有高的压缩性能，还有很好的隔热性能和隔音性能。 在加热以后，材料不会发生变形，在遇火时，用作隔热层 和烧蚀层，芯层慢慢烧焦，使未遇火的面材保持结构性能。 同时，巴萨木还能提供向上的浮力，其加工工具和设备简 单。巴萨木芯材产品一般有织物背村，3—50mm厚，具 有一定轮廓。刚性端面巴萨木板材的厚度可以达到 100mm。针对真空袋、预浸料工艺或压力基础上的制造 工艺艺过程，例如 RTMI艺，这种板材可以预先采用树脂 涂覆。
舶制造、列车机车等领域，大量使用了夹层结构，
减轻重量，
•
在夹层结构中，使用低密度夹心材料增加层合
板的厚度，从而达到提高材料刚度的目的。
•
这样在重量增加很少的前提下，大幅度的提高
结构的刚度。
一 夹层结构的原理
•
在弯曲荷载下，
•
面层材料主要承担拉应力和压应力，
•
芯材主要承担剪切应力，
•
同时，对于很薄的薄壁夹层结构，还需要注
机翼的前缘和尾翼，起落架舱门、其它各种舱门和 整流罩。
纸蜂窝
•
普通纸蜂窝由于强度很低，吸水，不在复合
材料夹层结构中使用。
蜂窝夹层结构Байду номын сангаас局限性
• 尽管蜂窝夹层结构在结构性能上有突出的优点，但 是航空公司还是在寻找其它更好的材料来代替，
• 原因是蜂窝夹心材料在各种用途的使用过程中需要 昂贵的维护费用。
其它泡沫材料
• 聚醚酸亚胶PEI泡沫，由聚醚酸亚胺／聚醚砜发泡而成， 具有很高的使用温度和良好的防火性能，尽管价位相对 较高，但是这种泡沫可以在有结构要求，高温情况下， 具有防火要求的部位使用。其使用温度在- 194℃到十 180℃之间。由于能满足严格的防火阻燃要求，适合在 飞机和列车内使用。
聚甲基丙烯酸亚胺PMI泡沫是德国德固赛公司生产，商 标是ROHACELL®。在所有的泡沫中，相同密度的条 件下对比，是强度和刚度最高的泡沫。其高温下耐蠕变 性能使得该泡沫能够适用高温固化的树脂和预浸料。 PMI泡沫在适当的高温处理以后，能承受190℃的固化 工艺对泡沫的尺寸稳定性的要求，在航空领域中得到了 广泛的应用。PMI泡沫是采用固体发泡工艺制作，泡沫 的孔隙基本一致、均匀的100％闭孔泡沫。
用现场进行张拉。
•
铝蜂窝夹心材料在一定的重量条件下，可以做得 很薄。然而，这种薄壁可能会导致蜂窝的表面，尤其是 在蜂窝孔隙较大的情况下，发生局部的稳定破坏。
•
除此以外，铝蜂窝和碳纤维同时使用，由于这两种
材料都不是绝缘材料，会发生接触腐蚀。对蜂窝材料作
接触腐蚀的内部检查成本很高。
铝蜂窝
• 通过敲击可以初步检查蜂窝材料的质量和损坏情况。 • 铝蜂窝材料还有一个缺陷就是没有“力学记忆”。 • 夹心层板受到冲击以后，蜂窝的变形是不可恢复，然而，
• 密度从30kg／m3到300kg／m3不等。
• 通常在复合材料中，使用的泡沫密度在 40kg／m3 － 200kg／m3之间。
聚氯乙烯PVC泡沫
• 聚氯乙烯PVC泡沫是一种闭孔泡沫。严格的讲，它实际 上是PVC和聚氨酯混合物，但常常都简单的说成PVC泡沫。
• PVC泡沫具有综合的静力和动力性能，不易受潮。使用 温度在-240℃－＋80℃，并且能够耐多种化学物质腐蚀。