【复合材料夹层结构分析】

第五章夹层结构设计Designofsandwichstructure•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。夹层结构Asandwichpanel(12mmthickness)withanaluminiumfoamcoreandtwosteelfaceplatesSweden(a)TheBeechStarship(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。•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，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)修补困难面板•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。2夹层材料选择面板时，主要考虑的是材料的刚度和强度，表1几种常用板材重量刚性比较板材种类厚度(mm)弯曲刚度N(m^2/m)重量(kg)比刚度铝蜂窝夹层板201.15x10^66.310.8铝板12.51.15x10^633.85.3钢板8.751.15x10^668.71.0幕墙(1mx2m)风压300kgf/m^2风压500kgf/m^215mm厚夹层板变形量5.2mm变形量10.5mm20mm厚夹层板变形量3.7mm变形量7.1mm表2铝蜂窝板抗风压力能力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，•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。芯子材料选择应遵循的原则有目前，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。•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，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。铝蜂窝•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。••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：机翼的前缘和尾翼，起落架舱门、其它各种舱门和整流罩。NOMEX蜂窝纸蜂窝•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。蜂窝夹层结构的局限性•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。•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。•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），•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。泡沫材料聚氯乙烯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。•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）。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HerexC系列泡沫、DivinycellH和HT泡沫以及POlimexKlegecell和Termanto的PVC泡沫。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。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。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。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。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ATCCore．Cell公司的A一系列泡沫。FoamcorematerialPVC:PolyvinylchloridePMI:Polymethacrylimide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。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。•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•另外一种常用作夹层结构芯材的木材是松木。•船舶结构中，常常以松木条板，加上复合材料面板。松木的木材纤维方向和层板的面板平行。松木纤维沿船的长度方向，提供纵向的刚度，在FRP面材中纤维以±45℃向铺放，提供扭转刚度，保护木材芯层。其它芯材材料•虽然通常这些材料不是真正意义上的夹层结构芯材，但是也常用一些低密度、薄层织物降低单层层板的密度。•例如，CorematTM和SpheretexTM等含有大量孔隙的无纺布毡。厚度通常只有1一3mm厚，象层板中的一个层，在铺设过程中，铺层树脂会浸润无纺布毡。•这样树脂代替孔隙以后，中间织物的重量和泡沫或蜂窝相比，要