复合材料夹层结构基本原理

前言 我国复合材料工业的发展起始于20世纪50年代，经过50余年的发展，由于“轻质高强”的优异性能，其应用领域已由最初的航空航天和国防业渗透到了当今国民经济的各个领域，如化工管罐，运动器材，汽车部件，建筑，船艇，轨道交通，风力发电叶片等等。随着复合材料应用领域的扩展，产品的尺寸不断变大，夹层结构的应用也越来越广泛。

1 复合材料夹层结构基本原理

复合材料夹层结构由强度很高的面层和强度较低的轻质夹芯材料组成，在弯曲荷载下，上下面层承担主要的拉应力和压应力，芯材主要承担剪切应力。芯材的力学作用机理是连接面层使之成为整体构件，让薄而强的面层在承担较高拉压应力的同时不发生屈曲，并将剪切力从面层传向内层。以面层厚度相等的单夹层结构在弯曲载荷作用下的响应为例，来说明夹层结构的基本原理。

1.1 面层和芯材的拉、压应力分布

在弯曲载荷作用下，假设面层和芯材的界面没有损坏，即在界面处的变形是连续的，且材料处于线弹性范围内，则夹层结构产生的拉压应变分布如图1所示。

由于面层和芯材的弹性模量不同，所以其应力分布会发生突变，面层的拉、压应力远大于芯材的拉、压应力，如图2所示。

图2 截面拉、压应力分布

根据材料力学梁的弯曲理论，根据夹层结构的几何数据和各部分材料的弹性模量可以算出结构的等效刚度（EI）eq，则面层和芯材部位产生的拉、压应力如下：

（1）

（2）

式中，M：夹层结构承受的弯矩

y：离中性轴的距离

Ef：面层的弹性模量

Ec：夹芯材料的弹性模量

1.2 面层和芯材的剪应力分布

根据材料力学梁的弯曲理论，夹层结构中的剪应力分布如图3所示。

图3 剪应力分布 图4简化后的剪应力分布

在工程实践中，为便于计算，可以对其进行线性简化，如图4所示。那么剪应力可按下式进行简化计算：

（3）

（4）

式中，Q：截面承受的剪力

b：夹层结构梁的宽度 c：芯材的高度

1.3 面层和芯材的匹配

从上面的分析可以看到，面层承担了大部分的拉、压力，芯材承担了大部分的剪力。而面层的强度和刚度都远大于夹芯材料，对于夹层结构设计人员来说，如何能够使这两种力学性能大相径庭的材料完美的结合在一起，充分发挥各自的优点，即满足使用要求，又不浪费材料？ 在夹层结构受弯情况下，夹层结构主要是靠芯材的剪切来传递直接施加在面层上的力，在复合材料夹层结构中，FRP面层的模量和强度都很高，只有高剪切强度和大剪切断裂延伸率的芯材才适用，如常用的PVC、PET、SAN、PEI、PMI等泡沫芯材。要根据夹层结构在使用中可能的受力状况，选用适当种类和密度的芯材，合理设计面层和芯材的厚度，按照前面介绍的应力计算方法，或用相关的有限元分析软件，进行反复的计算验证，最终达到较优的设计方案。

若选用剪切强度低，或是剪切断裂延伸率小的芯材，则芯材破坏时，面层可能只发挥了1%不到的强度，则会造成材料的浪费。

1.4 胶粘剂的选用

用于粘接面层和夹芯材料的胶粘剂要有足够的剪切强度和韧性，保证粘接层不先于芯材而破坏，才能把剪切应力从面层传递到芯材，最终保持夹层结构的整体性。另外，胶粘剂不能与芯材或面层发生化学反应，其固化成型温度不能影响芯材和面层的性能。

2 夹芯材料基本力学性能

前面提到，只有剪切性能高的芯材才适用于复合材料夹层结构。市场最常用的是硬质泡沫塑料

和balsa轻木。总体来说，轻木力学性能高，但离散性大，由于来自特定地区的天然木材，产量有一定；泡沫芯材力学性能一般低于轻木，但性能十分稳定，且可以随市场需求不断的提高产量。另外，作为结构芯材的还有各类蜂窝，玻璃钢梯形板等。 2.1 泡沫芯材

目前，市场上常用的泡沫芯材主要有PVC、PET、PEI、PMI、SAN等，目前在复合材料夹层结构中应用最多的是PVC泡沫芯材。Airex公司的C70系列PVC泡沫为市场主流PVC产品，密度范围从40~200 kg／m3，以此为例来说明其基本力学性能。

本文对Airex公司C70系列PVC泡沫的压缩强度、压缩模量，剪切强度、剪切模量，拉伸强度和拉伸模量等力学性能与密度的关系进行了分析。表1为此PVC泡沫系列产品的力学性能数据。

表1 Airex C70泡沫力学性能

性能 单位 ρ

C70.40 C70.48 C70.55

48 0.6 48 0.55

60 0.9 69 0.85

C70.75 C70.90 C70.130 C70.200 80 1.45 104 1.2

100 1.9 125 1.6

130 2.8 170 2.3

200 5.2 280 3.5

kg/m³ 40

σ- N/mm² 0.45 E- τ

N/mm² 37 N/mm² 0.45

G N/mm² 13 16

s