夾芯結構材料

夾芯結構材料(sandwich material),又叫夾層結構材料,是一種複合材料夾層結構,英國最早於1938年應用於蚊式轟炸機的製造。夾層結構材料通常由上面板、上膠合層、芯材、下膠合層、下面板構成。通常夾層結構材料的強度要高於單獨的面板材料或芯材剛度、強度,且重量、成本等均低於單一材料,因此被廣泛應用於建築、公路運輸、軌道交通、航空、傳播、風電等領域。

特點

夾層結構材料的整體受力原理類似工字梁。夾層結構材料的面板承受由彎矩引起的面內正應力和面內剪切應力,芯材主要承受由面板傳來的橫向剪切應力,與此同時還具有穩定兩塊面板,防止局部屈服的作用[1]。 夾層結構材料具有優良的比剛度和比強度,即在同等剛度和強度下,重量更低。此外,夾層結構材料還具有削弱噪音與震動、隔熱、抗疲勞、阻燃、吸聲、隔震等優點。夾層結構材料通過合理選擇芯材和面板,可以有效降低材料的單位體積成本。

種類

常用的夾層結構材料芯材主要分為三類:硬質泡沫、蜂窩和輕木[2]
1)硬質泡沫

  • 主要有聚氯乙烯(PVC):實際是聚氯乙烯與聚氨酯混合物,具有較好的靜力學和動力學性能,可用於承載要求高的產品。市場上常見的夾層結構材料芯材主要有AIREX和DIAB品牌。
  • 聚醚酰亞胺(PEI):具有較好的防火、阻燃性能,適用於航空與軌道交通領域,市場常見的PEI泡沫芯材為AIREX R82。
  • 聚氨酯(PU):其力學性能一般,但加工及發泡成型較容易且價格低廉,因此常用於載荷較小情況下的夾層結構材料。
  • 聚乙烯(PET):綜合性能較PVC泡沫差,但更加環保且成本較低。市場常見的PET泡沫芯材有AIREX T90和T91。
  • 聚甲基丙烯酰亞胺(PMI):具有較高的強度和剛度,在經過高溫處理後,可承受190℃固化工藝對泡沫的尺寸穩定性要求。常用於航空領域。市場常見的PMI泡沫是德固賽公司的ROHACELL系列。

2)蜂窩: 常見的蜂窩芯材有NOMEX蜂窩、鋁蜂窩、棉布蜂窩、玻璃布蜂窩等。蜂窩芯材具有較好的強度和剛度,但由於蜂窩芯材存在孔洞,因此和面板的粘連效果不如泡沫芯材。

3)輕木: 輕木芯材是一類天然可再生芯材,原料為巴爾沙輕木,具有密度小、生長快、強度好、韌性好的特點,因此比較適合作為夾層結構材料的芯材。市場較常見的輕木芯材BALTEK公司的SB系列產品。

參考文獻

  1. ^ 張鐵亮. 衛星夾層結構分析與結構設計研究. 南京航空航天大學,博士學位論文,2011
  2. ^ 姚輝. 風電葉片用夾芯材料的現狀和發展趨勢. 中國複合材料通訊,2009,第3期