夹芯结构材料

夹芯结构材料（sandwich material），又叫夹层结构材料，是一种复合材料夹层结构。

简介夹芯结构材料（sandwich material），又叫夹层结构材料，是一种复合材料夹层结构，英国最早于1938年应用于蚊式轰炸机的制造。

构成夹层结构材料通常由上面板、上胶合层、芯材、下胶合层、下面板构成。

特点夹层结构材料的整体受力原理类似工字梁。夹层结构材料的面板承受由弯矩引起的面内正应力和面内剪切应力，芯材主要承受由面板传来的横向剪切应力，与此同时还具有稳定两块面板，防止局部屈服的作用。 夹层结构材料具有优良的比刚度和比强度，即在同等刚度和强度下，重量更低。此外，夹层结构材料还具有削弱噪音与震动、隔热、抗疲劳、阻燃、吸声、隔震等优点。夹层结构材料通过合理选择芯材和面板，可以有效降低材料的单位体积成本。

种类常用的夹层结构材料芯材主要分为三类：硬质泡沫、蜂窝和轻木。1

1)硬质泡沫：

主要有聚氯乙烯（PVC）：实际是聚氯乙烯与聚氨酯混合物，具有较好的静力学和动力学性能，可用于承载要求高的产品。市场上常见的夹层结构材料芯材主要有AIREX和DIAB品牌。

聚醚酰亚胺（PEI）：具有较好的防火、阻燃性能，适用于航空与轨道交通领域，市场常见的PEI泡沫芯材为AIREX R82。

聚氨酯（PU）：其力学性能一般，但加工及发泡成型较容易且价格低廉，因此常用于载荷较小情况下的夹层结构材料。

聚乙烯（PET）：综合性能较PVC泡沫差，但更加环保且成本较低。市场常见的PET泡沫芯材有AIREX T90和T91。

聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）：具有较高的强度和刚度，在经过高温处理后，可承受190℃固化工艺对泡沫的尺寸稳定性要求。常用于航空领域。市场常见的PMI泡沫是德固赛公司的ROHACELL系列。

2)蜂窝： 常见的蜂窝芯材有NOMEX蜂窝、铝蜂窝、棉布蜂窝、玻璃布蜂窝等。蜂窝芯材具有较好的强度和刚度，但由于蜂窝芯材存在孔洞，因此和面板的粘连效果不如泡沫芯材。

3)轻木： 轻木芯材是一类天然可再生芯材，原料为巴尔沙轻木，具有密度小、生长快、强度好、韧性好的特点，因此比较适合作为夹层结构材料的芯材。市场较常见的轻木芯材BALTEK公司的SB系列产品。

复合材料复合材料是由金属材料、陶瓷材料或高分子材料等两种或两种以上的材料经过复合工艺而制备的多相材料，各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。 复合材料由连续相的基体和被基体包容的相增强体组成。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、单晶晶须、金属丝和硬质细粒等。同时60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度大于4×10cm，比模量大于4×10cm。为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别，这种复合材料被称为先进复合材料（新材料，Advanced Composites Material，简称ACM）。ACM具有质量轻，较高的比强度、比模量、较好的延展性、抗腐蚀、隔热、隔音、减震、耐高（低）温等特点，已被大量运用到航空航天、医学、机械、建筑等行业。

应用通常夹层结构材料的强度要高于单独的面板材料或芯材刚度、强度，且重量、成本等均低于单一材料，因此被广泛应用于建筑、公路运输、轨道交通、航空、传播、风电等领域。2

芯材是风电叶片关键材料之一，在叶片的前缘、后缘以及腹板等部位，一般采用夹层结构来增加结构刚度，防止局部失稳，提高整个叶片的抗载荷能力。叶片常用芯材为 PVC 泡沫和 Balsa。随着风电市场的日趋成熟，叶片向大型化方向发展，对叶片的重量、质量、成本以及材料的一致性提出新的要求。现已开发出不同的新型芯材，逐渐在风能行业中得到应用和认可，主要包括聚对苯二甲酸乙二醇酯泡沫（PET）、聚甲基丙烯酰亚胺泡沫（PMI）、聚醚酰亚胺泡沫（PEI）、丙烯腈-苯乙烯泡沫（SAN）、聚苯乙烯泡沫（PS）、纤维增强复合材料芯材等。对于芯材，除了要求优异的力学性能外，还需考虑芯材的加工、承受的温度、制品形状以及在叶片中使用的工艺性能。

本词条内容贡献者为:

曹慧慧 - 副教授 - 中国矿业大学