1、第第 五章五章 夹层结构设计夹层结构设计Design of sandwich structure 1 夹层结构的原理夹层结构的原理 2 夹层结构的特点夹层结构的特点 3 夹层结构的制造技术夹层结构的制造技术 4 蜂窝的工程弹性常数计算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、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。耐疲劳、吸音和隔热等优点。A sandwich panel(12 mm thick
2、ness)with an aluminium foam core and two steel faceplates Sweden(a)The Beech Starship (b)Voyager 一一 夹层结构的原理夹层结构的原理 在航空、风力发电机叶片、体育运动器材、船在航空、风力发电机叶片、体育运动器材、船舶制造、列车机车等领域，大量使用了舶制造、列车机车等领域，大量使用了夹层结构，夹层结构，减轻重量减轻重量，在夹层结构中，在夹层结构中，使用低密度夹心材料增加层合使用低密度夹心材料增加层合板的厚度板的厚度，从而达到，从而达到提高材料刚度的目的提高材料刚度的目的。这样在这样在重量增加很少重量增
3、加很少的前提下，大幅度的的前提下，大幅度的提高提高结构的刚度结构的刚度。一一 夹层结构的原理夹层结构的原理 在弯曲荷载下，在弯曲荷载下，面层材料主要承担拉应力和压应力，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，芯材主要承担剪切应力，同时，对于很薄的薄壁夹层结构，还需要注同时，对于很薄的薄壁夹层结构，还需要注意意 荷载的施加方式对夹层结构的影响荷载的施加方式对夹层结构的影响 和和 夹层结构对冲击荷载的承受能力夹层结构对冲击荷载的承受能力。采用夹层结构方式采用夹层结构方式是为了提高材料的有效利用率是为了提高材料的有效利用率和减轻结构重量，和减轻结构重量，以梁板构件为例，在使用过程中，以
4、梁板构件为例，在使用过程中，一要满足强度要求一要满足强度要求，二要满足刚度的需要二要满足刚度的需要，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 玻璃钢材料的特点是强度高，模量玻璃钢材料的特点是强度高，模量低。低。因此，用单一的玻璃钢材料制造梁板，因此，用单一的玻璃钢材料制造梁板，满足强度要求时满足强度要求时，挠度往往很大挠度往往很大，如果按如果按允许挠度进行设计允许挠度进行设计，则，则强度大大超过，造成浪费强度大大超过，造成浪费。只有采用夹层结构形式进行设计，才能只有采用夹层结构形式进行设计，才能合理的解决这一合理的解决这一矛盾矛盾。这也是夹层结构得以发展的主要原因这也是夹层结构得以
5、发展的主要原因.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分类 夹层结构的夹层结构的蒙皮和夹芯材料蒙皮和夹芯材料种类很多，种类很多，如果用铝、钛合金做蒙皮和芯材，则称为如果用铝、钛合金做蒙皮和芯材，则称为金属夹金属夹层结构层结构；用玻璃钢薄板，木质胶合板和无机复合材料板做用玻璃钢薄板，木质胶合板和无机复合材料板做蒙皮蒙皮，用玻璃钢蜂窝、纸蜂窝及泡沫塑料做，用玻璃钢蜂窝、纸蜂窝及泡沫塑料做夹芯夹芯材料材料，则称为，则称为非金属材料夹层结构非金属材料夹层结构。目前，以目前，以玻璃钢薄板做蒙皮玻璃钢薄板做蒙皮、玻璃钢蜂窝和泡沫玻璃钢蜂窝和泡沫塑料塑料做芯材的夹层结构应用
6、最广。做芯材的夹层结构应用最广。夹层结构的特点夹层结构的特点 1)具有大的弯曲刚度具有大的弯曲刚度/重量比重量比,弯曲强度弯曲强度/重量比重量比 2)具有良好的吸声具有良好的吸声,隔声隔声,隔热性能隔热性能 3)具有大的屈曲临界载荷具有大的屈曲临界载荷 4)对湿热环境敏感对湿热环境敏感,设计时要防潮密封设计时要防潮密封 5)面板对低能冲击敏感面板对低能冲击敏感 6)修补困难修补困难面面 板板 可选择铝、不锈钢、玻璃钢、天然石材、防火可选择铝、不锈钢、玻璃钢、天然石材、防火板装饰板、喷塑金属板板装饰板、喷塑金属板,复合材料等，以满足不同复合材料等，以满足不同的使用要求。的使用要求。2 夹层材料夹
7、层材料选择面板时，主要考虑的是选择面板时，主要考虑的是材料的刚度和强度材料的刚度和强度，表表1 几种常用板材重量刚性比较几种常用板材重量刚性比较板材种类板材种类厚度厚度(mm)弯曲刚度弯曲刚度N(m2/m)重量重量(kg)比刚度比刚度铝蜂窝夹层板铝蜂窝夹层板201.15 x 1066.310.8铝板铝板12.51.15 x 10633.85.3钢板钢板8.751.15 x 10668.71.0幕墙幕墙(1m x 2m)风压风压300kgf/m2风压风压500kgf/m215mm厚夹层板厚夹层板变形量变形量5.2mm变形量变形量10.5mm20mm厚夹层板厚夹层板变形量变形量3.7mm变形量变形
8、量7.1mm表表2 铝蜂窝板抗风压力能力铝蜂窝板抗风压力能力 面面板板的的铺铺层层方方式式夹心材料夹心材料 选择面板时，主要考虑的是选择面板时，主要考虑的是材料的刚度和强度材料的刚度和强度，但是对于芯材的选择，首先考虑的但是对于芯材的选择，首先考虑的是重量是重量。为了是为了是面板在相互之间保持一定距离的同时，面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板能保持稳定，夹心材料有时还必须承受一定的应力。应力。芯材主要承受的剪应力，有时还存在压应力。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；芯子材料密度低，有足够的强度和刚度；胶接
9、性能好；胶接性能好；与面板的电性能相匹配，避免电偶腐蚀；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。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。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、防毒和防烟雾性能电性能、导热性以及阻燃、防毒和防烟雾性能等。等。芯子材料选择应遵循的原则有芯子材料选择应遵循的原则有目前，主要的夹心材料有目前，主要的夹心材料有 蜂窝材料，泡沫材料和木材蜂窝材料，泡沫材料和木材蜂窝材料蜂窝材料 蜂窝材料蜂窝材料主要有主要有 铝蜂窝、铝蜂窝、(芳香聚酰氨芳
10、香聚酰氨)NOMEX蜂窝蜂窝 和普通纸蜂窝。和普通纸蜂窝。是是一种强度重量比最高的结构材料，同时价格也一种强度重量比最高的结构材料，同时价格也比较便宜比较便宜。根据不同的设计和制作工艺，孔隙有不同的。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。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
11、下，发生局部的稳定破坏。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，除此以外，铝蜂窝和碳纤维同时使用，由于这两种由于这两种材料都不是绝缘材料，会发生接触腐蚀材料都不是绝缘材料，会发生接触腐蚀。对蜂窝材料作。对蜂窝材料作接触腐蚀的接触腐蚀的内部检查成本很高内部检查成本很高。铝蜂窝铝蜂窝 通过敲击可以初步检查蜂窝材料的质量和损坏情况。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铝蜂窝材料还有一个缺陷就是就是没有没有“力学记忆力学记忆”。夹心层板受到冲击以后，蜂窝的变形是不可恢复，然而，夹心层板受到冲击以后，蜂窝的变形是不可恢复，然而，FRP
12、面材具备一定的弹性，在冲击荷载过后，恢复到原面材具备一定的弹性，在冲击荷载过后，恢复到原来的位置。来的位置。这将导致在局部区域，这将导致在局部区域，面材和芯材脱离面材和芯材脱离，夹层结构的力，夹层结构的力学性能降低。学性能降低。铝蜂窝铝蜂窝 NOMEX蜂窝夹心材料蜂窝夹心材料是由芳纶纸浸酚醛树脂制成，在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。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。壁相对的要厚一些。另外，因为另外，因为NOMEX材料不
13、导电，不存在接触腐蚀的问题。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但是和其它芳纶产品一样，不能抵抗紫外线的侵蚀，使用时，使用时外部通常覆有面板，起到一定的防护作用。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。如，在公共交通工具内使用时。在航空领域，一些常见的使用在航空领域，一些常见的使用NOMEX蜂窝的结构有：蜂窝的结构有：机翼的前缘和
14、尾翼，起落架舱门、其它各种舱门和机翼的前缘和尾翼，起落架舱门、其它各种舱门和整流罩。整流罩。NOMEX蜂窝蜂窝纸蜂窝纸蜂窝 普通纸蜂窝由于强度很低，吸水，不在复合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。材料夹层结构中使用。蜂窝夹层结构的局限性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，但尽管蜂窝夹层结构在结构性能上有突出的优点，但是是航空公司还是在寻找其它更好的材料来代替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昂贵的维护费用。因为在一些特殊情况下，因为在一
15、些特殊情况下，蜂窝会进水蜂窝会进水。例如，例如，面板出现裂缝以后。在低温下，蜂窝孔隙中面板出现裂缝以后。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。聚合物泡沫是一种最常用的芯材。主要有，主要有，聚氯乙烯（聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（）、聚氨酯（PU）、）、聚苯乙烯（聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸亚胺（）、聚甲基丙烯酸亚胺（PMI）、）、聚醚酷亚胶（聚醚酷亚胶（PEL）和丙烯腈一苯乙烯和丙烯腈一苯乙烯（SAN或或AS），），密度从密度从30kgm3到到300kgm3不等。不等。通常在复合材料中，使用的泡沫密度
16、在通常在复合材料中，使用的泡沫密度在 40kgm3 200kgm3之间。之间。泡沫材料泡沫材料聚氯乙烯聚氯乙烯PVC泡沫泡沫 聚氯乙烯聚氯乙烯PVC泡沫是一种闭孔泡沫。严格的讲，它实际泡沫是一种闭孔泡沫。严格的讲，它实际上是上是PVC和聚氨酯混合物，但常常都简单的说成和聚氨酯混合物，但常常都简单的说成PVC泡沫。泡沫。PVC泡沫具有综合的静力和动力性能，不易受潮。使用泡沫具有综合的静力和动力性能，不易受潮。使用温度在温度在-24080，并且能够耐多种化学物质腐蚀。，并且能够耐多种化学物质腐蚀。尽管尽管PVC泡沫是可燃材料，但是阻燃类型的泡沫是可燃材料，但是阻燃类型的PVC泡沫可泡沫可以在具有防
17、火严格要求的结构中，例如列车。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。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，需要注意固化工艺方法时，需要注意PVC泡沫在温度升高时会释放泡沫在温度升高时会释放孔隙气体。孔隙气体。聚氯乙烯聚氯乙烯PVC泡沫泡沫 有两种主要的有两种主要的PVC泡沫，泡沫，一种是交联一种是交联，另外一另外一种是非交联（有时也叫做线性种是非交联（有时也叫做线性PVC泡沫）泡沫）。线性线性PVC，即非交联，即非交联PVC泡沫（例如泡沫（
18、例如AirexR6380），兼具良好韧性和柔性，可以按），兼具良好韧性和柔性，可以按照曲面形状热成形。但是，线性照曲面形状热成形。但是，线性PVC的力学性能、的力学性能、化学稳定性（耐苯）和热变形性能和交联的化学稳定性（耐苯）和热变形性能和交联的PVC泡泡沫相比，在相同的密度条件下，相对要低一些。沫相比，在相同的密度条件下，相对要低一些。交联交联PVC的硬度和脆性较高。在高温下，不的硬度和脆性较高。在高温下，不容易变软或发生蠕变。常见的交联容易变软或发生蠕变。常见的交联PVC产品有产品有 Herex C系列泡沫、系列泡沫、DivinycellH和和HT泡沫以及泡沫以及 POlimex Kleg
19、ecell和和 Termanto的的PVC泡沫泡沫。其它泡沫材料其它泡沫材料 聚苯乙烯聚苯乙烯PS泡沫泡沫广泛用在船舶、冲浪板制造行业。广泛用在船舶、冲浪板制造行业。虽然其拥有重量轻（虽然其拥有重量轻（40kgm3），成本低，易于机），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。脂同时使用，因为树脂中含有的苯会溶化泡沫。聚氨酯聚氨酯PU泡沫泡沫的力学性能表现一般，树脂芯材的界面的力学性能表现一般，树脂
20、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。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该类泡沫的使用温度是150左右，同时吸声性能好。左右，同时吸声性能好。泡沫的机械加工成形简单。泡沫的机械加工成形简单。其它泡沫材料其它泡沫材料 聚醚酸亚胶聚醚酸亚胶PEI泡沫泡沫，由，由聚聚醚酸亚胺聚醚砜发泡而成，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，尽管价位相对具有
21、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，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。其使用温度在具有防火要求的部位使用。其使用温度在-194到十到十180之间。由于能满足严格的防火阻燃要求，适合在之间。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。飞机和列车内使用。聚甲基丙烯酸亚胺聚甲基丙烯酸亚胺PMI泡沫泡沫是德国德固赛公司生产，商是德国德固赛公司生产，商标是标是ROHACELL。在所有的泡沫中，相同密度的条。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。其高温下耐蠕变件下对比，是强度和刚
22、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。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，能承受泡沫在适当的高温处理以后，能承受190的固化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。广泛的应用。PMI泡沫是采用固体发泡工艺制作，泡沫泡沫是采用固体发泡工艺制作，泡沫的孔隙基本一致、均匀的的孔隙基本一致、均匀的100闭孔泡沫闭孔泡沫。其它泡沫材料其它泡沫材料 PMI泡沫适用于多个领域泡沫适用于多个领域，包括电子，运载火箭，航，包括电子，运载火箭，航空，铁路机车，船舶
23、以及天线，雷达天线罩，体育空，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：美国的器材等。目前在国外的主要应用有：美国的Delta运运载火箭的整流罩，日本三菱的载火箭的整流罩，日本三菱的HllA运载火箭的整运载火箭的整流罩，日本新干线的火车头，通用、西门子等公司流罩，日本新干线的火车头，通用、西门子等公司的医疗床板，的医疗床板，Vestas的风力发电机叶片，还有导弹、的风力发电机叶片，还有导弹、直升机和飞机项目。直升机和飞机项目。丙烯腈一苯乙烯丙烯腈一苯乙烯SAN泡沫泡沫，性能和韧性与增强后的，性能和韧性与增强后的交联交联PVC泡沫相似，具有交联泡沫相似，具有交联PV
24、C的大部分静力特的大部分静力特性，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增强后的交联PVC相比，抗冲击性能因此也更好。相比，抗冲击性能因此也更好。和韧性增强的和韧性增强的PVC不同，不同，PVC是使用塑性剂来提高是使用塑性剂来提高聚合物的韧性，而聚合物的韧性，而SAN泡沫是聚合物本身具有的韧泡沫是聚合物本身具有的韧性特点，不会发生老化。性特点，不会发生老化。其它泡沫材料其它泡沫材料 在大多数应用场合，可以用在大多数应用场合，可以用SAN泡沫泡沫代替线代替线性性PVC泡沫，因为泡沫，因为SAN泡沫具有部分线性泡沫具有部分线性PVC的韧的韧
25、性和延伸率的同时，还有更好的耐高温性能和静力性和延伸率的同时，还有更好的耐高温性能和静力性能。性能。SAN泡沫能够热成形，可以方便的构筑结构泡沫能够热成形，可以方便的构筑结构的曲面。的曲面。热稳定型的热稳定型的SAN泡沫也能和低温固化预浸料泡沫也能和低温固化预浸料共同使用，常见的共同使用，常见的SAN泡沫产品有泡沫产品有ATC CoreCell公司的公司的A一系列泡沫。一系列泡沫。Foam core material PVC:PolyvinylchloridePMI:Polymethacrylimide木材 木材可以看成是一种木材可以看成是一种天然的蜂窝材天然的蜂窝材料料，因为它的微观结构和六
26、边型的人造蜂，因为它的微观结构和六边型的人造蜂窝的孔隙相似。窝的孔隙相似。在夹层结构中使用时，要求木材的纤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，可以进行各种各样的化学处理，所有的木所有的木质芯材还是会受到湿气的影响，如果没有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，木质芯材会发生被面材或树脂密封的话，木质芯材会发生腐烂。腐烂。木木材材 端面巴萨木是最常用的木材芯材端面巴萨木是最常用的木材芯材。巴萨木巴萨木最先是在最
27、先是在19世纪世纪40年代，在飞艇的船体中使用铝面板和巴萨木芯材，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海洋结构中使用端面巴萨木作为FRP结构的芯材。巴萨木结构的芯材。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。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。和烧蚀层，芯层慢慢烧焦，使未遇火的面
28、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单。巴萨木芯材产品一般有织物背村，350mm厚，具厚，具有一定轮廓。刚性端面巴萨木板材的厚度可以达到有一定轮廓。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。针对真空袋、预浸料工艺或压力基础上的制造工艺艺过程，例如工艺艺过程，例如 RTMI艺，这种板材可以预先采用树脂艺，这种板材可以预先采用树脂涂覆。涂覆。巴萨木的一个缺点是最小密度偏大，通常最小密度值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大约是
29、100kgm3。但在层会的过程中，巴萨木还要吸。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。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另外一种常用作夹层结构芯材的木材是是松木松木。船舶结构中，常常以松木条板，加上船舶结构中，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，
30、板的面板平行。松木纤维沿船的长度方向，提供纵向的刚度，在提供纵向的刚度，在FRP面材中纤维以面材中纤维以45向铺放，提供扭转刚度，保护木材向铺放，提供扭转刚度，保护木材芯层。芯层。其它芯材材料其它芯材材料 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。单层层板的密度。例如，例如，CorematTM和和SpheretexTM等含有等含有大量孔隙的无纺布毡。厚度通常只有大量孔隙的无纺布毡。厚度通常只有1一一3mm厚，厚，象层板中的一个层，在铺设过程中，铺层树脂会象层板中
31、的一个层，在铺设过程中，铺层树脂会浸润无纺布毡。浸润无纺布毡。这样树脂代替孔隙以后，中间织物的重量和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，要重得多，但是和相同厚度的泡沫或蜂窝相比，要重得多，但是和相同厚度的玻璃纤维层合板相比，要轻一些。玻璃纤维层合板相比，要轻一些。由于很薄，它很容易做成二维曲面，操作方由于很薄，它很容易做成二维曲面，操作方便简单。便简单。NOMEX、铝蜂窝产品、铝蜂窝产品BAMTRI NRH型芳纶纸蜂窝芯材常用规格/性能(Mpa)规规格格边长密度边长密度平面压缩平面压缩纵向剪切纵向剪切横向剪切横向剪切强度强度模量模量强度强度模量模量强度强度模量模量2.0-29
32、0.58/0.3820.60.218.92.0-481.63107.01.1637.80.6322.82.0-804.77241.31.5568.21.4435.73.0-481.81107.61.1536.90.7023.83.0-804.74219.02.5163.41.5841.04.0-320.8565.80.6121.80.4215.54.0-481.74117.71.5344.50.7421.84.0-643.01137.01.9145.11.1129.15.0-240.4942.70.4317.90.249.285.0-562.09128.61.645.40.9527.3夹层结构
33、中的胶粘剂分为板芯胶、芯与骨架夹层结构中的胶粘剂分为板芯胶、芯与骨架元件（如梁、肋）粘接胶以及芯子与芯子拼元件（如梁、肋）粘接胶以及芯子与芯子拼接胶三类，接胶三类，其中板芯胶最为重要。其中板芯胶最为重要。胶粘剂3 玻璃钢夹层结构玻璃钢夹层结构 由于玻璃钢夹层结构的强度高，重量轻，刚度由于玻璃钢夹层结构的强度高，重量轻，刚度大，耐腐蚀，电绝缘及透微波等，大，耐腐蚀，电绝缘及透微波等，目前已广泛用于目前已广泛用于航空工业和宇航工业的飞机、航空工业和宇航工业的飞机、导弹、飞船及样板、屋面板，能大幅度的减轻建筑导弹、飞船及样板、屋面板，能大幅度的减轻建筑物的重量和改善使用功能物的重量和改善使用功能。透
34、明玻璃钢夹层结构板透明玻璃钢夹层结构板，已广泛用于寒冷地区，已广泛用于寒冷地区的工业厂房、大型公用建筑及温室的采光屋顶。的工业厂房、大型公用建筑及温室的采光屋顶。应用3 玻璃钢夹层结构玻璃钢夹层结构 在造船和交通领域，玻璃钢夹层结构广泛用于玻璃在造船和交通领域，玻璃钢夹层结构广泛用于玻璃钢潜艇、扫雷艇、游艇中的许多构件。钢潜艇、扫雷艇、游艇中的许多构件。我国设计制造的玻璃钢过街人行桥、公路桥、汽车我国设计制造的玻璃钢过街人行桥、公路桥、汽车和火车保温泠藏车等，均采用了玻璃钢夹层结构，和火车保温泠藏车等，均采用了玻璃钢夹层结构，满足了重量轻、强度高、刚度大、隔热、保温等多满足了重量轻、强度高、刚
35、度大、隔热、保温等多性能要求。性能要求。在要求在要求透微波的雷达罩透微波的雷达罩中，玻璃钢夹层结构已成为中，玻璃钢夹层结构已成为其它材料不能与之相比的专用材料。其它材料不能与之相比的专用材料。应用应用玻璃钢夹层结构的种类与特点玻璃钢夹层结构的种类与特点 根据夹层结构所用的芯材种类和形式不同，玻璃钢根据夹层结构所用的芯材种类和形式不同，玻璃钢夹层结构分为：夹层结构分为：泡沫夹层结构，泡沫夹层结构，蜂窝夹层结构，蜂窝夹层结构，梯形板夹层结构，梯形板夹层结构，矩形夹层结构矩形夹层结构 圆形夹层结构圆形夹层结构。玻璃钢夹层结构的种类与特点玻璃钢夹层结构的种类与特点（1）泡沫塑料夹层结构泡沫塑料夹层结构
36、 泡沫塑料夹层结构是采用玻璃钢薄板作蒙皮泡沫塑料夹层结构是采用玻璃钢薄板作蒙皮（面板），泡沫塑料做夹芯层，泡沫塑料夹层结构的（面板），泡沫塑料做夹芯层，泡沫塑料夹层结构的最大特点是蒙皮和泡沫塑料夹芯层粘接牢固、受力不最大特点是蒙皮和泡沫塑料夹芯层粘接牢固、受力不大和保温隔热性能要求高的部件，如飞机尾翼、保温大和保温隔热性能要求高的部件，如飞机尾翼、保温通风管道及样板等。通风管道及样板等。（2）蜂窝夹层结构蜂窝夹层结构 蜂窝夹层结构是采用玻璃钢薄板作蒙皮，蜂窝蜂窝夹层结构是采用玻璃钢薄板作蒙皮，蜂窝材料（玻璃布蜂窝、纸蜂窝或其它棉布及铝蜂窝等）材料（玻璃布蜂窝、纸蜂窝或其它棉布及铝蜂窝等）做夹芯
37、层。蜂窝夹层结构的重量轻，强度高，刚度大，做夹芯层。蜂窝夹层结构的重量轻，强度高，刚度大，多用作结构尺寸大、强度要求高的结构件，如玻璃钢多用作结构尺寸大、强度要求高的结构件，如玻璃钢桥的承重板、球形屋顶结构、雷达罩、反射面、冷藏桥的承重板、球形屋顶结构、雷达罩、反射面、冷藏车地板及箱体结构等。车地板及箱体结构等。玻璃钢夹层结构的种类与特点玻璃钢夹层结构的种类与特点（3）梯形和矩形带头作用层结构梯形和矩形带头作用层结构 这种带头作用层结构的面板（蒙皮）为玻璃这种带头作用层结构的面板（蒙皮）为玻璃钢薄板，夹芯层是玻璃钢梯形板或矩形板。这种钢薄板，夹芯层是玻璃钢梯形板或矩形板。这种夹层结构方向性强，
38、仅适用于做高强平板，不宜夹层结构方向性强，仅适用于做高强平板，不宜用于弯曲形状的制品。用于弯曲形状的制品。（4）圆环形夹层结构圆环形夹层结构 它是用玻璃钢薄板作蒙皮，用玻璃钢圆环做它是用玻璃钢薄板作蒙皮，用玻璃钢圆环做夹芯层。这种夹层结构的特点是芯材耗量少，强夹芯层。这种夹层结构的特点是芯材耗量少，强度比较高，平板受力无方向性，最适宜做采光用度比较高，平板受力无方向性，最适宜做采光用的透明玻璃钢夹层结构板材，具有遮挡少、透光的透明玻璃钢夹层结构板材，具有遮挡少、透光率高的特点。率高的特点。4 蜂窝夹层结构蜂窝夹层结构 蜂窝夹层结构蜂窝夹层结构是一种先进的受力结构，具有是一种先进的受力结构，具有
39、重量轻、强度高等重量轻、强度高等优异性能，被广泛应用于航空优异性能，被广泛应用于航空航天及军事领域。航天及军事领域。蜂窝材料是一种用于夹层结构的轻质材料。蜂窝材料是一种用于夹层结构的轻质材料。芳纶芳纶纸（纸（Nomex）蜂窝具有高的比强度和比）蜂窝具有高的比强度和比刚度，突出的耐腐蚀性和自熄性，优良的耐环境刚度，突出的耐腐蚀性和自熄性，优良的耐环境性和热绝缘性，独特的介电性能和高温稳定性，性和热绝缘性，独特的介电性能和高温稳定性，优异的工艺性，广泛用于优异的工艺性，广泛用于航空航天、船舶、火车航空航天、船舶、火车和体育用品和体育用品。铝蜂窝夹层结构复合材料铝蜂窝夹层结构复合材料 可根据使用要求
40、选择不同的组合：可根据使用要求选择不同的组合：芯材选择不同的规格；芯材选择不同的规格；面板可选择面板可选择铝、不锈钢、玻璃钢、天然石铝、不锈钢、玻璃钢、天然石材、防火板装饰板、喷塑金属材、防火板装饰板、喷塑金属板等，以满板等，以满足不同的使用要求足不同的使用要求。铝蜂窝夹层结构的特性铝蜂窝夹层结构的特性 1、重量轻、强度高、刚性好重量轻、强度高、刚性好 2、寿命长寿命长 耐久型蜂窝的铝箔经化学处理后具有很高的耐腐蚀性耐久型蜂窝的铝箔经化学处理后具有很高的耐腐蚀性能，使用时间可达能，使用时间可达20年以上，长期使用温度可达年以上，长期使用温度可达150摄氏度。摄氏度。3、突出的综合功能突出的综合
41、功能 减振抗冲击性好（能量吸收能力为减振抗冲击性好（能量吸收能力为150-350KJ/M3）；）；良好的隔音降噪功能（对良好的隔音降噪功能（对100-3200Hz的声源降噪可达的声源降噪可达20-33dB）；）；隔热保温（导热系数为隔热保温（导热系数为0.104-0.130W/mK）；）；防火阻燃性好，可根据使用要求达到不同的防火等级。防火阻燃性好，可根据使用要求达到不同的防火等级。4、极高的外观平直度，不易变形极高的外观平直度，不易变形 5、材料的加工适应性好结构安装方便、快捷。材料的加工适应性好结构安装方便、快捷。5 夹层结构制造技术夹层结构制造技术 夹层结构一般是由夹层结构一般是由三层材
42、料制成的复合材料三层材料制成的复合材料。夹层复合材料的上下面层是夹层复合材料的上下面层是高强度、高模量材料高强度、高模量材料，中间层是中间层是较厚的轻质材料较厚的轻质材料，夹层结构实际上是夹层结构实际上是复合材料与其它轻质材料的再复合材料与其它轻质材料的再复合复合。蜂窝夹层结构制造技术蜂窝夹层结构制造技术（1）蜂窝种类）蜂窝种类 蜂窝的强度与选用原材料和蜂窝几何形状有关，蜂窝的强度与选用原材料和蜂窝几何形状有关，根据平面投影几何形状，蜂窝夹芯材料可分为根据平面投影几何形状，蜂窝夹芯材料可分为六边形、六边形、菱形、矩形、正弦曲线形和有加强带六边形菱形、矩形、正弦曲线形和有加强带六边形等。等。在这
43、些蜂窝夹芯材料中，以在这些蜂窝夹芯材料中，以加强带六边形强度最高加强带六边形强度最高，正方形蜂窝次之。正方形蜂窝次之。由于由于正六边形蜂窝正六边形蜂窝制造简单，用料省，强度也较高，制造简单，用料省，强度也较高，故应用最广。故应用最广。（2）原材料）原材料 目前，以玻璃钢薄板做蒙皮、玻璃钢蜂窝和泡目前，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。沫塑料做芯材的夹层结构应用最广。玻璃纤维布（增强材料）玻璃纤维布（增强材料）生产玻璃钢夹层结构的玻璃布分为生产玻璃钢夹层结构的玻璃布分为面层布和蜂面层布和蜂窝布两种窝布两种：面层布是经过增强处理的中碱和无碱面层布是经过增强处理的中碱
44、和无碱平纹布平纹布，其厚度一般为，其厚度一般为0.10.2mm。为加强蒙皮和蜂窝之间的粘度强度，常在两者为加强蒙皮和蜂窝之间的粘度强度，常在两者之间加一层短切玻璃纤维毡。之间加一层短切玻璃纤维毡。选用含蜡玻璃布做蜂窝材料选用含蜡玻璃布做蜂窝材料，可以防止树脂浸，可以防止树脂浸透到玻璃布背面，减少蜂窝块层间的粘接，有利透到玻璃布背面，减少蜂窝块层间的粘接，有利于蜂窝成孔拉伸。于蜂窝成孔拉伸。（2）原材料）原材料 纸纸 生产蜂窝夹层结构的纸，要求有良好的树脂浸生产蜂窝夹层结构的纸，要求有良好的树脂浸润性和足够的拉伸强度。润性和足够的拉伸强度。起皱起皱凹槽（2）原材料）原材料 粘接剂（树脂）粘接剂（
45、树脂）制造蜂窝夹层结构用的树脂分制造蜂窝夹层结构用的树脂分蒙皮用树脂、蜂蒙皮用树脂、蜂窝用树脂和蜂窝与蒙皮粘接用树脂窝用树脂和蜂窝与蒙皮粘接用树脂。根据夹层结构。根据夹层结构的使用条件，可分别的使用条件，可分别选用环氧树脂、不饱和聚酯树选用环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、有机硅树脂及邻苯二甲酸二丙烯酯脂、酚醛树脂、有机硅树脂及邻苯二甲酸二丙烯酯等等。制造蜂窝胶条时，通常采用环氧树脂、改性酚制造蜂窝胶条时，通常采用环氧树脂、改性酚醛树脂、聚醋酸乙烯酯胶和聚乙烯醇缩丁醛胶等。醛树脂、聚醋酸乙烯酯胶和聚乙烯醇缩丁醛胶等。在这些胶粘剂中，环氧树脂粘接强度高，改性酚醛在这些胶粘剂中，环氧树脂粘接强度
46、高，改性酚醛树脂价格低，故应用较多。树脂价格低，故应用较多。聚醋酸乙烯酯胶无毒，价格便宜，可以室温固聚醋酸乙烯酯胶无毒，价格便宜，可以室温固化，但用此胶制造的蜂条，不能浸聚酯胶胶液，因化，但用此胶制造的蜂条，不能浸聚酯胶胶液，因为聚酯树脂中的苯乙烯能溶解聚醛酸乙烯，使蜂条为聚酯树脂中的苯乙烯能溶解聚醛酸乙烯，使蜂条开胶、破坏。开胶、破坏。（3）蜂窝夹芯制造）蜂窝夹芯制造 生产玻璃布夹芯材料时，主要是生产玻璃布夹芯材料时，主要是胶接拉伸法胶接拉伸法。其工艺过程是其工艺过程是:先在制造蜂窝芯材的玻璃布上涂胶条，先在制造蜂窝芯材的玻璃布上涂胶条，然后重叠粘接成蜂窝叠块，然后重叠粘接成蜂窝叠块，固化后
47、按需要蜂窝高度切成蜂窝条，固化后按需要蜂窝高度切成蜂窝条，经拉伸预成型，经拉伸预成型，最后浸胶，固化定型成蜂窝芯材最后浸胶，固化定型成蜂窝芯材。制造蜂窝夹芯叠块的胶条上胶法，可以采用手械制造蜂窝夹芯叠块的胶条上胶法，可以采用手械涂胶，也可以使用机械化涂胶。涂胶，也可以使用机械化涂胶。蜂窝生产线（蜂窝生产线（NOMEXNOMEX、铝蜂窝）、铝蜂窝）Nomex蜂窝浸渍机蜂窝浸渍机蜂窝拉伸机蜂窝拉伸机Nomex蜂窝涂胶机蜂窝涂胶机铝箔清洗机铝箔清洗机涂胶机涂胶机2 2台、拉台、拉伸机伸机1 1台、浸胶台、浸胶设备设备1 1套、切纸套、切纸机机1 1台、片切机台、片切机1 1台、铝箔清洗台、铝箔清洗及
48、表面处理机及表面处理机1 1台、锯切机台、锯切机1 1台台（4）蜂窝夹层结构制造）蜂窝夹层结构制造 玻璃布蜂窝夹层结构制造技术分玻璃布蜂窝夹层结构制造技术分湿法和干法湿法和干法两种。两种。干法成型干法成型 此法是先将蜂窝夹芯和面板作好，然后再将它此法是先将蜂窝夹芯和面板作好，然后再将它们粘接成夹层结构。们粘接成夹层结构。为了保证芯材和面板牢固粘接，常在面板上铺一为了保证芯材和面板牢固粘接，常在面板上铺一层薄毡（浸过胶），铺上蜂窝，加热加压，使之固层薄毡（浸过胶），铺上蜂窝，加热加压，使之固化成一体。这种方法制造的夹层结构，蜂芯和面板化成一体。这种方法制造的夹层结构，蜂芯和面板的粘接强度可提高到
49、的粘接强度可提高到3MPa以上。以上。干法成型的优点干法成型的优点主要是产品表面光滑，平整，生主要是产品表面光滑，平整，生产过程中每道工序都能及时检查，产品质量容易保产过程中每道工序都能及时检查，产品质量容易保证证.缺点缺点是生产周期长。是生产周期长。湿法成型湿法成型 湿法成型湿法成型是是面板和蜂窝夹芯均处于未固化状态，面板和蜂窝夹芯均处于未固化状态，在模具上一次胶接成型在模具上一次胶接成型。生产时，先在模具上制好上、下面板，然后生产时，先在模具上制好上、下面板，然后将蜂窝条浸胶拉开，放到上、下面板之间，加压将蜂窝条浸胶拉开，放到上、下面板之间，加压（0.010.08MPa）、固化，脱模后修整
50、成产品。）、固化，脱模后修整成产品。湿法成型的优点湿法成型的优点是蜂窝和面板间粘接强度高，是蜂窝和面板间粘接强度高，生产周期短，最适合于球面、壳体等异形结构产生产周期短，最适合于球面、壳体等异形结构产品生产。品生产。其缺点其缺点是产品表面质量差，生产过程较难控制是产品表面质量差，生产过程较难控制。片切机片切机 蜂窝蜂窝 蜂窝夹层结构蜂窝夹层结构 泡沫塑料夹层结构制造技术泡沫塑料夹层结构制造技术（1）原材料）原材料 泡沫塑料夹层结构用的原材料分为泡沫塑料夹层结构用的原材料分为面板（蒙皮）材面板（蒙皮）材料、夹芯材料和粘接剂料、夹芯材料和粘接剂。面板材料面板材料 主要是用玻璃布和树脂制成的薄板，与
