【中译版】《复合材料指南》（七）复合材料芯材详解及性能对比
工程理论表明，任何面板的抗弯刚度都与其厚度的立方成正比。因此，复合材料层压板中芯材的目的是通过有效地用低密度芯材料“增厚”层压板来增加层压板的刚度。这能够给大家提供一个急剧性的增加刚度，而很少增加额外的重量。
图32为弯曲荷载作用下的带芯层板。在这里，夹层层板可以被比作一个工字梁，其中层板皮肤作为工字梁的翼缘，核心材料作为梁的剪切腹板。在这种加载模式下，能够正常的看到上部蒙皮被压缩，下部蒙皮被拉伸，核心被剪切。因此，岩心最重要的性质之一就是它的抗剪强度和刚度。
此外，特别是当使用轻质薄层板外壳时，核心一定要能承受压缩载荷而不会过早失效。这有助于防止薄皮起皱，并在屈曲模式失败。
泡沫是最常见的芯材形式之一。它们能由各种合成聚合物制成，包括聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PU)、聚甲基丙烯酰胺(丙烯酸)、聚醚酰亚胺(PEI)和苯乙烯丙烯腈(SAN)。它们的密度范围从小于30kg/m3到大于300kg/m3，尽管最常用的复合结构密度范围从40到200 kg/m3。它们也有不同的厚度，通常从5毫米到50毫米。
闭孔聚氯乙烯(PVC)泡沫材料是高性能夹层结构最常用的芯材之一。虽然严格来说，它们是PVC和聚氨酯的化学混合物，但它们往往被简单地称为“PVC泡沫”。
PVC泡沫提供了静态和动态性能的平衡组合，并拥有非常良好的抗吸水性。它们还具有较大的工作时候的温度范围，通常为-240℃至+80℃(-400°°F至+180°F)，还可以抵抗许多化学物质。虽然PVC泡沫通常是易燃的，但也有防火等级，可用于许多防火关键应用，如火车部件。当使用FRP皮作为夹层结构的芯材时，其合理的抗苯乙烯性能意味着它可以安全地与聚酯树脂一起使用，因此在许多行业都很受欢迎。它通常以薄板形式提供，或普通，或网格评分，以方便成型。
有两种主要类型的PVC泡沫:交联和非交联，非交联泡沫有时被称为“线性”。未交联的泡沫(如Airex R63.80)更坚硬、更灵活，更容易在曲线周围热形成。然而，与等密度交联聚氯乙烯相比，它们的力学性能较低，对高温和苯乙烯的耐受性较低。它们的交联物更硬，但更脆，将产生更硬的面板，不容易软化或在炎热的气候下爬行。典型的交联PVC产品有Herex c系列泡沫，Divinycell H和HT等级以及Polimex Klegecell和Termanto产品。
新一代的增韧PVC泡沫现在也能够正常的使用，它可以用交联PVC泡沫的一些基本机械性能来换取线性泡沫的一些改进的韧性。典型产品有Divincell HD级。
由于交联PVC泡沫中的PVC/聚氨酯化学性质，这些材料需要用树脂涂层彻底密封，然后才能安全地与低温固化预浸料一起使用。虽然特殊的热稳定处理可用于这些泡沫，这些处理主要是为了更好的提高泡沫的尺寸稳定性，并减少在高温工艺流程中释放的气体量。
尽管聚苯乙烯泡沫被大范围的应用于帆船和冲浪板制造，其重量轻(40kg/m3)，成本低，易出砂的特点是最重要的，但由于其机械性能低，它们很少用于高性能部件的制造。它们不能与聚酯树脂系统连接使用，因为它们会被树脂中存在的苯乙烯溶解。
聚氨酯泡沫只表现出中等的机械性能，并且在树脂/芯界面处的泡沫表面随年纪的增长而恶化，导致皮肤分层。
因此，它们的结构应用通常仅限于生产成型机，以创建框架或加劲部件的粗线。然而，聚氨酯硬质泡沫可用于轻负荷夹层板，这些面板被大范围的使用在保温。该泡沫还具有合理的高使用温度特性(150℃/300℉)，并拥有非常良好的吸声性。泡沫可以很容易地切割和加工成所需的形状或轮廓。
对于给定的密度，聚甲基丙烯酰胺(丙烯酸)泡沫，如Rohacell提供了一些最高的整体强度和硬度的泡沫芯。它们的高尺寸稳定性也使它们独特，因为它们能很容易地与传统的高温固化预浸料一起使用。然而，它们价格昂贵，这在某种程度上预示着它们的使用往往仅限于航空复合材料部件，如直升机旋翼叶片和飞机襟翼。
SAN泡沫的行为类似于增韧交联PVC泡沫。它们具有交联PVC芯的大部分静态性能，但具有更高的伸长率和韧性。因此，它们能够吸收会破坏传统甚至增韧PVC泡沫的冲击水平。然而，与使用增塑剂使聚合物变韧的增韧PVC不同，SAN的韧性特性是聚合物本身固有的，因此不会随年纪的增长而发生显著变化。
SAN泡沫在许多应用中正在取代线性PVC泡沫，因为它们具有线性PVC的韧性和伸长率，但具有更高的温度性能和更好的静态性能。然而，它们仍然是热成形的，这有助于制造弯曲部件。热稳定等级的SAN泡沫也可以更简单地与低温固化预浸料一起使用，因为它们不具有PVC固有的干扰化学成分。典型的SAN产品有ATC Core-Cell的A系列泡沫。
随着从热塑性塑料吹制泡沫的新技术的发展，这种类型的膨胀材料的范围继续增加。典型的是PEI泡沫，一种膨胀聚醚酰亚胺/聚醚砜，它结合了出色的防火性能和高使用温度。虽然价格昂贵，但在使用温度范围内，这种泡沫可用于结构、保温和防火应用
-194℃(-320℉)到+180℃(+355℉)。它很适合飞机和火车内部，因为它能够完全满足一些最严格的防火规范。
蜂窝芯可用于多种材料的夹层结构。这些范围从低强度和刚度的纸张和卡片，低负载应用(如国内内部门)到高强度和刚度，用于飞机结构的极轻部件。蜂窝可以加工成平面和弯曲的复合结构，并能在没有过多的机械力或加热的情况下使其符合复合曲线。
热塑性蜂窝通常是通过挤压生产，然后切片到厚度。其他的蜂房(比如用纸和铝做的)是通过多级工艺制造的。在这一些状况下，大薄片的材料(通常为1.2x2.4m)用交替、平行的薄条纹胶粘剂印刷，然后在胶粘剂固化时将纸张堆叠在加热的压力机中。在铝蜂窝的情况下，堆叠的薄板，然后切开其厚度。这些薄片(称为“块状”)随后被轻轻拉伸和扩展，形成连续的六边形细胞形状的薄片。
在纸蜂窝的情况下，粘合纸的堆叠是温柔的膨胀成一大块蜂窝状，有几英尺厚。将这种脆弱的纸状蜂窝块展开，然后浸入树脂罐中，沥干水分，放入烤箱中固化。一旦这种浸渍树脂固化，块有足够的强度被切成所需的最终厚度。
在这两种情况下，通过改变膨胀过程中的拉力程度，可以产生规则的六边形细胞或过度膨胀(拉长)的细胞，每种细胞都具有不一样的机械和处理/悬垂特性。由于这种粘合方法，蜂窝在板材的0°和90°方向上具有不一样的力学性能。
虽然表皮通常是玻璃钢，但它们可能是几乎任何具有适当性能的板材，包括木材、热塑性塑料(如三聚氰胺)和金属板材，如铝或钢。蜂窝结构的细胞也可以填充刚性泡沫。这为皮肤提供了更大的粘结面积，通过稳定细胞壁提高了核心的机械性能，并提高了隔热和隔音性能。
蜂窝材料的性能取决于蜂窝的大小(因此频率)以及蜂窝材料的厚度和强度。板材的厚度通常为3-50mm，面板尺寸通常为1200 x 2400mm，尽管也可以生产高达3m x 3m的板材。
蜂窝芯能够给大家提供坚硬和非常轻的层压板，但由于它们的粘结面积非常小，它们几乎专门用于高性能树脂系统，如环氧树脂，以便实现对层压板皮肤的必要附着力。
铝蜂窝生产的强度/重量比最高的任何结构材料。铝箔的粘合剂粘接有各种不同的配置，能形成各种几何单元形状(通常是六角形)。属性也能够最终靠改变箔的厚度和电池大小来控制。蜂窝通常以未展开的块状形式提供，并在现场拉伸成薄片。
尽管铝蜂窝拥有非常良好的机械性能和相比来说较低的价格，但在一些应用中，如大型船舶，必须谨慎使用结构，因为在盐水环境中潜在的腐蚀问题。在这种情况下，还一定要注意确保蜂窝不会与碳皮非间接接触，因为导电性会加剧电偶腐蚀。铝蜂窝也有一个问题，那就是它没有“机械记忆”。
在芯层板的冲击下，蜂窝将发生不可逆的变形，而FRP皮具有弹性，将恢复到原来的位置。这可能会引起一个区域的无粘结的皮肤，机械性能大大降低。
Nomex蜂窝由Nomex纸制成，这是一种基于Kevlar™的纸，而不是纤维素纤维。最初的纸蜂窝通常浸在酚醛树脂中制成具有高强度和非常好的防火性能的蜂窝芯。它被大范围的使用在飞机的轻型内饰板，与酚醛树脂一起用于外壳。用于阻燃应用的特殊等级(例如公共交通内部)也可以制造，其中蜂窝细胞充满酚醛泡沫，以增加粘结面积和绝缘。
Nomex蜂窝由于其高机械性能、低密度和良好的长期稳定性，慢慢的变多地应用于高性能的非航空航天部件。但是从图33能够准确的看出，它比别的核心材料要贵很多。
由其他热塑性塑料制成的核心材料重量轻，提供了一些有用的特性，也可能使回收更容易。它们的主要缺点是难以在蜂窝和表皮材料之间实现良好的界面结合，而且它们的刚度相比来说较低。虽然它们很少用于高负荷结构，但它们能用于简单的内饰板。最常用的聚合物是:
木材可以被描述为“大自然的蜂巢”，因为它的结构在微观尺度上类似于合成材料的细胞六边形结构蜂窝。当在夹层结构中使用时，颗粒垂直于表皮的平面，所得到的组件显示出与人造蜂窝相似的特性。然而，尽管有各种各样的化学处理，所有的木芯都容易受到水分的侵蚀，如果没有很好地用层压板或树脂包围，就会腐烂。
最常用的木芯是端粒轻木。巴尔沙木芯首次出现在20世纪40年代的飞艇外壳中，这些外壳是铝皮和巴尔沙芯，以承受在水上着陆的反复冲击。这一性能促使海洋工业开始使用端粒巴尔萨作为FRP建筑的核心材料。除了它的高压缩性能，它的优点包括作为一个良好的热绝缘体提供良好的吸声。这种材料在加热时不会变形，在火灾中充当绝缘和烧蚀层，核心慢慢烧焦，使未暴露的皮肤保持结构完好。它还提供正浮选和容易工作与简单的工具和设备。
Balsa芯可作为3至50mm厚的轮廓端粒片在衬底织物上，刚性端粒片可达100mm厚。这些薄板能够给大家提供现成的树脂涂层，用于真空袋装，预浸或基于压力的制造工艺，如RTM。巴尔沙的缺点之一是它的最低密度高，100kg/m3是典型的最低密度。尽管预密封泡沫能够大大减少这样的一种情况，但在分层过程中，轻脂能吸收大量树脂，这一事实加剧了这样的一个问题。因此，它的使用通常仅限于不需要最佳减重的项目或局部高度紧张的地区。
另一种有时用作核心材料的木材是雪松。在海洋它通常是作为“核心”的材料在条形板建筑，具有一个每一侧的复合皮肤和雪松的纹理平行于层压板面。雪松纤维沿着船的长度，使船头和船尾刚度，而FRP皮中的纤维在±45°，提供扭转刚度，并保护木材。
虽然通常不被认为是真正的三明治芯，但有一些薄的、低密度的“织物状”材料可用于略微降低单蒙皮层压板的密度。诸如Coremat™和Spheretex™等材料由一种充满降低密度空心球体的无纺布“毡状”织物组成。它们通常只有1-3mm的厚度，就像层压板中间的另一层加固一样，被设计成在施工全套工艺流程中与层压树脂“润湿”。
然而，空心球体取代树脂，因此，结果中间层，虽然比泡沫或蜂窝芯重得多，密度低于同等厚度的玻璃纤维层压板。由于很薄，它们也可以很容易地符合二维曲率，因此用起来快速方便。
图34和图35给出了所描述的一些岩心材料的抗剪强度和抗压强度，并绘制了它们的密度。所有的数字都是从制造商的数据表中得来的。
正如预期的那样，随着密度的增加，所有的核都显示出性能的增加。然而，在考虑三明治结构中核心的重量时，除了密度之外，其他因素也起了作用。例如，低密度泡沫材料，虽然对三明治层压板的重量贡献很小，但通常有很开放的表面细胞结构，这在某种程度上预示着大量的树脂被吸收在它们的键合线中。泡沫的密度越低，细胞就越大，问题就越严重。另一方面，蜂窝在这方面能做得很好，因为配方良好的粘合剂只会在细胞壁周围形成一个小的粘合角(见图36)。
最后，需要仔细考虑芯的使用形式，以确保它很好地适合组件。如果磁芯不适合，那么磁芯能节约的重量很快就会耗尽，留下很大的间隙，需要用粘合剂填充。棉布背衬的泡沫或轻纤维，即核心的小方块被轻质棉布支撑，可拿来帮助核心更好地适应曲面。轮廓切割泡沫，其中槽被切断部分方式从相反的核心实现类似的效果。然而，这两个核心仍然倾向于使用相当大量的粘合剂，因每个泡沫方块之间的缝隙需要填充树脂来产生良好的结构。
在重量核心部件中，应考虑使用可热成形的泡沫芯。这些包括线性PVC和SAN泡沫，它们都可以被加热到软化点以上，并预先弯曲以适应模具形状。
对于蜂窝来说，在将芯与复合曲线拟合时，过度膨胀的形式是最广泛使用的，因为不同的膨胀模式能够得到广泛的一致性。
