夾芯結構材料

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。

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。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。

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。

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。

• 聚醚醯亞胺（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。

• 聚甲基丙烯醯亞胺（PMI）：具有較高的強度和剛度，在經過高溫處理后，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。

複合材料是由金屬材料、陶瓷材料或高分子材料等兩種或兩種以上的材料經過複合工藝而製備的多相材料，各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使複合材料的綜合性能優於原組成材料而滿足各種不同的要求。複合材料由連續相的基體和被基體包容的相增強體組成。複合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、單晶晶須、金屬絲和硬質細粒等。同時60年代，為滿足航空航天等尖端技術所用材料的需要，先後研製和生產了以高性能纖維（如碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維等）為增強材料的複合材料，其比強度大於4×10cm，比模量大於4×10cm。為了與第一代玻璃纖維增強樹脂複合材料相區別，這種複合材料被稱為先進複合材料（新材料，Advanced Composites Material，簡稱ACM）。ACM具有質量輕，較高的比強度、比模量、較好的延展性、抗腐蝕、隔熱、隔音、減震、耐高（低）溫等特點，已被大量運用到航空航天、醫學、機械、建築等行業。

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。

芯材是風電葉片關鍵材料之一，在葉片的前緣、后緣以及腹板等部位，一般採用夾層結構來增加結構剛度，防止局部失穩，提高整個葉片的抗載荷能力。葉片常用芯材為 PVC 泡沫和 Balsa。隨著風電市場的日趨成熟，葉片向大型化方向發展，對葉片的重量、質量、成本以及材料的一致性提出新的要求。現已開發出不同的新型芯材，逐漸在風能行業中得到應用和認可，主要包括聚對苯二甲酸乙二醇酯泡沫（PET）、聚甲基丙烯醯亞胺泡沫（PMI）、聚醚醯亞胺泡沫（PEI）、丙烯腈-苯乙烯泡沫（SAN）、聚苯乙烯泡沫（PS）、纖維增強複合材料芯材等。對於芯材，除了要求優異的力學性能外，還需考慮芯材的加工、承受的溫度、製品形狀以及在葉片中使用的工藝性能。