由玻纖、碳纖或其他纖維制成的單層復合材料層壓板可能非常堅固，但是由于厚度較薄從而缺乏剛度。通常，加入多個框架和加強筋，可以提高剛度，但是也會增加重量以及結構的復雜性。

夾層結構是由中間夾有一層芯材的兩層高強度的表皮組成的。在層壓板中插入芯層是增加厚度但不增加重量的一種方法。目前有各種各樣的夾心材料被用于復合材料夾層結構（見P32表格）。

實際上，芯材就像是工字鋼的腹板，在受力的翼板之間，腹板是一種輕量的隔板。工字鋼的翼板承受著主要的拉力和壓力，因此，腹板可以相對輕一些。同樣的，夾層結構中的芯材相對于表皮材料來說是比較輕的。

工程理論表明，固體層合板的彎曲剛度與厚度的立方成正比；對夾芯層板來說，剛度大概與厚度的平方成正比。因此，低密度芯材可以有效提高復合材料的厚度，僅增加非常小的重量就可以顯著提高復合材料的剛度。

設計夾芯結構

從工程學角度可以很好地理解夾芯板在復合材料中的應用，利用它可以設計出非常輕的剛性結構。

從根本上來說，夾層結構中的芯材的主要作用是盡量增大兩個表皮之間的間距，以盡可能小的重量換取更大的層板剛度，同時抵抗結構承受載荷時產生的剪切力。對于結構芯材而言，剪切性能是結構芯材的必備條件，是復合材料結構設計時必須考慮的眾多變量之。

機械性能

夾層結構的受力方式會決定芯材是否需要良好的壓縮性能、拉伸性能，甚至是良好的沖擊韌性。這些要求可以通過一系列的結構芯材很容易地實現，但價格和密度的選擇范圍是很有限的。

復合材料結構具有較輕的重量，因此復合材料部件施加給整個結構的載荷也較低。目前大多數復合材料結構已經取代了傳統的材料。然而，輕量、生命周期性能和制造成本之間的平衡必須加以考量才能使得復合材料的應用更加可行。因此，芯材的基本選擇標準必須均衡考量性能、密度和總的制造成本。

由于芯材的眾多制造過程存在固有的可變性，通常需要采用統計分析的方法來確定用于結構設計的芯材的機械性能。由于不同批次的聚合物泡沫的密度是不同的，機械性能通常采用由一系列標稱密度平均值繪制而成的線性回歸曲線來表現（見圖1）。第二次回歸會得到兩個低于平均值的標準偏差，這是芯材標稱密度下所需要的低性能。雖然這種設計的價值充分說明芯材可以滿足設計需求，但是如果采用的是低密度的小值時，通常會使用更加保守的一種方法。

 

選擇好可能的設計材料后，還需要考慮第二層需求。由于復合材料的應用多種多樣，可能的設計參數范圍是非常廣泛的，其中包括（但不限于）下列內容：

耐熱性能、耐化學性、熱導率、隔音性能、電導率、振動阻尼、防潮性、可回收性和可持續發展。

如果芯材的所有機械性能和物理性能已經考慮在內，設計制造就是部件初步設計的后一步。每種夾芯材料都有其特定的加工特性，可以分成幾個類別：

可成形性和層壓板表皮的相容性及其在固化過程中的穩定性。

可塑性

芯材通常必須與二維或三維表面的幾何結構相貼合，但不能影響其結構性能或者厚度。像巴薩木這類的剛性芯材，必須切成小塊并使用網格布。而對于大多數聚合物泡沫，如果不需要熱成形操作，就需要用多個平行的鋸或者刀在0°和90°的方向對泡沫進行切割，形成一個網格，以提供所需的靈活性（見圖2）。蜂窩芯材的可塑性對于厚度較大的應用來說可能存在問題，因為在高剛度和低厚度的條件下，芯材會比較難處理。

 

除了符合部件的幾何形狀，芯材的邊緣通常需要進行機械加工，以使載荷順利地從組件的夾層部位過渡到單體部位。這一點在采用蜂窩芯材和某些脆性聚合物泡沫時，可能是很難實現的，尤其是在倒角較低的情形下。

層壓板表皮的兼容性

層壓板的表皮會含有增強纖維和某種基體樹脂。樹脂在室溫下可能是液體形態的（濕法層壓或灌注工藝），還可能是半固態預浸樹脂，在高溫固化過程中會流動。

要制造一個有效的夾層結構，表皮必須很好地結合到芯材的表面，使荷載能夠傳遞。因此，樹脂必須芯材相容，芯材必須有一個合適的表面形貌，這樣才能產生良好的機械結合力。

這對于蜂窩結構來說是一大挑戰，專用的流速可控的樹脂膜用于在六邊形結構周圍形成粘合帶，而且在預浸料高溫固化過程中不會流入峰窩內。

芯材－層壓板界面存在的另一個固有的問題是，由于芯材表面的氣孔（見圖3）或成型過程中形成的空腔（例如鋸子在聚合物泡沫上留下的切口或巴薩木木塊之間的空隙），會消耗額外的樹脂。因此使得樹脂的消耗量小化是所有的設計必須優先考慮的事情，從而降低重量和成本。可塑性和加工技術的考量是設計過程的一個重要組成部分。

 

案例分析

由于在實際的芯材結構制造過程中，設計需求和挑戰多種多樣，很難在一個復合材料部件中找到多種芯材的類型。

下面的案例研究強調的是芯材材料的選擇過程，說明的只是夾芯結構眾多設計標準中的一小部分。

火車站的屋頂

纖維增強塑料（FRP）夾芯板具有輕量的本質和內在的絕緣性能，而且，采用數控機床制成的模壓板具有較高的精確度，先進的復合材料具有高耐受性，這些共同為沙特阿拉伯Medinah火車站的屋頂帶來了顯著的優勢。FRP夾芯板實現了屋頂板材的大跨度，也使得屋頂的安裝過程快速便捷，無需任何二級結構。

屋頂結構上的載荷是由板子本身、金屬固定件、天花板和表面裝飾瓦的重量共同組成的。此外，風造成的壓力和吸力負載、積沙和地震運動也都做了定義。屋頂結構的二級要求包括35°C±30°C的工作溫度、高絕熱性能和防火性能。

作為原始設計優化的一部分，一系列芯材材料都被調查研究過了。

巴薩木芯材（例如固瑞特的BalsaflexTM）具有較低的成本和高的機械性能。巴薩木芯材在接觸火苗時往往會形成一種具有保護作用的炭層，從而使其具有一定的防火性能。現代的密封處理技術顯著降低了巴薩木所吸收的樹脂的量，但樹脂的吸收量仍然比閉孔泡沫高。

芯材無需切割即可很簡單地形成一個雙曲線的屋頂板形狀，有人擔憂這樣會顯著提高芯材所吸收的樹脂的量，從而大大增加屋頂板的重量。還有人擔心芯材耐環境腐蝕的長久性能，特別是一旦屋頂的表皮遭到破壞，在修復之前，芯材總會有一段時間是暴露在環境之中的。

 

由于存在這些潛在的問題，巴薩木芯材被否決了。

鋁蜂窩板是一種兼具低成本、輕量和良好機械性能的屋頂板。當固瑞特的SPRINT預浸料被考慮作為層壓板表皮時，在初的材料和工藝研究階段也考慮了這種芯材。然而，要同時加工蜂窩芯材和濕的層壓板表皮是不可行的，這種芯材很難處理和安裝，而且它無助于屋頂的保溫，所以這種芯材也被否決了。

PVC和SAN基閉孔泡沫芯材具有良好的加工性能，雖然密度低卻具有屋頂結構所需的足夠的機械性能，但這種芯材的成本相對較高。

PET泡沫芯材是成本和機械性能的佳組合。PET泡沫芯材曾被用于制造麥加鐘塔六萬平米的FRP幕墻，配套使用的是相同的樹脂系統。在這個項目中，芯材的處理簡單方便。

一種表面經過處理的阻燃PET泡沫芯材，可以降低樹脂的吸收量，即固瑞特G-PETTM 75FR Lite成為了屋頂結構的終選擇。

風機葉片

風力渦輪機的葉片通常包括一個縱向結構梁和兩個外部的“蛤蜊”殼結構——由縱向抗剪腹板連接。這種外殼結構的幾何形狀符合葉片的空氣動力學要求，能夠將風所造成的氣動載荷轉移到翼梁帽和輪轂上，從而使葉片轉動產生電力。

 

葉片外殼采用夾芯結構制成，因為板子的尺寸很大，而且要求有良好的抗彎剛度和低的設計重量。由于殼體板的主要要求是在氣動載荷下具有抗變形能力，芯材的主要作用就是在壓力、剪切力和平面外載荷作用下提供穩定性（防止受力的層壓板發生屈曲）。

屈曲失效模式有三種（見圖4）：

 

•歐拉屈曲：板子彎曲剛度失效——取決于芯材的厚度和剪切模量；

•表層皺曲：局部的表層變形——取決于芯材的剪切模量和壓縮模量，以及層壓板的表層剛度；

•剪切卷曲：芯材失效——剪切模量太低，無法轉移表層之間的載荷，特別是表層比較厚的層壓板。

在設計風機葉片的結構外殼時，要考慮到外殼的載荷情況從根部到尖部有著很大的變化，而且葉片的幾何形狀可能會限制層壓板的結構。因此，芯材的性能要求會隨著外殼結構的變化而變化。

由于層壓板的根部載荷較高，層壓板的厚度也較高，因此剪切卷曲成為一個重要的設計準則。所以，巴薩木憑借非常高的剪切模量而被廣泛應用于這些部位。而且，風機葉片的外側所受載荷較低，但是張力較高，芯材的失效很可能是由于表層皺曲或板子（歐拉）屈曲造成的。對于葉片的這個部位，夾芯結構的厚度對于防止抵抗這些失效模式具有更大的影響，因此具有較低的剪切模量的芯材可以使用。由于質量矩的增加，人們也希望進一步降低板子根部的重量。因此，芯材的密度和樹脂吸收率是重要的考慮因素。

在風機葉片的外側區域，通常采用PVC或SAN芯材，因為它們具有良好的密度性能，而且就成本而言，它們頗具競爭力。它們還具有比巴薩木低得多的樹脂吸收特性和更高的張力，這有利于葉片在生產之后和安裝之前進行運輸和處理。

PET在葉片設計方面也取得了一些進展，但相較PVC和SAN，它的確存在重量方面的劣勢，對于葉片的懸吊點來說可能太脆了。

在風能行業低制造成本的強烈驅動下，目前在一個葉片設計中會采用多種芯材，以優化重量和材料成本，不同的葉片制造商由于結構概念的不同設計出來的機構也各不相同。圖5顯示了風力渦輪機葉片對芯材材料的性能要求。

賽艇

帆船的船體和甲板為船員提供不透水的安全艙，也是支撐索具和龍骨的基礎。在索具的載荷下，船體和甲板在船頭和船尾的部分會處于張力之下，載荷會隨著船側、船頭和船尾桅桿的豎起而更一步復雜化。

在碼頭和風平浪靜的條件下，船體外殼處于靜水壓力之下，但是當船以一定的速度前進時，其所承受的裝機壓力會顯著增大，特別是船頭部位的船體底部。為應對所有可能的各種形狀和類型的波浪對船的沖擊，設計壓力取決于板材的尺寸。因此，對于一艘給定尺寸的船艇，有著小的剪切強度要求。

雖然船級社采用的是準靜態分析法，但載荷真的是一種低速的沖擊。因此大多數船級社允許芯材具有較高的剪切伸長率。所以，芯材的選擇不是簡單的選擇高的剪切強度重量比就行了。

 

大多數高性能賽艇采用以預浸料為表皮的夾芯結構來制造，因為這樣能達到低的層壓板重量和高的機械性能。這意味著芯材材料的選擇必須與預浸料的加工工藝相兼容，同時還要滿足設計要求?？紤]到船頭部位會承受沖擊載荷以及該部位板材的高曲率，經常會選擇具有良好的抗沖擊性和良好的可塑性的SAN泡沫。干舷部位比較平，承受的沖擊力也比較小，往往會選擇六角形的Nomex（一種聚酰胺纖維）或Kevlar（一種芳綸纖維）蜂窩芯材。

對于海上賽艇，考慮到可能會接受一定風險，因此船體結構多采用蜂窩芯材，以達到輕的船身設計。

甲板上還可能會受到從船頭過來的波浪的沖擊壓力，但這比船體底部承受的“撞擊”壓力小得多。即便如此，抗剪強度仍然是一個重要的考量因素。

由于索具導致的彎曲載荷，甲板會受到船頭和船尾的壓力，工作甲板還要承受由于行走和甲板傳送裝置造成的局部壓力。

因此，貫穿整個厚度的抗壓強度是必須的，高剪切模量可以使承受屈曲載荷的甲板保持穩定。賽船當然都會選擇Nomex蜂窩芯材，因為它具有優異的性能重量比，但是使用過程需要小心，船員要穿著合適的鞋子，避免壓痕和局部損傷。

芯材的發展

隨著先進復合材料的應用越來越多，對于新的芯材技術的需求也在加速。然而，正如本文所討論的，由于應用范圍以及相關芯材性能的多樣化，不大可能會出現一種新的“超級泡沫”，從而滿足所有的設計要求。歷史也表明，在過去的10-15年，芯材市場并沒有那么多的新技術出現，現有的技術仍然保持著它們的市場份額。因此，近期的發展重點一直是現有芯材技術的優化，以優化的成本，找到佳的性能平衡點。

長遠來看，芯材技術下一步的進展可能會是現有的聚合物泡沫制造技術的改進以及“工程芯材”的發展。聚合物的性能通常與它們的成本成比例，新的高性能聚合物取代現有材料是不大可能的。因此，在一定的高性能工程框架范圍內使用低成本（和低性能）的泡沫芯材更加合理，從而以低密度和低成本來實現高的性能。然而，要開發出可行的連續制造工藝以實現低成本，使先進復合材料比其他工程塑料更具競爭力，這一目標仍然存在許多挑戰。