在復合材料夾芯結構中，根據芯材的材料與幾何形狀的不同，通常可分為蜂窩夾芯結構、泡沫夾芯結構、波紋板夾芯結構和其他夾芯結構。其中在工程應用中，為廣泛和成熟的夾芯結構是泡沫夾芯結構和蜂窩夾芯結構。

　　夾層結構的原理及作用可以借助工字梁加以說明（如圖1所示）：夾層結構的面板相當于工字梁的凸緣，目的是將高密度、高強度的材料置放在離中性軸盡可能遠的地方，從而增加截面模數或慣性矩；夾層結構中的芯材相當于工字梁的腹板，腹板支撐著凸緣使它們成為一個整體。工字梁的腹板和夾層結構的芯材都承受梁的剪切應力，夾層結構的芯材與工字梁腹板的不同之處在于它對面板保持著連續的支撐，能使面板達到或超過其屈服強度而仍不起皺或屈曲。蜂窩結構中的膠層必須能在面板與夾層物之間傳遞剪切載荷，使結構成為一個整體。當夾層板象一根梁來承受載荷時，芯材和膠層就用來抵抗彎曲力所引起的剪切載荷，同時面板承受彎曲力矩或拉伸和壓縮載荷。當夾層結構象一根柱一樣受載時（側壓時），只有面板單獨抵抗柱的軸向載荷，芯部則完全用來穩定面板以防屈曲。
 

 

　　圖1 工字梁與夾心結構的對比
 

　　作為設計方案的重要組成部分，夾層結構的選材問題是必須先加以考慮的問題。選擇面板時，主要考慮的是復合材料的剛度和強度。但對于芯材的選擇．先考慮的是重量，其次為了使面板在相互之間保持一定距離的同時保持穩定，夾芯材料還必須承擔一定的應力。而且一般來講，根據使用部位的不同，對芯材的性能要求也有所不同。

　　對芯材的主要性能要求包括以下幾個方面：

　　1）強度和剛度：芯材主要承擔的是剪應力，有時還須承擔壓應力。所以這里比較關鍵的是剪切破壞強度和剪切剛度，另外，壓縮強度也應該加以考慮；

　　2）抗沖擊性能：當夾層結構承受撞擊時，一般要考慮兩種情況下的沖擊性能。一種是抗擊穿強度：硬物以一定的速度沖擊時，夾層結構不能被擊穿，以保證人員和設備的安全；另一種是抗低質量物體撞擊性能，在諸如飛禽（0.5kg）以約500km／h的速度沖擊時，夾層結構不會導致永久破壞，即夾層結構在一般的沖擊狀況下不破壞；抗沖擊性能對飛機機頭部位的夾層結構尤為重要。

　　3）熱性能：在夾層結構固化過程中，泡沫必須能夠在一段時間內，承受溫度和壓力的綜合作用。耐蠕變壓縮性能是決定共層結構構件制造過程可靠性和重復性的重要指標；

　　4）疲勞強度：由于工作中受到交變荷載，疲勞性能是一個重要指標；

　　5）其他性能：防火、隔音降噪、防雷擊、電磁兼容（EMV）等，視具體情況而定。
 

　　復合材料夾層結構基本概述
 

　　復合材料夾層結構的常見芯材見圖2。在設計時，對于面板材料考慮的主要因素是其強度和剛度，而對于芯材，主要考慮大限度地減輕重量。在飛機結構中，芯材通常使用鋁蜂窩、NOMEX?蜂窩、泡沫等固體材料。

 

　　圖2 復合材料夾心結構常用芯材

　　1.1 蜂窩材料

　　1）鋁蜂窩：鋁蜂窩夾層結構一般應用在承受剪切載荷較大的部位，其面板通常也是金屬板材，因為鋁蜂窩和碳纖維面板同時使用時，如果兩種材料之間電絕緣處理不當，就會發生電化腐蝕。

 

　　圖3 鋁蜂窩
 

　　2）NOMEX蜂窩：NOMEX蜂窩是采用芳綸紙浸潤酚醛樹脂制成，具有廣泛的應用領域。NOMEX蜂窩和鋁蜂窩相比，局部失穩的問題要小得多，因為NOMEX蜂窩的蜂窩壁可以做得相對要厚一些。另外，因為NOMEX材料本身不導電，不存在接觸電極腐蝕的問題。NOMEX蜂窩還能夠滿足FST（煙霧毒性）的要求。
 

 

　　圖4 NOMEX蜂窩結構實體

　　NOMEX蜂窩產品的牌號說明如下圖所示：

 

　　圖5 NOMEX蜂窩牌號說明

　　1.2 泡沫材料

　　泡沫是一種常用的芯材，主要品種有聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PU）、聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸亞胺（PMI）、聚醚酰亞胺（PEI）和丙烯腈-苯乙烯（SAN或AS），密度從30kg／m3到300kg／m3不等。通常在復合材料中，使用的泡沫密度在40kg／m3-200kg／m3之間。

　　聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）泡沫是一種交聯型硬質結構型泡沫材料，具有100%的閉孔結構，其均勻交聯的孔壁結構可賦予其突出的結構穩定性和優異的力學性能。

 

　　圖6 PMI泡沫

 

　　圖7 已成型的PMI泡沫加強筋（用于A320后隔框）


 

　　圖8 PMI填充的A320飛機擾流板樣件


 

　　圖9 PMI泡沫夾層結構直升機槳葉（后部為蜂窩填充）

　　蜂窩和泡沫各自的優缺點

　　2.1 蜂窩材料的優缺點

　　小型無人機通常是以蜂窩夾層結構為主的。蜂窩芯材是構成機體外形的重要材料。蜂窩種類包括非金屬的Nomex蜂窩、玻璃布蜂窩、牛皮紙蜂窩及金屬鋁蜂窩等，蜂窩的形狀、尺寸與性能各不相同。Nomex蜂窩已商品化，價格已經明顯降低，所以現在以使用Nomex蜂窩為主。

　　小型無人機機體結構要求蜂窩芯材具有孔格小、高度低和容重小的特點，小型無人機對Nomex蜂窩的質量控制要求并不很高，在滿足性能要求的前提下完全可選擇工業級Nomex蜂窩以降低成本。

　　NOMEX蜂窩夾芯優點是：

　　比強度、比剛度大；

　　價格便宜；

　　生產工藝方法成熟。

　　NOMEX蜂窩夾芯缺點是：

　　1）制造曲線面板較困難，蜂窩與加工臺面貼合較難，刀具選用的是專用的硬質合金蜂窩組合刀（一種碟狀片銑刀，見圖33），成本較高，該種刀具由刀片、刀體、刀桿組成。刀片在切削過程中起到將蜂窩材料從毛坯上切割開的作用，刀體上有數十組的鋸齒狀切削刃，其作用是在加工過程中將蜂窩芯材料撕碎，達到去除廢料的作用。但因蜂窩較軟，不易裝夾，所以加工成異形件比較困難；
 

 

　　圖10 硬質合金蜂窩組合刀實體
 

　　2）蜂窩為開暢式結構，在長期使用過程中，如果面板出現裂紋和孔隙的情況下（這種情況對于硬著陸的小型無人機來說幾乎是不可避免的）蜂窩內易積存水等液體，蜂窩與內、外玻璃鋼面板膠接成形后，這些水分不易排除，在高空底溫環境下結冰，體積變大，破壞鄰近的蜂窩孔格的粘結，造成面板脫膠，破壞壁板蒙皮結構；

　　3）由于蜂窩夾層結構件基本上采用共固化成型，在這種情況下通過蜂窩傳遞給面板的壓力是不均勻的，實際上大面積的蜂孔部位的面板無法獲得壓力，直接導致固化后面板中的纖維屈曲和預浸料在外壓作用下的凹陷（見下圖），并對預浸料層間粘接造成不利影響, 使得面板的力學性能降低（根據文獻介紹，面板的力學性能比單獨固化的面板力學性能下降10% ~ 20%，具體數值與蜂窩的孔格大小、面板厚度及外壓大小有關），表現形式就是蒙皮表面不規整，需要進一步修型。
 

 

　　圖11 蜂窩夾芯結構固化時蒙皮的變形情況
 

　　4）根據國外文獻報道，20年內收集的蜂窩雷達罩維修記錄表明，大約85%的蜂窩雷達罩因為蜂窩進水原因需要維修，大多數航空公司證實波音737飛機蜂窩雷達罩的平均無故障維修使用時間少于2年，這就使得蜂窩夾層件的維護費用使得原本質輕的優點與泡沫夾芯結構相比不再存在；

　　5）近年來隨著降低制造成本的要求，RTM（樹脂傳遞模塑）工藝技術的推廣，需要有一種輕質閉孔材料來代替，而蜂窩結構不能滿足RTM工藝的要求；

　　6）使用蜂窩時，由于蜂窩難以加工成需要的流線形狀，這必然導致蜂窩芯材的形狀與上下蒙皮形狀不能很好的吻合，如果溫和不好，會留下很大的縫隙，需要用膠黏劑填充，這將大量的消耗掉由于使用蜂窩芯材節省的重量。

　　2.2 泡沫材料

　　由于泡沫夾層結構具有水密、漂浮性能和整體填充機翼、尾翼內部結構容腔的工藝特性，其作為芯材在無人機機體結構中的應用較為常見，全容腔填充泡沫夾層結構的無人機機翼和尾翼無疑是典型的應用。
 

 

　　圖12 泡沫制備的無人機芯材
 

　　泡沫塑料芯材在機翼中主要起支撐玻璃鋼蒙皮與提高蒙皮穩定性的作用，同時局部還作為肋的腹板使用。

　　泡沫材料的優點是：

　　1）由于剛性泡沫夾芯是閉孔的，水和水汽不能進入夾芯內部，減少了飛機的維護檢查的成本，所以泡沫夾芯結構的全壽命成本就更加經濟；
 

 

　　圖13 PMI閉孔泡沫結構的顯微照片和微觀結
 

　　2）泡沫夾層結構變化形式要比蜂窩夾層結構的多，在選用泡沫芯材時，可以依據設計對材料的力學性能與使用性能的要求以及制造工藝方案的需要，從材料的種類、密度、閉孔率、吸水率和工藝性等方面進行綜合考慮與選擇，同時因為泡沫具有優良的二次加工性能，可通過加熱成型不同曲面形狀的制品，加工成型的自由度要比蜂窩材料多得多；

　　3）從工藝的角度來講，蜂窩和泡沫相比，泡沫機械加工相對簡單；對于復雜形狀，PMI 泡沫芯材可以熱成型。泡沫夾層結構和蜂窩夾層結構相比能夠適應更高的共固化溫度和壓力，不需要進行填充處理。在同樣的共固化條件下，泡沫夾層結構的復合材料蒙皮的力學性能相對蜂窩夾層結構的要高（因為在共固化條件下，蜂窩壁會導致復合材料的蒙皮纖維發生彎曲并形成富樹脂區）另外，泡沫芯材還能直接用于各種液體樹脂成型工藝（如Scrimp法、RTM等）方法制造復合材料；

　　4）泡沫具有比重小、耐高溫、低介電常數與損耗、抗壓強度高、比強度高、抗疲勞和蠕變性能好等優點，可實現與預浸料一步固化的工藝；

　　泡沫材料的缺點是：達到相同承剪能力時泡沫的重量要比蜂窩稍重一些。