摘要：复合材料的最大好处之一是可以选择使用“芯”来创建跨厚度密度可变的结构。考虑到一块材料的弯曲，直觉上相同材料的较厚的部件在弯曲时会比较薄的部件更硬。厚物体的问题在于它们很重，并且只有边缘的材料在弯曲下承受很大的拉伸或压缩载荷。芯材可以让您用更轻的材料代替中间部分

您可以将一根轴上的芯材复合板想象成工字梁。工字梁的腹板用于保持凸缘分开并防止它们彼此滑动。对于复合材料中的夹层结构，芯材充当复合材料结构的“网”。

面板是在一个表面上进行的，而不是像梁那样的单个轴。由于变量太多，复合材料面板的设计可能很困难。芯材具有多种剪切和压缩特性。表皮厚度、纤维取向和材料类型对整个面板的性能都起着重要作用。最重要的是，将蒙皮粘合到密度低得多的芯材有时是一个挑战！

本文介绍芯材基础知识以及如何以非数学方式考虑复合材料芯材设计。

这是两个面板。它们均由无碱玻璃和环氧树脂制成。它们的重量大约相同。一个有芯材，另一个没有。

刚度更大，但重量却没有增加太多

因此，对于上一节图片中的那些面板（带有大铝块弯曲的面板），有芯面板（9.5毫米芯上的 1.5毫米蒙皮）比单层 3毫米蒙皮硬约 40 倍”厚面板。同样的重量，还不错！

为什么不全用芯材？

并不全用芯材！型芯给您的零件带来许多额外的结构和制造挑战。对于某些类型的结构，它们带来的麻烦大于其价值，较厚的单层面板或用肋骨、纵梁和舱壁等结构构件加固的面板可能是更好的选择。

芯材的一大缺点是面板或表皮很薄，容易损坏和分层。在受到冲击的情况下，芯材可能会凹陷并脱离蒙皮，或更糟糕的是，蒙皮可能会破裂并暴露出仅由剩余蒙皮支撑的薄弱芯材。有时，这种故障可能是灾难性的，并且会导致负载或弯曲下损坏迅速蔓延。一旦表皮从芯材上脱离，剪切载荷就不再传递，层压板就会失去刚度。

芯材结构的建造也更加复杂。接缝和孔周围的芯材细节导致了不明显的负载条件，因为蒙皮中的应力以不太优雅的方式聚集在一起。需要格外小心，以确保边缘用法兰盖住或加固。芯材粘合可能会出现问题，可能会出现空隙或未粘合区域。泡沫、木材和蜂窝体都有可能出现问题的区域，如果不进行广泛的破坏性或非破坏性测试，并不总是容易发现问题。

所以……这只是芯材因重量轻和超刚度带来的潜在问题的一些概述。

在选择芯材时，您有很多选择。不仅可以使用不同的材料，而且对于每种材料来说，常见的密度也多种多样。用作芯材的泡沫密度低至每立方米 30 公斤，最高可达每立方米 200 公斤甚至更高。蜂窝更加复杂，因为它们需要考虑密度、单元尺寸和材料的方向。稍后将详细介绍蜂窝。首先，以下是我们将要讨论的芯材材料的一些图片

端纹轻木是通过将轻木树的木材切成薄片并并排排列的方式制造的。木材的纹理沿着厚度方向延伸，以提供最大的抗压强度。轻木的密度会根据木材本身的特性进行分级。它可以以轮廓切割片材的形式购买，通常是将小块轻木粘附在稀松布上，这种片材适用于需要弯曲表面的应用；也可以以实心片材的形式购买，实心片材通过将小块轻木的边缘粘合在一起形成大块。

Nomex蜂窝由芳纶纸（Nomex是杜邦公司注册的商标，常用来指代该类型的纸）制成，并在特定位置的条带上涂有树脂。这种部分粘合的Nomex纸被堆叠起来并通过压制粘合。当树脂固化后，片材被分开，每个相邻片材的胶合表面依然粘在一起，最终形成六边形蜂窝单元形状。粘合在一起的边缘被对折并保持平行，因此这种方向的剪切强度更高，这一方向被称为“L”方向或“带”方向。与“L”方向垂直的方向被称为“W”方向。接下来，蜂窝纸被浸泡在酚醛树脂中，并且在将蜂窝坯料切割成片材之前，树脂会固化。蜂窝的密度由纸基材的厚度以及蜂窝体膨胀后涂覆的树脂量来控制。

Gurit Corecell M-Foam是一种SAN（苯乙烯丙烯腈）泡沫，而DIAB Divinycell H则是一种PVC（聚氯乙烯）泡沫。这两种材料都非常常见，并具有类似的特性。虽然Divinycell的机械性能略胜一筹，但Corecell泡沫在强度方面表现更好，尤其是在实际操作过程中能够感受到这一点。这两种泡沫常常根据相似的密度互相替换使用。Corecell M泡沫可以成功地与低温固化预浸料配合使用，尽管与高性能泡沫（如PEI或PMI泡沫，如Rohacell）相比，其尺寸稳定性较差。

芯材面临两种主要类型的载荷：压缩载荷和剪切载荷。

压缩载荷：压缩载荷会将芯材压缩在一起，试图将其压碎。主要的压缩载荷来自外部压力和冲击，但最常见的是当弯曲载荷施加到整个面板时，两个蒙皮（表层）之间的距离会变小，导致芯材承受压力。这种载荷试图将芯材挤压在一起。

剪切载荷：剪切载荷由弯曲载荷产生，它来源于拉伸面和压缩面之间的差异。具体来说，当面板发生弯曲时，底部蒙皮会被拉长，而顶部蒙皮则变短。这种差异导致芯材在蒙皮之间产生滑动的压力。芯材本身在这个过程中需要承受来自蒙皮之间的剪切力。

这是一张图片：

在没有弯曲负载的情况下，面板是平的。当外部负载（例如箭头指示的向下弯曲力）作用于面板时，底部蒙皮“被要求”拉长，而顶部蒙皮则“被要求”缩短。芯材处于压缩状态，三个气缸压在面板上。在这种情况下，芯材“拉动”顶部蒙皮的中间部分，并“拉出”底部蒙皮。上面和下面蒙皮之间的这种差异产生了剪切载荷，试图使芯材沿着蒙皮滑动。

芯材的表层粘合层需要能够承受这种剪切力，同时芯材本身也必须能够抵抗沿蒙皮方向的分裂。当负载过大时，底部蒙皮会在张力下失效，而芯材可能会由于与底部蒙皮的粘合关系而发生分裂。此时，面板仍然在弯曲，但剪切力已转移到顶部蒙皮中，因为它变得更加灵活。

现在让我们看看一些常用的芯材并检查它们的相对机械性能：

Nomex蜂窝和轻木的压缩强度较高，但是为什么还要使用泡沫呢？很多情况下，并不需要特别高的抗压强度。如果没有必要，为什么要选择更重或者更贵的材料？泡沫在处理冲击力方面更有优势，而且在加工过程中，其稳定性通常比轻木要好。此外，泡沫材料的制造工艺比蜂窝材料要简单得多。

蜂窝芯材（尤其是Nomex）在剪切强度方面表现优秀，尤其是“L”方向**。这也是为什么我们在高性能应用中（例如飞机、赛车、船只等）经常看到蜂窝芯材的原因，尤其是在追求轻质和高性能的情况下（尽管这些物品通常价格不菲）。蜂窝结构的加工过程几乎总是使用预浸料，这不仅增加了制造的复杂性，还大幅提升了成本。对于一些高性能项目来说，这种投资是值得的，但对于大多数应用来说，蜂窝结构并不总是最合适的选择。

芯材在制造坚硬且轻质的复合材料结构中的重要性不言而喻。但如何设计才能既能成功制造，又能有效利用其机械性能而不出现其他问题呢？复合材料的工程设计过程并不简单。虽然我无法从严谨的工程学角度详细阐述，但我会尽量涵盖相关的基本概念和设计权衡。

您的目标是在芯材和表层之间取得平衡，使得层压板作为一个整体能发挥其所需的功能。当面板承受负载时，表皮的强度、刚度和厚度必须与芯材的压缩强度、剪切强度和密度相匹配。不同的设计要求可能需要不同的组合。例如，船只需要处理由发动机（或帆）驱动的全局负载，同时船体底部需要吸收和传递来自波浪的冲击负载，甲板则需要承受人们走动（包括穿高跟鞋的影响）产生的局部负载。全局负载和局部负载对结构的要求不同，设计时必须兼顾这些不同的需求。

面板内部也需要达到另一种平衡。如果使用较厚的高密度芯材配上非常轻的表层，表层可能会在芯材拉伸之前就发生破裂或弯曲，从而导致不必要的重量增加。相反，如果使用轻质蜂窝芯材搭配厚重的碳纤维表层，芯材可能会在表层弯曲并吸收部分弯曲能量之前就被压碎、剪切或破裂。设计时要注意，随着表皮厚度的增加，芯材的密度通常应适当提高。记住，许多结构是由不同密度的芯材甚至是同一面板或部件的不同芯材类型组成的。在一些高负载或机械连接区域，芯材可能会被完全去除。

测试和实验是验证设计的重要手段。如果您正在设计复合材料结构（特别是芯结构），制作测试面板是最有价值的步骤之一。通过切割不同样品的条带并进行弯曲（甚至折断）测试，您可以直观地了解这些材料的实际表现和承载能力。用锤子敲击样品或让样品承受重物冲击，可以帮助您了解不同表皮厚度和芯材在损坏时的表现。

请记住，尽管有时使用一些看似不科学的方法（例如用锤子敲击或手动破碎样品），但为了确保测试的可靠性，尽量控制变量是至关重要的。对每个样品进行相同的处理，例如相同的切割宽度、相同的冲击高度和方式，确保每次测试的操作一致，以减少可能的误差。

根据您的工程经验和测试设备的条件，您可能会觉得这些实验方法不够精确，但在许多情况下，这样的手段是完全可行的。如果您对自己的假设感到满意，那么花费在测试上的时间和金钱就不会被浪费。建造一些又大又贵的东西，然后不得不扔掉它或进行重大修改，是非常令人沮丧的，因为你从一开始就没有正确地掌握基本工程。正如我之前所说的，若有疑问，最好的办法是寻求经验丰富的专业人士的帮助。

总的来说，以下几点尤为关键：

芯材“三明治结构”非常适合制造轻质且坚硬的面板，这是最有效的方法之一。

芯材特性与表皮层压板特性需要达到平衡，确保面板的整体性能和局部性能都能满足设计需求。

进行测试板实验验证设计假设，以避免在实际生产中出现问题。

来源：小钱说科学