夹层结构材料芯材.docx

为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划夹层结构材料芯材　　复合材料夹层结构基本原理　　前言我国复合材料工业的发展起始于20世纪50年代，经过50余年的发展，由于“轻质高强”的优异性能，其应用领域已由最初的航空航天和国防业渗透到了当今国民经济的各个领域，如化工管罐，运动器材，汽车部件，建筑，船艇，轨道交通，风力发电叶片等等随着复合材料应用领域的扩展，产品的尺寸不断变大，夹层结构的应用也越来越广泛　　1复合材料夹层结构基本原理　　复合材料夹层结构由强度很高的面层和强度较低的轻质夹芯材料组成，在弯曲荷载下，上下面层承担主要的拉应力和压应力，芯材主要承担剪切应力芯材的力学作用机理是连接面层使之成为整体构件，让薄而强的面层在承担较高拉压应力的同时不发生屈曲，并将剪切力从面层传向内层以面层厚度相等的单夹层结构在弯曲载荷作用下的响应为例，来说明夹层结构的基本原理　　面层和芯材的拉、压应力分布　　在弯曲载荷作用下，假设面层和芯材的界面没有损坏，即在界面处的变形是连续的，且材料处于线弹性范围内，则夹层结构产生的拉压应变分布如图1所示。

　　由于面层和芯材的弹性模量不同，所以其应力分布会发生突变，面层的拉、压应力远大于芯材的拉、压应力，如图2所示　　图2截面拉、压应力分布　　根据材料力学梁的弯曲理论，根据夹层结构的几何数据和各部分材料的弹性模量可以算出结构的等效刚度eq，则面层和芯材部位产生的拉、压应力如下：　　　　式中，M：夹层结构承受的弯矩　　y：离中性轴的距离　　Ef：面层的弹性模量　　Ec：夹芯材料的弹性模量　　面层和芯材的剪应力分布　　根据材料力学梁的弯曲理论，夹层结构中的剪应力分布如图3所示　　图3剪应力分布图4简化后的剪应力分布　　在工程实践中，为便于计算，可以对其进行线性简化，如图4所示那么剪应力可按下式进行简化计算：　　　　式中，Q：截面承受的剪力　　b：夹层结构梁的宽度c：芯材的高度　　面层和芯材的匹配　　从上面的分析可以看到，面层承担了大部分的拉、压力，芯材承担了大部分的剪力而面层的强度和刚度都远大于夹芯材料，对于夹层结构设计人员来说，如何能够使这两种力学性能大相径庭的材料完美的结合在一起，充分发挥各自的优点，即满足使用要求，又不浪费材料？在夹层结构受弯情况下，夹层结构主要是靠芯材的剪切来传递直接施加在面层上的力，在复合材料夹层结构中，FRP面层的模量和强度都很高，只有高剪切强度和大剪切断裂延伸率的芯材才适用，如常用的PVC、PET、SAN、PEI、PMI等泡沫芯材。

要根据夹层结构在使用中可能的受力状况，选用适当种类和密度的芯材，合理设计面层和芯材的厚度，按照前面介绍的应力计算方法，或用相关的有限元分析软件，进行反复的计算验证，最终达到较优的设计方案　　若选用剪切强度低，或是剪切断裂延伸率小的芯材，则芯材破坏时，面层可能只发挥了1%不到的强度，则会造成材料的浪费　　胶粘剂的选用　　用于粘接面层和夹芯材料的胶粘剂要有足够的剪切强度和韧性，保证粘接层不先于芯材而破坏，才能把剪切应力从面层传递到芯材，最终保持夹层结构的整体性另外，胶粘剂不能与芯材或面层发生化学反应，其固化成型温度不能影响芯材和面层的性能　　2夹芯材料基本力学性能　　前面提到，只有剪切性能高的芯材才适用于复合材料夹层结构市场最常用的是硬质泡沫塑料　　和balsa轻木总体来说，轻木力学性能高，但离散性大，由于来自特定地区的天然木材，产量有一定限制；泡沫芯材力学性能一般低于轻木，但性能十分稳定，且可以随市场需求不断的提高产量另外，作为结构芯材的还有各类蜂窝，玻璃钢梯形板等泡沫芯材　　目前，市场上常用的泡沫芯材主要有PVC、PET、PEI、PMI、SAN等，目前在复合材料夹层结构中应用最多的是PVC泡沫芯材。

Airex公司的C70系列PVC泡沫为市场主流PVC产品，密度范围从40~200kg／m3，以此为例来说明其基本力学性能　　本文对Airex公司C70系列PVC泡沫的压缩强度、压缩模量，剪切强度、剪切模量，拉伸强度和拉伸模量等力学性能与密度的关系进行了分析表1为此PVC泡沫系列产品的力学性能数据　　表1AirexC70泡沫力学性能　　性能单位ρ　　4848　　6069　　80104　　　　　　200　　280　　kg/m³40　　E-τ　　N/mm²37N/mm²　　GN/mm²1316　　夹层结构材料芯材)提出了局部固化　　制造方法，采用激光法对预浸料非弯曲的部位进行局部固化，这样未固化弯曲的部位就相当于柔性的铰链，对其四周施加一定的作用力就可以完成零件的成型但是这种成型方法是对材料进行快速固化，因此存在着较大的残余热应力，极大地降低材料本身的性能ValentinI[8]等结合折叠夹芯层的可展的特点，采用折叠机构和真空袋组合的成型方式通过铰链将一些几何形状完全相同的金属片连接起来，制作出一种可变形模具，预浸料放在折叠板的外表面，再将整个结构用真空袋密封，在真空压力和折叠结构共同作用下板料被折叠成褶皱芯子形状，然后放在热压罐中加热加压固化成型。

该折叠机构简单，适合于不同几何尺寸和样式的芯子结构；但折叠结构运动的协调性很难保证，每个结构单元要求非常高的加工精度和高的装配精度　　一般需要真空设备和大型的热压罐辅助成型，在折叠结构的转角处纤维变形大，常产生扭曲从目前芯材制备来看，成型工艺比较复杂，成本较高，如何制备出性能优异的折叠夹芯结构是研究者所必须面对的挑战以复合材料为例，折叠夹芯结构的制备涉及多方面技术，如胶接技术、预浸技术、共固化技术等，为此有必要开展纤维的浸润性、树脂的流动性、固化特性、面芯粘结特性等方面的研究工作推动复合材料折叠夹芯结构的应用，需发展新的制备工艺，以便于制造大型尺寸的复合材料折叠夹芯结构为此，成型工艺需遵循以下原则：工艺方法简单，容易实现标准化、批量化、低成本化，这样才能使得该结构在工程良好的一致性效果HeimbsS[9]等采用数值模拟方法研究了冲击载荷下复合材料折叠夹芯结构的能量吸收性能，结果表明，折叠夹芯结构的抗冲击性、损伤机制和能量吸收性取决于面板的材料和厚度，而芯子影响较小，但高刚度折叠芯子可阻止夹芯结构层合面板的整体弯曲和分层，面板吸收了大部分冲击能量，冲击损伤区域在冲头下向外扩展得较小从近年来的文献可以看出，复合材料折叠夹层结构数值模型研究工作相对较少，主要集中于压缩和高低速冲击模拟。

一方面是因为复合材料失效机理比较复杂，数值模拟时往往牵涉到逐渐失效和刚度退化准则，很难建立准确的数值预报模型另一方面是因为其力学性能很大程度上取决于复合材料折叠夹芯层制造工艺，实验件内部缺陷较多，而所建立的数值模型却无法考虑这种缺陷，使得数值结果与试验值间偏差较大　　功能性研究　　国内南京航空航天大学的王志瑾课题组研究了金属折叠夹芯结构的隔音隔热性能、电磁性能，通过对比试验，分析折叠芯材的隔音性能的基本规律，在等面密度的情况下，低频时不同构型的夹层板隔声量差别较大，在高频时隔声量差别逐渐变小；各种夹层板的隔声量最低点出现的频率和隔声量的最小值并不是随着空间压缩程度的增大、平面压缩程度的减小而单调变化；并指出折叠夹芯结构　　吸声性能高于蜂窝结构而后又对金属折叠夹芯结构的电磁屏蔽性能进行了研究，指出在一定的结构参数下，轻质铝箔折叠芯层的雷达散射截面比同样平面几何尺寸的平板小，有的甚至降低折叠夹心层表面凸凹不平，面、线不连续，相对于同样轮廓尺寸的平板，具有较好的雷达散射性能，RCS明显降低，其降低程度与两面角有较大的关系张辉研究了折叠芯材夹层几何特征参数对其基本热传导性能的影响，总结了折叠芯材夹层板的当量热传导系数随折叠板几何特征参数的变化规律。

　　随着参数L的增大，斜面上传热路径增长，温度梯度降低，热流密度降低，整个单元体的热阻将增大Z型线步长S方向温度梯度变化时，高度H方向的温度梯度也在变化因此，Z型线步长S方向对热流密度的影响包括两个方向，高度H方向和步长S方向对于整体H方向，S增大，单元体热阻将降低　　对折叠夹芯结构的隔音隔热性能、电磁性能进行研究，结果表明这种结构不但具有良好的力学特性，而且具有优异的物理学特性，这对于结构本身应用的拓展具有巨大的意义综合考虑结构、强度、隔声、隔热等要求，实现一体化设计还有待于研究　　2新型装配式混凝土结构技术的应用　　装配式混凝土具有质量好、生产效率高和经济环保等优点，装配式结构是指构件在工厂或施工现场进行预制，经过机械吊装等连接手段，将零散的预制构件连接成一个整体的一种新型结构技术[10]　　装配式混凝土结构在国内外的应用　　在美国，装配式混凝土结构建筑广泛应用于各种建筑，包括：居住建筑，学校、医院、办公等公共建筑，停车库，单层工业厂房等由于大量应用大型预应　　力预制混凝土构件技术，使装配式混凝土结构技术更充分地发挥了其优越性，体现了施工速度快、工程质量好、工作效率高、经济耐久等优势。

西欧作为预制混凝土的发源地，装配式混凝土建筑具有较长的历史，积累了大量的技术经验，其预制装配式混凝土的应用极为普遍?，它们强调设计、材料、工艺和施工的完美结合，也因此很好的体现了不同体型和不同建筑形式的特点在新西兰装配式混凝土的应用也极为广泛，利用新型装配型混凝土技术有效地减少了劳动力、加快了工期，新西兰由于处于活动地震地带，在建筑结构方面要求严格，而装配式混凝土的应用可以有效解决这一问题，新型装配式混凝土体现出了很好的抗震性能在亚洲装配式混凝土发展最为先进的是日本，从第二次世界大战之后日本的装配式混凝土建筑迅速发展，并且在地震区的高层和超高层建筑中应用十分广泛，日本建筑的预制技术处于世界的领先水平，质量标准非常高，经历了多次地震考验，体现出日本在装配式混凝土方面较高的综合技术水平　　在我国装配式混凝土结构的发展极为迅速，在20世纪末期已经广泛应用于工业、桥梁道路、水工建筑和民用建筑，发挥着重要作用从20世纪50年代我国开始制造整体式、块拼式屋面梁和吊车梁等，到70年代末引进南斯拉夫预制预应力混凝土板柱结构体系，装配式混凝土在我国的发展越来越快[11]　　装配式混凝土结构的概念、优缺点　　装配式混凝土结构的概念　　装配式混凝土是以预制构件为主要受力构件，经过装配和连接而成的混凝土结构，预制装配建筑的主要特点是构件在工厂制作，然后运送到现场，用机械或人工进行安装。

该施工方法比传统方法可节省人工25％～30％、降低造价10％～15％、缩短工期50％左右装配式混凝土由于构件是在有较好设备、一定工艺流水线上加工生产，因而有利于广泛的采用预应力等技术，既节约生产原料质量又稳定，还可以大量的利用工业废料，如采用粉煤灰矿渣混凝土，选用轻骨料混凝土另外装配式结构在一定程度上减少了城市垃圾，如废钢筋、废铁丝、废竹木材和废弃混凝土等[12]　　装配式混凝土结构的优缺点　　装配式混凝土具有一系列优点，因此在建筑中有很强的实用性第一，装配式混凝土强调设计、材料、工艺和施工的完美结合；第二，由于装配式混凝土建筑在欧洲具有较长的历史，在技术上积累了大量的经验；第三，由于长期可持目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。