1　夹层结构的介绍

　　夹层结构是一种层合复合材料的特殊形式，它是由不同材料相互粘接组合，通过利用各个组分的性能特点达到整个系统组成的结构优势。
　　夹层结构一般是由上面板、上面板与芯材的粘结层、芯材、下面板与芯材的粘结层以及下面板所构成，这五个要素组成了一个整体的夹层结构。
　　在构造上通常是采用厚度较薄、强度高、刚度大的材料作为面板，而用密度小、厚度较大、有一定承剪能力的材料作为芯材，用胶接的方法把它们连接起来。
　　夹层结构传递荷载的方式类似于工字梁。工字梁的翼板的位置离断面的中性轴远，以承担面内拉压应力，腹板使翼板之间保持一定的距离而彼此分开，同时，腹板在两个翼板之间分散剪切应力。同样的，夹层结构中，具有高强度、高模量的上下面板分布在远离中性轴的位置从而承受面内拉压应力，而轻质的芯材夹在中间以使上下面板材料之间彼此分开且保持一定的距离，并分散剪切应力。
　　夹层结构的弯曲刚度性能主要取决于面板的性能和两层面板之间的高度，高度越大其弯曲刚度就越大。夹层结构的芯材主要承受剪应力并支持面板不失去稳定性，通常这类结构的剪力较小。选择轻质材料作为夹芯，可较大幅度地减轻构件的重量。当然，对于面板很薄的夹层结构，还应考虑抗冲击载荷的能力，所以面板的小厚度必须满足一定的条件。
　　由于芯材是由轻质但相对于面板强度较低的材质做成，所以芯材可以大面积的分布在上下面板之间，而并非像工字钢材腹板那样对翼板提供局部支撑。

2　航天航空复合材料夹层结构的设计

　　复合材料夹层结构在飞机结构中有着广泛的应用，参见图1。对结构高度大的翼面结构，蒙皮壁板(尤其是上翼面壁板)采用夹层结构能明显减轻重量。对于结构高度小的翼面结构(尤其是操纵面)，采用全高度夹层结构代替梁肋式结构也能带来明显的减重效果。

　　除了上述传统的夹层结构以外，还有一种新型的夹层结构形式―泡沫填充帽形加筋条。在航天航空结构的设计中，为了减轻重量，通常会设计一些复合材料薄壁结构。在弯曲和轴向压力作用下，复合材料薄壁结构常常会发生稳定破坏，失稳破坏总是在材料到达压缩破坏强度以前，在受压部位出现，为此工程师常常通过用长桁和肋／框组成纵、横向加强件来提高板的稳定性。实际上，某些次结构件或者内饰件也可以使用夹层结构设计来满足强度、刚度要求。对于常用的加筋板，图2(a)中，加筋板分3步制造，包括面板固化、加筋条固化和二次胶接。尽管可以通过一些高效率、低成本的方法，例如挤出工艺制造出加强筋，但是由于采用了二次胶接，抵消了成本优势。另外一种方法是加强筋和面板采用共固化工艺，如图2(b)所示，设计中可以采用和树脂有相同固化周期的胶膜来提高胶接面整体性。加强筋可以经过预固化或者未经预固化，这样加强筋和蒙皮结合在一起。图2(c)中，增加了设计尺度，这也带来微观的设计。图2(d)是放弃整个I形加强筋的概念，采用泡沫填充帽形加筋条的设计方法。和空心的帽形加筋条结构相比，避免了帽筋条的侧壁产生失稳，导致结构过早破坏。

　　泡沫填充帽形加筋条的面内压缩强度和空心加筋条相比，在结构出现初始失稳时，失稳载荷提高约100％(参见图3)。芯材主要承受和加强筋侧表面垂直方向的拉应力和压应力，避免在碳纤维，环氧复合材料面板达到屈服强度前，结构过早地发生失稳破坏。

　　综合上面的介绍，复合材料夹层结构在飞机结构中主要有下面三种结构设计形式：

　　(1)全高度夹层结构设计

　　(2)蒙皮夹层结构

　　(3)泡沫填充帽形加筋条

　　三种结构设计形式之间的对比：

　　目前飞机复合材料夹层结构主要的应用的部件有：起落架舱门、雷达罩、地板、发动机短舱、飞行控制面(襟翼、副翼、升降舵、扰流板等)、翼身整流罩、翼稍小翼以及泡沫填充帽形加筋条用于加强壁板和蒙皮等。

3　结构性芯材和非结构性芯材的概念

　　夹层结构的芯材通常使用铝蜂窝、泡沫或NOMEX^®蜂窝等多孔固体材料。泡沫芯材和蜂窝芯材在力学性能、工艺性能和使用耐久性方面都有所不同。在设计过程中，蜂窝材料在夹层结构中，是作为结构单元。但是泡沫，除了可以作为结构单元以外，还常常作为芯模或者同时具备芯模和结构单元的双重作用。这里的芯模，有双重含义，一重含义是铺层过程中的芯模，另外一重含义是固化过程中的芯模。如果芯材作为非夹层结构的结构单元，就不需要考虑芯材的强度等结构性指标。

　　关于泡沫作为非结构性芯材的应用可以参见波音X-45A验证机项目。复合材料占X-45 A结构重量的45％。在机翼制造中，为提高剐性、减轻重量并简化加工工艺，美国泡沫基体公司(Foam Matrix)按肋条、桁条、电气线路及其他机翼部件加工出模具，然后模塑出整体的泡沫芯材。然后在泡沫芯材上缠绕复合材料纤维，送回模具进行树脂注射。这里，泡沫芯材在结构设计中不考虑其对整个结构的强度和刚度的贡献，只考虑其是否能够满足工艺要求，主要是共固化过程中的尺寸稳定性的要求。
　　在夹层结构的设计过程中，如果考虑到泡沫作为结构性芯材，需要按照相关的设计规定进行设计，例如美国民用飞机复合材料结构适航取证的咨询通报AC20-107B(2009年9月8日颁布)，并建立相应的无损检测的方法和标准。

4　复合材料夹层结构常见芯材

　　复合材料夹层结构的常见芯材，参见图5。

　　在设计时，对于面板材料考虑的主要因素是其强度和刚度，而对于芯材，主要考虑大限度的减轻重量。在飞机结构中，芯材通常使用铝蜂窝、泡沫或NOMEX^®蜂窝等多孔固体材料。
　　(1)铝蜂窝
　　铝蜂窝夹层结构一般应用在承受剪切载荷较大的部位，其面板通常也是金属板材，因为铝蜂窝和碳纤维面板一同使用时，如果两种材料之间电绝缘处理不当，就会发生电化腐蚀。
　　(2)NOMEX^®蜂窝
　　NOMEX^®蜂窝是采用芳纶纸浸润酚醛树脂制成，具有广泛的应用领域。NOMEX^®蜂窝和铝蜂窝相比，局部失稳的问题要小得多，因为NOMEX^®蜂窝的蜂窝壁可以做得相对要厚一些。另外，因为NOMEX^®材料不导电，不存在接触电化腐蚀的问题。NOMEX^®蜂窝还能够满足FST(烟雾毒性)要求。
　　(3)PMI(Polymethacrylimide，聚甲基丙烯酰亚胺)泡沫
　　PMI泡沫在进行适当的高温处理后，也能承受高温的复合材料固化工艺要求，这样使得PMI泡沫在航空领域得到了广泛的应用。中等密度的PMI泡沫具有很好的压缩蠕变陛能，可以在120~180％温度、0.3~0.5MPa的压力下热压罐固化。PMI泡沫能满足通常的预浸料固化工艺的蠕变性能要求。作为航空材料的PMI泡沫是一种均匀的刚性闭孔泡沫，孔隙大小基本一致。PMI泡沫也能满足FST要求。
　　(4)PVC泡沫
　　PVC泡沫的主要优点是价格相对便宜，通常用来制造小型飞机构件，制造工艺不需要热压罐，固化温度低于120℃。在使用RTM工艺的时，需要对PVC泡沫加热后释放的气体给予一定的重视，因为这会导致面板材料内部产生孔隙。
　　综合上面的对比，可以看出目前航天航空复合材料夹层结构可以选用的泡沫芯材主要是PMI泡沫材料，参见图6。