在复合材料夹芯结构中，根据芯材的材料与几何形状的不同，通常可分为蜂窝夹芯结构、泡沫夹芯结构、波纹板夹芯结构和其他夹芯结构。其中在工程应用中，为广泛和成熟的夹芯结构是泡沫夹芯结构和蜂窝夹芯结构。

　　夹层结构的原理及作用可以借助工字梁加以说明（如图1所示）：夹层结构的面板相当于工字梁的凸缘，目的是将高密度、高强度的材料置放在离中性轴尽可能远的地方，从而增加截面模数或惯性矩；夹层结构中的芯材相当于工字梁的腹板，腹板支撑着凸缘使它们成为一个整体。工字梁的腹板和夹层结构的芯材都承受梁的剪切应力，夹层结构的芯材与工字梁腹板的不同之处在于它对面板保持着连续的支撑，能使面板达到或超过其屈服强度而仍不起皱或屈曲。蜂窝结构中的胶层必须能在面板与夹层物之间传递剪切载荷，使结构成为一个整体。当夹层板象一根梁来承受载荷时，芯材和胶层就用来抵抗弯曲力所引起的剪切载荷，同时面板承受弯曲力矩或拉伸和压缩载荷。当夹层结构象一根柱一样受载时（侧压时），只有面板单独抵抗柱的轴向载荷，芯部则完全用来稳定面板以防屈曲。
 

 

　　图1 工字梁与夹心结构的对比
 

　　作为设计方案的重要组成部分，夹层结构的选材问题是必须先加以考虑的问题。选择面板时，主要考虑的是复合材料的刚度和强度。但对于芯材的选择．先考虑的是重量，其次为了使面板在相互之间保持一定距离的同时保持稳定，夹芯材料还必须承担一定的应力。而且一般来讲，根据使用部位的不同，对芯材的性能要求也有所不同。

　　对芯材的主要性能要求包括以下几个方面：

　　1）强度和刚度：芯材主要承担的是剪应力，有时还须承担压应力。所以这里比较关键的是剪切破坏强度和剪切刚度，另外，压缩强度也应该加以考虑；

　　2）抗冲击性能：当夹层结构承受撞击时，一般要考虑两种情况下的冲击性能。一种是抗击穿强度：硬物以一定的速度冲击时，夹层结构不能被击穿，以保证人员和设备的安全；另一种是抗低质量物体撞击性能，在诸如飞禽（0.5kg）以约500km／h的速度冲击时，夹层结构不会导致永久破坏，即夹层结构在一般的冲击状况下不破坏；抗冲击性能对飞机机头部位的夹层结构尤为重要。

　　3）热性能：在夹层结构固化过程中，泡沫必须能够在一段时间内，承受温度和压力的综合作用。耐蠕变压缩性能是决定共层结构构件制造过程可靠性和重复性的重要指标；

　　4）疲劳强度：由于工作中受到交变荷载，疲劳性能是一个重要指标；

　　5）其他性能：防火、隔音降噪、防雷击、电磁兼容（EMV）等，视具体情况而定。
 

　　复合材料夹层结构基本概述
 

　　复合材料夹层结构的常见芯材见图2。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，主要考虑大限度地减轻重量。在飞机结构中，芯材通常使用铝蜂窝、NOMEX?蜂窝、泡沫等固体材料。

 

　　图2 复合材料夹心结构常用芯材

　　1.1 蜂窝材料

　　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同时使用时，如果两种材料之间电绝缘处理不当，就会发生电化腐蚀。

 

　　图3 铝蜂窝
 

　　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材料本身不导电，不存在接触电极腐蚀的问题。NOMEX蜂窝还能够满足FST（烟雾毒性）的要求。
 

 

　　图4 NOMEX蜂窝结构实体

　　NOMEX蜂窝产品的牌号说明如下图所示：

 

　　图5 NOMEX蜂窝牌号说明

　　1.2 泡沫材料

　　泡沫是一种常用的芯材，主要品种有聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PU）、聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸亚胺（PMI）、聚醚酰亚胺（PEI）和丙烯腈-苯乙烯（SAN或AS），密度从30kg／m3到300kg／m3不等。通常在复合材料中，使用的泡沫密度在40kg／m3-200kg／m3之间。

　　聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）泡沫是一种交联型硬质结构型泡沫材料，具有100%的闭孔结构，其均匀交联的孔壁结构可赋予其突出的结构稳定性和优异的力学性能。

 

　　图6 PMI泡沫

 

　　图7 已成型的PMI泡沫加强筋（用于A320后隔框）


 

　　图8 PMI填充的A320飞机扰流板样件


 

　　图9 PMI泡沫夹层结构直升机桨叶（后部为蜂窝填充）

　　蜂窝和泡沫各自的优缺点

　　2.1 蜂窝材料的优缺点

　　小型无人机通常是以蜂窝夹层结构为主的。蜂窝芯材是构成机体外形的重要材料。蜂窝种类包括非金属的Nomex蜂窝、玻璃布蜂窝、牛皮纸蜂窝及金属铝蜂窝等，蜂窝的形状、尺寸与性能各不相同。Nomex蜂窝已商品化，价格已经明显降低，所以现在以使用Nomex蜂窝为主。

　　小型无人机机体结构要求蜂窝芯材具有孔格小、高度低和容重小的特点，小型无人机对Nomex蜂窝的质量控制要求并不很高，在满足性能要求的前提下完全可选择工业级Nomex蜂窝以降低成本。

　　NOMEX蜂窝夹芯优点是：

　　比强度、比刚度大；

　　价格便宜；

　　生产工艺方法成熟。

　　NOMEX蜂窝夹芯缺点是：

　　1）制造曲线面板较困难，蜂窝与加工台面贴合较难，刀具选用的是专用的硬质合金蜂窝组合刀（一种碟状片铣刀，见图33），成本较高，该种刀具由刀片、刀体、刀杆组成。刀片在切削过程中起到将蜂窝材料从毛坯上切割开的作用，刀体上有数十组的锯齿状切削刃，其作用是在加工过程中将蜂窝芯材料撕碎，达到去除废料的作用。但因蜂窝较软，不易装夹，所以加工成异形件比较困难；
 

 

　　图10 硬质合金蜂窝组合刀实体
 

　　2）蜂窝为开畅式结构，在长期使用过程中，如果面板出现裂纹和孔隙的情况下（这种情况对于硬着陆的小型无人机来说几乎是不可避免的）蜂窝内易积存水等液体，蜂窝与内、外玻璃钢面板胶接成形后，这些水分不易排除，在高空底温环境下结冰，体积变大，破坏邻近的蜂窝孔格的粘结，造成面板脱胶，破坏壁板蒙皮结构；

　　3）由于蜂窝夹层结构件基本上采用共固化成型，在这种情况下通过蜂窝传递给面板的压力是不均匀的，实际上大面积的蜂孔部位的面板无法获得压力，直接导致固化后面板中的纤维屈曲和预浸料在外压作用下的凹陷（见下图），并对预浸料层间粘接造成不利影响, 使得面板的力学性能降低（根据文献介绍，面板的力学性能比单独固化的面板力学性能下降10% ~ 20%，具体数值与蜂窝的孔格大小、面板厚度及外压大小有关），表现形式就是蒙皮表面不规整，需要进一步修型。
 

 

　　图11 蜂窝夹芯结构固化时蒙皮的变形情况
 

　　4）根据国外文献报道，20年内收集的蜂窝雷达罩维修记录表明，大约85%的蜂窝雷达罩因为蜂窝进水原因需要维修，大多数航空公司证实波音737飞机蜂窝雷达罩的平均无故障维修使用时间少于2年，这就使得蜂窝夹层件的维护费用使得原本质轻的优点与泡沫夹芯结构相比不再存在；

　　5）近年来随着降低制造成本的要求，RTM（树脂传递模塑）工艺技术的推广，需要有一种轻质闭孔材料来代替，而蜂窝结构不能满足RTM工艺的要求；

　　6）使用蜂窝时，由于蜂窝难以加工成需要的流线形状，这必然导致蜂窝芯材的形状与上下蒙皮形状不能很好的吻合，如果温和不好，会留下很大的缝隙，需要用胶黏剂填充，这将大量的消耗掉由于使用蜂窝芯材节省的重量。

　　2.2 泡沫材料

　　由于泡沫夹层结构具有水密、漂浮性能和整体填充机翼、尾翼内部结构容腔的工艺特性，其作为芯材在无人机机体结构中的应用较为常见，全容腔填充泡沫夹层结构的无人机机翼和尾翼无疑是典型的应用。
 

 

　　图12 泡沫制备的无人机芯材
 

　　泡沫塑料芯材在机翼中主要起支撑玻璃钢蒙皮与提高蒙皮稳定性的作用，同时局部还作为肋的腹板使用。

　　泡沫材料的优点是：

　　1）由于刚性泡沫夹芯是闭孔的，水和水汽不能进入夹芯内部，减少了飞机的维护检查的成本，所以泡沫夹芯结构的全寿命成本就更加经济；
 

 

　　图13 PMI闭孔泡沫结构的显微照片和微观结
 

　　2）泡沫夹层结构变化形式要比蜂窝夹层结构的多，在选用泡沫芯材时，可以依据设计对材料的力学性能与使用性能的要求以及制造工艺方案的需要，从材料的种类、密度、闭孔率、吸水率和工艺性等方面进行综合考虑与选择，同时因为泡沫具有优良的二次加工性能，可通过加热成型不同曲面形状的制品，加工成型的自由度要比蜂窝材料多得多；

　　3）从工艺的角度来讲，蜂窝和泡沫相比，泡沫机械加工相对简单；对于复杂形状，PMI 泡沫芯材可以热成型。泡沫夹层结构和蜂窝夹层结构相比能够适应更高的共固化温度和压力，不需要进行填充处理。在同样的共固化条件下，泡沫夹层结构的复合材料蒙皮的力学性能相对蜂窝夹层结构的要高（因为在共固化条件下，蜂窝壁会导致复合材料的蒙皮纤维发生弯曲并形成富树脂区）另外，泡沫芯材还能直接用于各种液体树脂成型工艺（如Scrimp法、RTM等）方法制造复合材料；

　　4）泡沫具有比重小、耐高温、低介电常数与损耗、抗压强度高、比强度高、抗疲劳和蠕变性能好等优点，可实现与预浸料一步固化的工艺；

　　泡沫材料的缺点是：达到相同承剪能力时泡沫的重量要比蜂窝稍重一些。