复合材料夹层板与厚层压板

学术   2024-11-23 09:45   陕西  

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复合材料夹层板和厚层压板是两种常见的复合材料结构,它们在结构、性能和应用方面有显著的区别。复合材料夹层板是具有厚而轻的中间层的层压板,但夹层板的力学行为和损伤模型证明,复合材料夹层板并不是厚层压板。
一、复合材料夹层板(Sandwich Panel)
定义:
复合材料夹层板是一种由多层不同材料组成的结构板材,通常由两层外部强度较高、厚度较小的材料(面板)和中间一层轻质、厚度较大的材料(芯材)构成。面板通常是由金属、玻璃纤维、碳纤维等复合材料制成,而芯材则可能是聚氨酯泡沫、铝蜂窝、纸蜂窝等轻质材料。

受力分析:

以复合材料夹层梁为例,主要承受弯曲载荷和剪切载荷,弯曲载荷主要体现为夹层梁上下面板的面内拉压应力。相同弯曲载荷下,上下面板之间的距离越远,弯曲刚度越大,面板内的拉压内力就越小。中间的夹芯就起到隔离但不分离上下面板的作用,隔离是提升夹层梁整体弯曲刚度,不分离是保证结构的整体完整性,还能防止上下面板局部失稳。另一方面,由于夹层梁通常厚度比较大,在弯曲变形的过程中,会有横向剪切载荷,横向剪切载荷主要由中间厚度较大的夹芯承受。从这一点来看,夹层板中间的夹芯,类似于工字梁中间的腹板,其作用都是让结构具有较高的弯曲刚度与重量比。

由于横向剪切变形的存在,在做夹层板结构分析时,使用经典层压板理论是不足的。

结构特点:

面层(外层): 面层的材料通常具有较高的强度和刚性,能够承受较大的载荷和外部应力。
芯材: 芯材主要起到降低密度、提供隔热、隔音等功能,同时也能提高板材的抗弯刚度。
轻质高强度: 夹层结构使得复合材料夹层板具备较高的比强度和比刚度。
常见材料:
外层面板材料:
铝合金、钢板、玻璃纤维、碳纤维等。
芯材材料:
聚氨酯泡沫、铝蜂窝、纸蜂窝、硬质塑料等。

性能特点:

  • 轻质高强度: 由于芯材的使用,夹层板在保持强度的同时大大降低了重量。
  • 良好的抗弯性能: 夹层结构提供了高抗弯刚度。
  • 隔热、隔音: 芯材常常具有较好的隔热和隔音性能。
  • 较好的能量吸收性: 在受到冲击时,夹层板能够有效吸收能量,减少损坏。
表1 几种夹芯泡沫力学性能的比较。
应用领域:
  • 航空航天(如飞机机身、机翼等部件)
  • 汽车行业(如车顶、地板、侧面板等)
  • 建筑工程(如隔热、隔音墙板、屋顶板)
  • 运动器材(如滑雪板、冲浪板)
二、厚层压板(Laminated Plate)

定义:
厚层压板是由多层薄板通过压制成型、粘合而成的复合材料板材。每一层通常都是同质的材料,如金属或塑料,并且这些层之间通过粘接剂或焊接等方式结合。不同于复合材料夹层板,厚层压板的各层材料一般具有相同的性质,而非外层和内层性质差异较大的结构。

结构特点:

多层结构: 厚层压板通常由多个层次构成,这些层次的厚度可以相同,也可以不同。

同质材料: 各层的材料通常是同种材料(如金属、塑料等),不具备复合材料夹层板中面层和芯层的差异性。

层间结合: 各层之间通过粘接剂、焊接、热压等方法结合,形成一个整体。

常见材料:
  • 碳纤维复合材料层板

  • 玻璃纤维复合材料层板
  • GLARE层板(特殊一点,不同层虽然材料不同,但性能都较强,不同于夹芯板)
性能特点:
高强度: 厚层压板通常具有较高的强度和刚度。
均匀的力学性能: 各层的性质相同,力学性能较为均匀。
适应性强: 可根据需求调整层数和每层的厚度,适应不同的工况要求。

应用领域:

  • 航空航天(如飞机部件)
  • 建筑结构(如建筑板材、门窗框架)
  • 高强度容器、重型机械设备和防护材料

三、复合材料夹层板与厚层压板的主要区别

特点

复合材料夹层板

厚层压板

结构形式

三层结构:两层面板 + 中间轻质芯材

多层结构:多层同质材料(通常金属或塑料)

芯材

轻质材料(如泡沫、蜂窝、硬质塑料等)

没有芯材,所有层次材料性质相同

面层材料

高强度面板材料(如铝、钢、玻璃纤维、碳纤维等)

通常是金属或塑料等单一材料

性能特点

轻质高强度、良好的抗弯刚度、隔热隔音、能量吸收

高强度、均匀的力学性能

适用领域

需要轻质和高强度的应用,如航空航天、汽车、建筑

高强度、耐压的要求,如重型机械、压力容器等

制造工艺

热压、粘接、机械连接等方法

热压、粘接、焊接等方法

厚度

结构一般较薄,芯材厚度决定了板材的总厚度

层数较多、厚度较大

分析方法

面板:经典层合板理论

夹芯:横向剪切变形理论/三维弹性理论

横向剪切变形理论/三维弹性理论

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