夾層結構一般是由較薄的、剛度和強度較大的面板夾以較厚的、較弱的低密度芯材形成的。

       在大多數情況下，這種復合材料的剛度、強度要比組分材料單獨的剛度、強度之和高得多。芯材被人們使用已有百余年的歷史了，而最早被應用于復合材料工業是在20世紀40年代初，用于制造英國皇家空軍的蚊式轟炸機。60年代初期，船艇制造業的先進技術的開創者們，開始使用BALSA芯材與玻璃鋼面板結合的結構來制造帆船的甲板，以降低船體重量并增加剛度。

       經過多年的使用，復合材料工業已將芯材按其材質分為三大主要類別：

      －結構蜂窩型：（NOMEX芳綸蜂窩，鋁蜂窩）

      －天然材質型：（BALSA輕木，其它木質芯材）

      －人造材質型：（PVC等泡沫塑料）

       隨著有限元分析（FEA）、計算機輔助設計（CAD）和復合材料工程設計的出現，對芯材在夾層結構中是如何“工作”和發揮的作用，就可通過各種資料和手段予以很好的證明。
 

       隨著人們對輕質、高速、高強產品不斷研發的需要，夾層結構的面板材料和其它各種原材料也有了長足的進展：出現了碳纖維和芳綸（Kevlar）纖維等多種先進增強材料，且價格不斷下降；在過去的十幾年，各種高性能聚酯樹脂、環氧樹脂也得到了廣泛的應用，而且連熱塑性樹脂也有一定程度的發展；用于夾層結構的各種高質量芯材，已出現在復合材料行業的原料市場上。
 

芯材的類型
 

      有經驗的芯材制造商在拓寬產品種類的同時，還采用更先進的密度控制方法，以提高產品的質量。為了更好地了解芯材的選擇及其應用領域，在此我們可根據芯材在夾層結構中的作用將其歸結為以下三類：
 

      1．非結構芯材 例如密度為32kg/m3的聚氨酯泡沫或紙質蜂窩，這些芯材只能提供一定的剛度，但對載荷的承受能力較低。用紙質蜂窩制造居民住宅區的房屋內門是這類芯材較好的應用范例。
 

       2．準結構芯材 例如其剪切強度低于0.69MPa的低密度PVC泡沫芯材（密度<60 kg/m3），這類芯材還包括酚醛基紙蜂窩和較高密度聚氨酯泡沫。
 

       3．結構芯材 它能提供最高的剛度和很大的承載能力。如密度高于60kg/m3的NOMAX蜂窩和鋁蜂窩， BALSA端紋輕木，PVC泡沫，以及密度高于70 kg/m3、剪切強度高于0.69MPa的芯材。
 

      本文的重點在于如何選擇結構芯材。下表給出的產品均可作為結構芯材使用，表中并列出了這些常用結構芯材重要的力學性能，僅供參考。
 

夾層結構的工作方式
 

      夾層結構傳遞載荷的方式類似于工字梁，即面板（翼板）主要承受由彎矩引起的面內拉壓正應力和面內剪應力，而芯材（腹板）主要承受由橫向力產生的剪應力。夾層結構一般由以下五個要素構成：
 

      上面板；上面板與芯材的粘接層；芯材；下面板與芯材的粘接層；下面板。
 

      所有這些要素組成一個整體的夾層結構。產品設計者的最終目標就是設計出一個具有較高剛度、強度、較低重量和合理成本的理想結構。
 

      芯材的剪切強度和剪切模量對于夾層結構的性能以及芯材的選擇都起著決定性作用。當然，在選擇芯材以及選擇夾層結構的其它四個要素時，還有一些條件應依據產品設計要求加以優先考慮：諸如耐火性能、煙密度、煙毒指標、損傷容限，絕緣性能或工藝性能等。而這一切得來自于最終產品的要求，也就是說，當產品設計者確定了他們所要生產的產品性能時，材料的選擇方法也就顯而易見了。
 

       夾層結構的強度設計應由五要素中最薄弱的一個來決定。由此，設計者的設計目標也可以認為是：分析夾層結構各要素的強度性能差別，組合出最為合理的五要素。在滿足性能要求的前提下，如果五個要素能同時被破壞，這樣的結構被視為最理想和最有效的結構。實際上，充分理解了“同時破壞”（等強度設計）這一概念，并且綜合平衡強度、剛度、重量及成本之間的關系，這就是設計理想產品的最終原則。
 

       對于有經驗的芯材供應商，他們能夠在提供高質量芯材的同時，還能為用戶提供有限元分析和計算機輔助鋪層設計以及驗證試驗等多項服務，并有豐富的理論數據和工程設計經驗，這種經驗不只是在芯材選擇方面，也包含了夾層結構的其它要素。
 

芯材的正確選用
 

      芯材的選擇首先取決于產品設計者對產品重量、力學性能、工藝條件以及成本的要求，綜合平衡夾層結構的五要素（上面板、上面板與芯材的粘接層、芯材、下面板與芯材的粘接層、下面板），據此來進行設計，以獲得最終的鋪層方案。目前，鋪層設計可由有經驗的芯材供應商通過計算機分析提供出最終設計結果，直接被產品設計者選用。
 

       選擇芯材時，應考慮到它只是整個鋪層設計的一部分，選擇時不應只片面地考慮個別的性能，而應考慮到整體結構的要求及應用，怎樣使整個結構的各要素工作得象一個整體，這是設計師的最終設計目標。可以預計，芯材的正確選用必將成為未來復合材料設計的核心。
 

成功應用實例
 

       高速摩托艇
 

       CIGARETTE賽艇隊的11.5米F2級新型高速摩托艇，奪得了1998年Key West杯近海摩托艇賽的F2級別冠軍。

該艇設計師的主要目標是：在不增加制造成本的前提下減輕艇體重量，提高航速，同時保證CIGARETTE在安全性及高質量制作方面的聲譽。為了達到這一設計目標，設計師在該艇的底部選用了標準BALSA輕木芯材（美國博太芯材技術公司提供），以獲得最大的剪切和壓縮強度。而艇的干舷部和甲板則采用控制密度方式生產的重量較輕的BALSA輕木。此外，艙壁、內部地板和座椅采用BALSA為芯材的夾層板和以泡沫為芯材的預制帽型橫梁，取代了原設計中重量大得多的膠合板結構。
 

    最終的效果十分驚人：減重22%，節省2500美元的材料及人工費，艇速提高了24公里/小時（航速超過136公里/小時），不容懷疑地贏得了冠軍。
 

高速渡船
 

       HYDRA 技術公司生產的13米雙體渡船的最低航速要求為35節，該船在巴拿馬的內河中營運，河上有很多碎片（如飄浮的木料等）。由此可見，損傷容限是此船最主要的技術指標。為了達到設計速度，船體重量也受到了嚴格的限制。因此，選用密度為140kg/m3的線型PVC泡沫作為船底的芯材，而船側和舷臺的芯材則采用密度為80kg/m3的線型PVC泡沫。制造商選用環氧樹脂來降低重量并提高損傷容限（增加抗沖擊強度和剝離強度）。采用玻璃纖維增強的船殼板并用真空袋壓制工藝，以獲得面板與芯材的良好粘接。
 

       對于甲板和艙室側壁板，制造商選用了78kg/m3密度控制方式生產的SuperLite BALSA端紋輕木作為芯材，這種芯材的表面帶有AL600/10的膠層，可有效地提高芯材與面板的粘接性能。
 

       制造商還選擇了交聯PVC（60kg/m3）芯材與環氧樹脂/玻纖（400g/m2）面板預制成1.2m×2.4m的標準夾層板，再通過切割、粘接等加工，組裝成船內艙室。這種方法解決了因各艘船的艙室布置略有差別而要制造不同模具的問題，有效地節省了制造成本和生產時間。全船的鋪層布置圖是采用計算機設計程序設計的，這就確保了滿足設計重量要求并使其符合巴拿馬的渡船標準以及ABS規范。
 

       CORVETTE賽車
 

       通用汽車公司的第五代雪佛萊（C-5 Chevrolet）汽車的地板選用了復合材料夾層結構，設計時考慮了生產速度，降低車內噪聲，減小震動以及剛度的要求。
 

      通用汽車公司比選了多種芯材，經對其性能綜合平衡后，最終選定了博太芯材技術公司提供的密度控制BALSA端紋輕木，并由該公司為其提供了相應的多項分析及其它零件的夾層結構設計方案。
 

      在中國的應用情況
 

      自1999年始，美國博太芯材技術公司在中國有了正式的代理機構（科拉斯復合材料有限公司），并在國內的一定范圍內，對芯材及夾層結構的應用進行了多次各種形式的技術講座。目前，夾層結構已在國內生產的出口游艇，工作艇，高檔火車，風力發電機葉片上，得到了成功的應用。例如廣東東莞市玻璃鋼船廠2000年建成的13米“滬浦巡1號”巡視艇中，由于整個上棚

采用了BALSA輕木，除達到了增加船艙凈空高度和良好的隔熱效果外，還使航速大為提高（設計航速為12節，實測航速為19節），目前該廠正在為上海家化集團設計的20米交通工作艇，其上棚和艙壁也將采用BALSA輕木。也有很多國內用戶用其制造模具，以提高模具的剛度，減輕模具的重量。