热塑性复合材料夹芯结构的应用与未来

复合材料夹芯结构推动了复合材料轻量化的设计及其应用，由于复合材料夹芯结构具有轻质高强、隔热吸波等优势，使其广泛应用于航空航天、汽车等重大工程领域。夹芯结构的刚性面板在轻质芯层的支撑下远离中性轴，使得结构的截面惯性矩大幅度提高，提升结构整体的力学性能。然而，如何保证面板与芯层间的可靠连接进而发挥夹芯结构整体性能的优势，是学术界和工业界长期以来关注的焦点问题。 蜂窝构型的夹芯结构中，轻质蜂窝材料作为核心，可以整体提高结构的力学性能。由于其具有可靠的力学性能以及优异的可设计性，在航空航天、车辆、建筑、机械等领域内具有广泛应用。热塑性复合材料蜂窝结构与传统蜂窝结构相比具有高比强度、高比刚度、优异的耐疲劳性能、耐腐蚀和耐高温等诸多优点。所以近年来，纤维增强热塑性复合材料蜂窝夹芯结构以其轻量化的优异性能正在逐渐取代传统的铝蜂窝和纸蜂窝。蜂窝材料是一类重要的多孔材料，主要是二维多边形阵列，在减少多余重量的同时保留了结构的主要承载能力。随着蜂窝制造技术的不断进步与发展，蜂窝结构可以由金属、非金属、纸张、聚合物等多种形式组成。 点阵结构具有高比刚度、高比强度、高度可设计性和多功能一体化潜力，具有点阵结构的纤维增强复合材料夹芯结构在建造轻型、多功能结构，特别是航空航天和海洋系统中具有吸引力。随着复合材料的发展，复合材料点阵夹芯结构的制备工艺也在飞速发展。

==夹芯结构的材料==

夹芯结构所用的材料主要分为面板和芯材两种类型的材料，传统夹芯结构的面板和芯材使用的是不同的材料，所以面板和芯材的连接界面强度不高。由于热塑性复合材料的夹芯结构的面板和芯材均选用热塑性复合材料，不引入新材料，可以获得稳定可靠的面芯连接界面。热塑性复合材料夹芯结构的面板材料一般选用增强纤维与热塑性树脂复合而成，芯材一般选用纯热塑性树脂。 热塑性复合材料夹芯结构的面板材料一般由纤维增强热塑性复合材料层合板组成，增强纤维使用短纤维或者连续纤维。夹芯结构面板可以采用半预浸料或预浸料。热塑性基体聚合物一般可以选用聚丙烯(PP)或聚酰胺(PA)等工程塑料或者聚醚酰亚胺(PEI)和聚醚醚酮(PEEK)等高性能聚合物。通常采用商品塑料与增强玻璃纤维结合使用，特别是PP基复合材料。航空和航天工业对热塑性复合材料夹芯结构面板应用最广泛的是高性能聚合物是聚醚酰亚胺（PEI），通常与增强玻璃纤维结合使用。 热塑性复合材料芯材密度通常低于蒙皮材料，根据其结构可分为三类:波纹芯或桁架芯，泡沫芯或实心芯，具有六角形单元、圆形或方形单元的蜂窝芯。常见的芯层材料由轻木、Nomex蜂窝、聚氨酯（PUR）泡沫、聚氯乙烯（PVC）泡沫、以及铝蜂窝五种材料。目前最常用的是热塑性泡沫或蜂窝芯，两者都是由不同种类的热塑性聚合物如PP或PEI完成的。

==夹芯结构制备成型工艺方法==

夹芯结构的面板设计以及芯层构型设计对夹芯结构的整体力学性能有一定的影响。夹芯结构的面板会影响结构的弯曲性能，芯材会对夹芯结构的弯曲性能以及平压性能都会产生影响。除此之外，夹芯结构的面板和芯材之间的连接会影响到面芯的界面性能，进而会影响结构的剥离强度。所以夹芯结构的制备成型工艺以及面板的制备工艺都会对整体结构的性能产生影响。 热塑性复合材料夹芯结构的面板材料一般选用纤维增强热塑性性复合材料，而纤维增强热塑性复合材料的成型方式主要有热压成型、注射成型、拉挤成型、缠绕成型和冲压成型等传统的成型方式，除了传统的成型方式还有自动化制备复合材料的技术，如增材制造技术（AM）、纤维缠绕技术（FW）、自动铺带技术（ATL）、自动铺丝技术（AFP）。 热塑性复合材料可以根据材料的种类适配胶黏剂，连接复合材料夹芯结构的面板和芯材，实现面芯可靠连接。也可以根据热塑性复合材料可熔融再加工的特点，选用熔融连接的方式对夹芯结构的面板和芯材进行连接。主要包括焊接、热压成型、胶接、三维编织、增材制造，三维编织和增材制造可以实现热塑性复合材料夹芯结构的一体化成型制备。 复合材料夹芯结构因其高比刚度、比强度及多功能特性广泛应用于汽车、航空航天、建筑等重大工程领域，可以通过对夹芯结构的设计从而获得具有特定要求的结构。热塑性复合材料夹芯结构可回收，而且热塑性复合材料的夹芯结构的面板和芯材采用同一种材料，由于不引入新的材料，其面芯界面的强度和性能更加优良。

==总结展望==

热塑性复合材料可实现结构功能一体化夹芯结构的制备。可以通过对热塑性复合材料夹芯结构的芯材的构型设计，使结构在满足一定力学性能的同时具有功能特性，如热塑性复合材料夹芯结构可以具有较好的雷达传输和介电投射等多功能特性。 可以灵活选用热塑性复合材料夹芯结构成型方式以及工艺。夹芯结构分步成型时，夹芯结构的面板和芯材可以先独立成型再整体制备成型，可开发出产热可控、长距离和长时间的连续加热连接设备，并考虑熔融连接过程中出现的热力耦合现象。夹芯结构采用一体化成型时，可以通过对工艺参数的调节从而实现热塑性复合材料夹芯结构的性能可控制造，如可通过3D打印多重界面强化方法来改善界面结合强度。 开发出高效率、高性能、低成本的热塑性复合材料一体化成型装置以及技术，并进行相关的试验研究，制定适用于热塑性复合材料夹芯结构的试验技术和试验标准。对于具有复杂结构的热塑性复合材料夹芯结构的构件，其组分材料、界面性质、铺层方式、载荷种类和环境条件对其力学性能影响很大，在不同的条件下，可能表现出不同的力学性能和破坏形式。因此，有待于进一步通过调整材料的种类、含量和铺层方式等对夹芯结构的强度、刚度等力学性能以及其稳定性进行优化。