掌握幾個原則，讓夾芯材料的選擇不再困難

材料牛注：眾所周知，復合材料中芯部材料的選擇一直是一個難題。雖然目前有大量的模型、應用程序用于幫助人們選擇芯部材料，但它們中的大多數都具有自身的局限性。本文通過結構設計和服役環境兩個方面分析了夾芯材料的基本選擇原則。

關于復合材料，你可能已經聽說：“很多因素都會影響它的芯材選擇。”復合材料種類繁多，有些人認為選擇一種合適的三明治型芯材的過程將是十分復雜的。

如今，各種各樣的圖表、模型、應用程序幫助用戶對不同復合材料進行排序，從而簡化選擇過程。然而夾芯材料的選擇難點在于：當采用上述工具評估產品時，它們往往只注重基體材料。但選擇夾芯層不像選擇端粒輕木或諾梅克斯蜂窩那樣簡單。每種復合材料都需要考慮三個方面：組成、密度和構造。

此外，這些評估工具通常不能根據不同具體應用條件下的重要性進行分類，其排序通常基于假設而不是測試數據。除此之外，這些評估工具還往往忽視了一個重要的因素——成本。一個較好的評估應該將上面這些因素都納入考慮范圍，并根據實際需要對密度、構造、厚度等要素進行相應的調整。

當選擇夾芯材料時首先要做的是：根據你的具體應用、部件幾何形狀和制造過程三個方面建立關鍵參數列表。并考慮以下兩個問題：

1. 何種芯材用于構造？

2. 這種材料該如何層壓？

實際應用需考慮兩個方面：結構設計和服役環境。對結構設計至關重要的芯材性能包括剪切強度和模量、壓縮強度和模量、表面與芯部的粘結強度（拉伸/剝離狀態下）等等。此外，實際運用中還可能有一些特定要求，例如疲勞極限和損傷容限（沖擊載荷下）。損傷容限通常通過測量材料的剪切延伸率進行分級。然而，延伸率不是影響沖擊載荷下能量吸收的唯一因素，剪切和剝離強度同樣起到至關重要的作用。

此外，通過強度、模量等性能的測試并不能讓研究人員對不同材料進行清晰的排序，這是因為這些性能主要取決于密度。對于許多產品，特別是多孔泡沫，生產出來的材料可能具有廣泛的密度范圍，且某些特定密度下人們能獲得性能更出色的材料。例如，低密度聚氨酯泡沫力學性能較差，但高密度的聚氨酯基芯材料的力學性能卻可以達到很高的強度。

力學行為還可能取決于材料構造或精加工。例如，如果將苯乙烯丙烯腈（SAN）泡沫層壓在剛性片材中，能獲得優異的損傷容限，但如果使用柔性（刻痕）構造，其力學性能就會大為不同。

芯材的選擇有時會很簡單。例如，壓縮強度大于700psi的芯材選擇范圍是很小的。但對于大多數其他強度部件的芯材的選擇，我們應首先剔除機械性能不佳的材料，然后選擇最低密度或價格下所能提供最佳性能的芯材。

除了自主構建材料模型外，還有許多簡單的層壓制件評估工具可供用戶比較不同的材料。但需要注意的是有些層壓制件評估工具沒有將芯材的性能納入考慮范圍，因而在比較夾芯材料中并不是非常有用。

除了機械性能要求以外，零件的服役環境同樣應該考慮：零件是否會暴露于水、化學品、高溫或低溫？它需要耐火嗎？產品的密度在這里同樣起了作用。通常，較高密度的聚合物泡沫材料與較低密度的相同聚合物泡沫材料相比具有更好的耐腐蝕性和耐溫性。就像層壓過程一樣，片層結構也可以影響其性能。

在芯材的整個選擇過程中，零件性能的某些方面并不完全取決于芯部材料。例如，改變樹脂含量可以極大地提高耐火性。

另一個需要考慮的關鍵因素就是層壓過程。層壓的重要指標主要有樹脂相容性（苯乙烯抗性）、耐溫性（尺寸穩定性）和開孔率。對于某些泡沫，對苯乙烯的相容性通常取決于密度（低密度相容性較好）。需要注意的是，非耐高溫泡沫材料完全能夠承受樹脂放熱的熱量，所以不要因為擔心樹脂升溫而錯誤的排除這種材料。由于放熱固化后造成的短期溫度尖峰與長期暴露在高溫下固化的情況并不相同。

一旦完成了芯材的選擇，零件的制造工藝和幾何形狀將決定芯部的構造和加工，進而影響芯部材料發揮的作用。零件較差的服役性能往往是由芯材所導致的，其主要原因往往是低質量的層壓。層壓過程需遵循以下幾個原則：

1. 避免“從不粘結”；

2. 填充切口；

3. 芯部邊緣進行倒圓角；

4. 分離芯部與開口位置。

總成本主要包括芯材料選擇、精加工和樹脂吸收三個方面。讓我們來看看這三個方面：

材料：挖掘價值。最低成本的產品通常并不會用于最便宜的部件。在實際應用中很容易確定哪些產品可以生產“最劃得來”的零件。

精加工：除非是通過壓力機制造平板，否則所有的芯材料（蜂窩除外）都應該進行穿孔或以其他方式刻痕，以保證空氣和其他氣體從芯部下方逸出。板材還必須進行切割處理以適用于彎曲表面。某些泡沫可以通過熱成型生產較輕零件，同樣還可以加入凹槽以促進樹脂流動。

樹脂吸收：平衡樹脂吸收的統一性。當樹脂注入時可以通過相應措施減少芯部樹脂吸收量。

總的說來，正確選擇夾芯材料似乎是一項艱巨的任務。但如果能將“好鋼用在刀刃上”，許多問題就都能迎刃而解，且正確的使用方式可以讓夾芯材料能顯著提高材料性能下限而獲得高質量的零部件。

原文鏈接：Selecting Sandwich Core Materials。

本文由編輯部龍騎士提供素材，馬秋晨編譯，丁琬芝審核，點我加入材料人編輯部。

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