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1 夾芯復合材料

夾芯復合材料是由上下兩層高強度、 高模量的薄面板和中間較厚的輕質(zhì)芯材組成的結構材料， 如圖1 所示。夾芯結構與普通單一材料相比具有更高的彎曲強度和剛度， 且可以通過(guò)對芯材的選型，增加隔熱、保溫、降噪、吸聲等附加功能。常用的夾芯復合材料有蜂窩夾芯復合材料、泡沫夾芯復合材料和中空夾芯復合材料等。

1.1蜂窩夾芯復合材料

蜂窩夾芯結構通常由兩層或多層蒙皮之間夾以一層輕質(zhì)蜂窩夾芯并采用膠黏劑在一定溫度和壓力下復合成一個(gè)整體剛性結構 （如圖2）。蜂窩夾芯復合材料由于其選用了蜂窩材料及其特殊的結構形式， 擴寬了其應用的范圍， 提升了其優(yōu)勢，蜂窩夾芯復合材料的特點(diǎn)為：質(zhì)量輕， 比強度高，抗彎剛度高；具有較高的表面平面度， 且可以制備出形狀復雜的曲面結構；可吸收震動(dòng)能量， 具備隔聲降噪、 減震等效果；具有復合材料的耐腐蝕、 絕緣性和環(huán)境適應性。

1.2 泡沫夾芯復合材料

泡沫夾芯復合材料是由兩層面板和中間的泡沫芯層組成 （圖3）， 在航空、 汽車(chē)、 建筑、運動(dòng)器材等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。其特點(diǎn)是：具有很高的強度和剛度， 比其他材料更加耐用和可靠；具有很好的隔熱性能， 在極端溫度下仍然可以保持其性能；具有很好的吸能性能， 受到?jīng)_擊或碰撞時(shí)， 泡沫芯層可以吸收能量， 并將其分散到整個(gè)結構中；具有很好的防火性能， 泡沫芯層不易燃燒，可以有效地減緩火勢的蔓延。這使得泡沫夾芯復合材料在建筑和交通運輸領(lǐng)域得到了廣泛的應用。

1.3 中空夾芯復合材料

中空夾芯復合材料主要是由增強纖維通過(guò)紡織加工成一定結構形狀的三維織物， 之后經(jīng)過(guò)手糊成型或樹(shù)脂傳遞模塑 （RTM） 成型工藝與樹(shù)脂基體復合而成的一種新型復合材料（圖4）。它的優(yōu)點(diǎn)是：蒙皮與芯層一體成形，不分層與剝離，力學(xué)性能優(yōu)異，長(cháng)期使用不吸水、不開(kāi)裂、不塌陷；結構可設計性強，纖維體系多樣；夾層可填充泡沫、 預埋電線(xiàn)、 監控與電子元器件等；織物柔軟， 可整體貼模仿形成型， 尺寸控制精度高，可最大限度減少拼接與補強，提升整體性能。

夾芯復合材料有輕質(zhì)、高強、高剛度等特點(diǎn)（表3）， 可以有效降低車(chē)體重量、 提高車(chē)輛的能效。夾芯復合材料還具有良好的吸能性能， 可以在碰撞事故中起到保護作用；其良好的耐腐蝕性能，可以提高車(chē)輛的使用壽命。因此， 夾芯復合材料在軌道交通領(lǐng)域得到了廣泛的應用， 用于制造軌道車(chē)輛車(chē)體結構件、車(chē)門(mén)、車(chē)頂、車(chē)廂隔音板等部件。

韓國 Hanvit 200 型列車(chē)就大量使用了夾芯結構 （圖5）。列車(chē)車(chē)體上部結構采用夾芯結構， 具有質(zhì)量輕、 彎曲剛度高、 隔熱減振等特性。夾芯結構由碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂層板 （CF1263） 和鋁蜂窩夾芯粘接而成， 其中鋁蜂窩夾芯的芯材厚度為37mm， CF1263層板內、 外 表 層 的 厚 度 分 別 為1.5mm和 3.5mm， 纖維體積分數為 60% （圖6）。為了保證車(chē)體的防火、隔聲、隔熱特性，Hanvit 200列車(chē)最外層采用具有耐高溫特性的玻璃纖維層， 而車(chē)體內層采用由玻璃纖維酚醛樹(shù)脂層板和芳綸蜂窩夾芯組成的三明治結構。同時(shí)， 為了防止火焰傳播， 車(chē)體結構與內層之間布置了由玻璃纖維層/ 鋁箔夾芯/玻璃纖維層組成的阻燃層， 其間還置入了具有良好降噪性的玻璃棉（圖7）。

法國的 TGV 雙層車(chē)體 （圖8） 實(shí)現 CFRP車(chē)體結構的重大突破。CFRP雙層車(chē)體標準模塊，5m/節， 采用蜂窩夾層復合材料和真空袋壓固化成形，較鋁制車(chē)減重大于25%， 通過(guò)線(xiàn)路運行驗證了CFRP 在強度、沖擊、防火、降噪、隔熱等性能方面的優(yōu)點(diǎn)和工業(yè)可行性。

長(cháng)客股份公司研制的新一代地鐵車(chē)輛全碳纖維復合材料車(chē)體結構 （圖9）， 車(chē)體的主體材料采用碳纖維預浸料和蜂窩芯材， 局部結構芯材采用泡沫芯材。為獲得材料力學(xué)性能， 進(jìn)行了不同鋪層、不同溫度、不同濕度和不同工藝的6000 多個(gè)樣件的測試和十余項材料性能測試。測試結果表明， 所選材料各項性能均滿(mǎn)足地鐵車(chē)體的使用要求。車(chē)體采用 “靜力覆蓋疲勞” 和 “損傷無(wú)擴展” 的設計理念， 其設計和驗證過(guò)程均參照航空工業(yè)復合材料制件研發(fā)流程， 并采用試樣、 元件、細節件、組合件、全尺寸件等多層次的積木式設計驗證過(guò)程設計而成。

2011年底在中車(chē)青島四方股份落成的 500km/h高速試驗車(chē)上采用了碳纖維復合材料 車(chē) 頭 罩（圖10）。導流罩利用中空織物整體成型，減重約50%，其內飾板采用玻璃纖維＋紙蜂窩結構，減重30%，其抗沖擊性能和力學(xué)性能優(yōu)良，能耐住1kg鋁彈的660km/h 高速撞擊和350KN的靜載荷， 阻燃性能為S4級 (DIN5510-2)。此外，四方股份與恒神股份公司共同研制的城際動(dòng)車(chē)組用碳纖維設備艙裙板已于2013年底裝車(chē)試運行中。相比鋁合金減重 ≥30%， 抗沖擊性能優(yōu)異 (UIC -651，未擊穿)， 阻燃性能達到S3、SR2、ST2 級 (DIN5510-2)， 車(chē)體油漆劃格達到 1 級水平。

夾芯復合材料作為一種重要的結構材料， 隨著(zhù)復合材料制備技術(shù)的不斷發(fā)展， 在軌道交通以及航空航天、 汽車(chē)、 船舶、 建筑等領(lǐng)域的應用將更加廣泛， 也仍有諸多難題需要去攻克。目前，在以下幾個(gè)方面有待深入的研究。

（１）目前復合材料的規范、 標準以航空航天行業(yè)為主， 缺少軌道交通相關(guān)的內容， 通常在使用前需進(jìn)行靜強度、 疲勞試驗以及動(dòng)力學(xué)等一系列試驗來(lái)驗證其可靠性。轉向架、 車(chē)體作為主要承載件， 復合材料的設計方法同樣缺乏。后期應結合目前復合材料在軌道車(chē)輛的應用情況， 總結和整理適用于軌道交通行業(yè)的復合材料標準體系，同時(shí)應進(jìn)行大量試驗獲取基礎數據， 建立數據庫，以支撐理論分析， 提高理論驗證的精度。

（２）夾芯復合材料的設計仍然主要依賴(lài)于經(jīng)驗和試錯， 而缺乏系統化的設計方法。因此， 需要研究如何利用計算機輔助設計等新技術(shù)， 提高夾芯復合材料的設計效率和精度，使得夾芯復合材料的設計更加精細化和個(gè)性化。

（３）夾芯復合材料的制造過(guò)程仍然存在一些問(wèn)題， 如制造過(guò)程中的氣泡、 缺陷等， 這些問(wèn)題影響了夾芯復合材料的性能和質(zhì)量。因此， 需要研究如何利用新的制造技術(shù)和工藝，提高夾芯復合材料的制造效率和質(zhì)量。其次， 夾芯復合材料的制造需要更加高效和可控。

（４）夾芯結構在提升復合材料強度剛度的同時(shí)， 為其多功能化提供了更多的空間， 其多功能化將是未來(lái)的發(fā)展方向之一，包括智能、 傳感、防護等多種功能的集成， 需要對多功能夾芯復合材料的功能化改性和夾芯結構的設計和制備進(jìn)行研究， 以實(shí)現多種功能的集成。通過(guò)對夾芯復合材料從材料、 設計、 制造到評估更加深入和系統化的研究， 將會(huì )進(jìn)一步提升夾芯復合材料的整體力學(xué)性能， 推動(dòng)夾芯復合材料在更多領(lǐng)域的發(fā)展和應用。