新型结构材料研究与应用 摘要：折叠夹芯结构是一种具有轻质、高比强、高比刚度以及多功能潜力的新型 三维结构材料近几年受到国内外学者的极大关注折叠夹芯结构的发展历程， 包括折叠芯材的拓扑构型设计、制备工艺研究以及折叠夹芯结构力学性能、失效 方式等方面的工作以及装配式混凝土结构在国内外的应用发展，分析装配式混凝 土结构的概念和优缺点，进而阐述装配式混凝土结构的关键技术应用，预测新型 装配式混凝土结构技术的推广前景 关键词：夹芯结构；制备工艺；装配式混凝土；结构技术 0 引言夹芯结构是一种由面板、芯子及连接胶层所组成的轻质结构，被广泛应用于 航空航天等领域，通常面板采用高强度、高模量材料，芯子采用蜂窝、泡沫等轻 质材料［1-3］ 蜂窝夹层结构是目前最为常用的航空夹层结构，其平面压缩和冲击 性能优异，且具有较好的隔音、隔热和耐疲劳等性能但蜂窝结构的制造工艺复 杂，结构微观缺陷不易控制，特别是蜂窝密闭空间易形成水汽凝结，使得结构质 量增加，并且降低了芯子和面板的粘接强度，这已成为航空领域亟待解决的问题 折叠夹芯结构是由俄罗斯学者 Alekseev 最早提出的，它的设计思想源于手工折 纸其中折叠芯子（Folded core）是将平板材料按照一定的规律折叠而成的具有 周期性的三维立体结构。
通过不同尺寸折线设计，可折叠成多种不同空间拓扑构 型的三维芯子结构，从而实现满足不同功能要求的夹芯结构与其他常见的夹芯 结构相比，折叠夹芯结构最大的优势在于：（1）芯子制件制备工艺易实现，保持 了原材料的连续完整性，可实现大尺寸及自动化生产等；（2）折叠芯层特有空腔 结构非常适合空气、冷凝液的流通；（3）通过改变其折叠规律，实现不同的单元 形状和尺寸组合，可以获得各种形式的芯子形式（如变高度、曲面等构型），以 满足不同的结构和功能性需求；三维立体结构，通过优化几何尺寸、结构，其力学性能甚至优于蜂窝结构 可见该结构优势十分明显，近年来受到国内外学者的广泛关注将从折叠芯材的 几何拓扑构型设计、制备工艺研究和夹芯结构力学性能、失效模式、数值模拟等 方面工作进行相关的介绍同时结合目前折叠夹芯结构力学、功能性研究情况， 对其可能应用的领域进行预测，并对未来研究进行展望1夹芯结构1.1折叠芯子几何设计折叠芯子是按有规律的线系进行局部折叠而得到的三维立体构型折叠后得 到的立体结构可看成是由很多小的多边形平面元素形成的具有凸凹表面的构型， 元素之间沿边缘是相互连接的目前几何设计主要是从折叠夹芯结构的基本形式 出发进行几何形式的变异拓扑设计。
国内南京航空航天大学的王志瑾［4］教授，在 研究基本构型几何关系的基础上，对多种不同构造样式（等高度、变高度或曲面 构型等复杂形状）的芯材进行了几何关系的计算英国牛津大学的尤忠教授，针 对折叠夹芯材的胞元进行了芯材构型的几何形式的拓扑设计研究显然，几何拓 扑设计是折叠芯材结构设计的重要创新出发点，这将会进一步扩展该结构功能性 的应用价值1.2 折叠芯材制备技术几乎所有通过塑性变形等方式成型的材料均可以应用于折叠夹芯芯材，所以 芯材可采用的材料是非常广泛的目前已成功制作成折叠夹芯芯材的材料包括： （1）金属类（铝合金、铜合金）；（2）复合材料类（碳纤维、芳纶纤维等复合材 料）；（3）纸类（牛皮纸）；（4）塑料类（聚醚醚酮（PEEK）、聚碳酸酯（PC）） 但值得注意的是，由于折叠夹芯结构的应用特性，要求材料不能像陶瓷材料一样 太过于脆硬同时也不能像橡胶一样太有弹性对于金属板料和热塑性塑料一般采 用辊压方法进行芯材的制备 Elsayed E 等采用辊压的方法制备折叠芯材，即将 板料通过辊压设备辊压制成连续的三维折叠芯子这种加工方法的优点是可以实 现芯材折叠自动化，但成形后的试件常常在折线处产生缺陷，材料成形过程中易 出现滑动，折线的精度较低，一般只用于加工很薄的板料，而厚度较大时成型工 艺很难控制。
Kehrle ［5］在辊压的基础上增加高压气体辅助成形，首先使用两组辊 子对芯材上凸和下凹的位置分别进行初步的辊压压出折痕，然后施加高压气体使 其沿折痕位置弯曲，形成三维折叠结构SchenkW］等使用真空辅助成形制备铝合 金芯材为了便于成形，首先用机床沿着对应的弯曲位置加工出若干小孔，然后 将其置于模具上，使用真空吸附方法使板料沿着预定的位置弯曲成形对于热固性的复合材料制备尚处于研究阶段Endres G【7］等提出了局部固化 制造方法，采用激光法对预浸料非弯曲的部位进行局部固化，这样未固化弯曲的 部位就相当于柔性的铰链，对其四周施加一定的作用力就可以完成零件的成型 但是这种成型方法是对材料进行快速固化，因此存在着较大的残余热应力，极大 地降低材料本身的性能Valentin I⑻等结合折叠夹芯层的可展的特点，采用折叠 机构和真空袋组合的成型方式通过铰链将一些几何形状完全相同的金属片连接 起来，制作出一种可变形模具，预浸料放在折叠板的外表面，再将整个结构用真 空袋密封，在真空压力和折叠结构共同作用下板料被折叠成褶皱芯子形状，然后 放在热压罐中加热加压固化成型该折叠机构简单，适合于不同几何尺寸和样式 的芯子结构；但折叠结构运动的协调性很难保证，每个结构单元要求非常高的加 工精度和高的装配精度。
一般需要真空设备和大型的热压罐辅助成型，在折叠结构的转角处纤维变形 大，常产生扭曲从目前芯材制备来看，成型工艺比较复杂，成本较高，如何制 备出性能优异的折叠夹芯结构是研究者所必须面对的挑战以复合材料为例，折 叠夹芯结构的制备涉及多方面技术，如胶接技术、预浸技术、共固化技术等，为 此有必要开展纤维的浸润性、树脂的流动性、固化特性、面芯粘结特性等方面的 研究工作推动复合材料折叠夹芯结构的应用，需发展新的制备工艺，以便于制 造大型尺寸的复合材料折叠夹芯结构为此，成型工艺需遵循以下原则：工艺方 法简单，容易实现标准化、批量化、低成本化，这样才能使得该结构在工程良好 的一致性效果Heimbs S【9］等采用数值模拟方法研究了冲击载荷下复合材料折叠 夹芯结构的能量吸收性能，结果表明，折叠夹芯结构的抗冲击性、损伤机制和能 量吸收性取决于面板的材料和厚度，而芯子影响较小，但高刚度折叠芯子可阻止 夹芯结构层合面板的整体弯曲和分层，面板吸收了大部分冲击能量，冲击损伤区 域在冲头下向外扩展得较小从近年来的文献可以看出，复合材料折叠夹层结构 数值模型研究工作相对较少，主要集中于压缩和高低速冲击模拟一方面是因为 复合材料失效机理比较复杂，数值模拟时往往牵涉到逐渐失效和刚度退化准则， 很难建立准确的数值预报模型。
另一方面是因为其力学性能很大程度上取决于复 合材料折叠夹芯层制造工艺，实验件内部缺陷较多，而所建立的数值模型却无法 考虑这种缺陷，使得数值结果与试验值间偏差较大1.3 功能性研究国内南京航空航天大学的王志瑾课题组研究了金属折叠夹芯结构的隔音隔 热性能、电磁性能，通过对比试验，分析折叠芯材的隔音性能的基本规律，在等 面密度的情况下，低频时不同构型的夹层板隔声量差别较大，在高频时隔声量差 别逐渐变小；各种夹层板的隔声量最低点出现的频率和隔声量的最小值并不是随 着空间压缩程度的增大、平面压缩程度的减小而单调变化；并指出折叠夹芯结构吸声性能高于蜂窝结构而后又对金属折叠夹芯结构的电磁屏蔽性能进行了 研究，指出在一定的结构参数下，轻质铝箔折叠芯层的雷达散射截面（RCS）比 同样平面几何尺寸的平板小，有的甚至降低折叠夹心层表面凸凹不平，面、线 不连续，相对于同样轮廓尺寸的平板，具有较好的雷达散射性能， RCS 明显降 低，其降低程度与两面角有较大的关系张辉研究了折叠芯材夹层几何特征参数 对其基本热传导性能的影响，总结了折叠芯材夹层板的当量热传导系数随折叠板 几何特征参数的变化规律随着参数 L 的增大，斜面上传热路径增长，温度梯度降低，热流密度降低， 整个单元体的热阻将增大。
Z型线步长S方向温度梯度变化时，高度H方向的 温度梯度也在变化因此， Z 型线步长 S 方向对热流密度的影响包括两个方向， 高度H方向和步长S方向对于整体H方向，S增大，单元体热阻将降低对折叠夹芯结构的隔音隔热性能、电磁性能进行研究，结果表明这种结构不 但具有良好的力学特性，而且具有优异的物理学特性，这对于结构本身应用的拓 展具有巨大的意义综合考虑结构、强度、隔声、隔热等要求，实现一体化设计 还有待于研究2新型装配式混凝土结构技术的应用装配式混凝土具有质量好、生产效率高和经济环保等优点，装配式结构是指 构件在工厂或施工现场进行预制，经过机械吊装等连接手段，将零散的预制构件 连接成一个整体的一种新型结构技术［10］2.1装配式混凝土结构在国内外的应用在美国，装配式混凝土结构建筑广泛应用于各种建筑，包括：居住建筑，学 校、医院、办公等公共建筑，停车库，单层工业厂房等由于大量应用大型预应 力预制混凝土构件技术，使装配式混凝土结构技术更充分地发挥了其优越性，体 现了施工速度快、工程质量好、工作效率高、经济耐久等优势西欧作为预制混 凝土的发源地，装配式混凝土建筑具有较长的历史，积累了大量的技术经验，其 预制装配式混凝土的应用极为普遍 ，它们强调设计、材料、工艺和施工的完美 结合，也因此很好的体现了不同体型和不同建筑形式的特点。
在新西兰装配式混 凝土的应用也极为广泛，利用新型装配型混凝土技术有效地减少了劳动力、加快 了工期，新西兰由于处于活动地震地带，在建筑结构方面要求严格，而装配式混 凝土的应用可以有效解决这一问题，新型装配式混凝土体现出了很好的抗震性能 在亚洲装配式混凝土发展最为先进的是日本，从第二次世界大战之后日本的装配 式混凝土建筑迅速发展，并且在地震区的高层和超高层建筑中应用十分广泛，日 本建筑的预制技术处于世界的领先水平，质量标准非常高，经历了多次地震考验， 体现出日本在装配式混凝土方面较高的综合技术水平在我国装配式混凝土结构的发展极为迅速，在 20 世纪末期已经广泛应用于 工业、桥梁道路、水工建筑和民用建筑，发挥着重要作用从20世纪 50 年代我 国开始制造整体式、块拼式屋面梁和吊车梁等，到70 年代末引进南斯拉夫预制 预应力混凝土板柱结构体系，装配式混凝土在我国的发展越来越快［11］ 2.2装配式混凝土结构的概念、优缺点 2.2.1装配式混凝土结构的概念装配式混凝土是以预制构件为主要受力构件，经过装配和连接而成的混凝土 结构，预制装配建筑的主要特点是构件在工厂制作，然后运送到现场，用机械或 人工进行安装。
该施工方法比传统方法可节省人工 25 %〜30 %、降低造价10%〜15%、缩短工期50%左右装配式混凝土由于构件是在有较好设备、一 定工艺流水线上加工生产，因而有利于广泛的采用预应力等技术，既节约生产原 料质量又稳定，还可以大量的利用工业废料，如采用粉煤灰矿渣混凝土，选用轻 骨料混凝土另外装配式结构在一定程度上减少了城市垃圾，如废钢筋、废铁丝、 废竹木材和废弃混凝土等［12］2.2.2.装配式混凝土结构的优缺点装配式混凝土具有一系列优点，因此在建筑中有很强的实用性第一，装配 式混凝土强调设计、材料、工艺和施工的完美结合；第二，由于装配式混凝土建 筑在欧洲具有较长的历史， 在技术上积累了大量的经验；第三，由于长期可持 续的研究和发展，预制技术已形成系统的基础理论，并符合节能环保与循环经济 要求；第四，制作的机械化程度高，提高了工作效率；第五，开始向模块化发展另外装配式混凝土也存在一些不足，最重要的是设计中不考虑地震作用，容 易受到地震的严重影响，影响生活在地震活动地带人们的日常生活并且我国的 预制混凝土构件存在跨度小、延时性差、承载力低和品种单一等缺点，需要不断 创新对这一问题加以解决。
2.3装配式混凝土结构关键技术应用2.3.1 结构连接设计的基本要求装配式混凝土结构要重视构件连接点的。