全 文 ：第 33 卷第 5 期
2011 年 9 月
南 京 工 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版)
JOURNAL OF NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY (Natural Science Edition)
Vol． 33 No． 5
Sep． 2011
doi:10． 3969 / j． issn． 1671 － 7627． 2011． 05． 002
泡桐木夹层结构材料的力学性能
方 海，刘伟庆，陆伟东，万 里
(南京工业大学 土木工程学院，江苏 南京 210009)
收稿日期:2011 － 04 － 25
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50978134，51008157) ;博士点基金博导类课题资助项目(20103221110008) ;江苏省高校自然科学基金
资助项目(09KJB560001)
作者简介:方 海(1981—) ，男，江苏仪征人，副教授，博士，主要研究方向为结构复合材料，E-mail:fanghainjut@ 163． com．
摘 要:选用泡桐木为原料，制备出夹层结构用泡桐木绿色夹芯材料，其木质纤维具有天然蜂窝形状，结构类似于
目前航空航天领域常用的蜂窝芯材;泡桐木芯材除密度略高于 Balsa 轻木外，其他力学性能测试指标均优于轻木，
同时在价格上占有绝对的优势。采用真空导入成型工艺，成功制备出轻质高强的泡桐木夹层复合材料，通过不同
跨高比试件的三点与四点弯试验，研究其典型受力破坏形态与机制;利用经典夹层梁理论预估试件抗弯刚度和受
弯极限承载力，理论值与实测值符合较好，并以此为基础，提出了基于强度的优化设计方法。
关键词:泡桐木;复合材料夹层结构;力学性能
中图分类号:TB332;TB301 文献标志码:A 文章编号:1671 － 7627(2011)05 － 0007 － 06
Mechanics properties of paulownia core sandwich composites
FANG Hai，LIU Weiqing，LU Weidong，WAN Li
(College of Civil Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，China)
Abstract:Green paulownia sandwich composite material was manufactured by using paulownia tree． The
mechanics properties of paulownia were better than that of balsa wood except weight，and it was low-cost．
The light-weight high-performance paulownia core sandwich composites were manufactured by vacuum in-
fusion molding process． The sandwich beams with different ratios of span to thickness were researched by
three-point and four-point flexural test． The typical failure modes and the mechanism of innovative sand-
wich specimens were investigated． The flexural stiffness and the ultimate bearing capacity of sandwich
composites were studied by ordinary sandwich beam theory． The analysis result agreed well with test re-
sult． The design method was presented based on the intensity demand．
Key words:paulownia;sandwich composite;mechanics properties
泡桐木是我国最轻的木材之一，气干密度约为
250 ～ 300 kg /m3，质轻而韧，耐湿隔潮，经过干燥后
不易吸湿和发生翘曲变形;导热系数小，燃点高达
425 ℃，耐火性能较好;耐腐、耐酸碱、耐磨损、耐疲
劳;人工种植，3 年成林，5 年成材。我国是泡桐木的
原产地，且为世界上少有的泡桐优生区，资源蕴藏丰
富。但由于泡桐木生长周期短，强度较低，一直未能
在工程领域获得大规模应用。利用泡桐木的特点，
将其作为夹芯材料，与高强玻璃纤维复合，通过齿槽
增强型界面和真空导入树脂固化工艺，制备工程用
大型绿色夹层结构件，具有轻质高强、节能、隔声、防
潮以及耐腐蚀、可设计性强等性能，可部分代替钢材
制造建筑、桥梁、舰船、车辆等工程结构件(如:桥面
板、墙板、船舶甲板等［1］) ，满足工程结构向“轻质高
强、生态环保节能”发展的趋势，同时为我国泡桐木
速生林产业向精加工、高附加值发展闯出一条新路。
复合材料夹层结构由面板和芯材通过树脂固化
而成:最外层是面板，主要承受弯曲变形引起的正应
力，采用高强度、高模量的材料制造，本文选择价格
低且国产化程度高的多轴向玻璃纤维布作为增强材
料;中间是芯材，为夹层结构提供足够的截面惯性矩
和抗弯刚度，且承受剪应力［2 － 4］。目前芯材主要采
用铝蜂窝、纸蜂窝、塑料蜂窝、聚氨酯泡沫、碳泡沫
等;近期风力叶片、游艇等领域常采用 Balsa 轻木作
为芯材，制备大型复合材料结构件。Balsa 轻木产自
南美洲厄瓜多尔，为世界上密度最小的木材，经工业
化处理后的成品密度为150 kg /m3左右，但 Balsa 轻
木资源有限，价格较高，全部依赖进口不太现实。因
此，本文提出了采用国产绿色泡桐木为芯材制备高
强玻璃纤维增强复合材料夹层结构，具体开展制备
工艺、受弯与受压性能试验与分析等方面的研究。
1 制备工艺
1. 1 泡桐木芯材的制备
针对夹层结构用泡桐木芯材制备，本文系统研究
了泡桐木平板、轮廓板芯材的制备工艺，包括:化学处
理、干燥工艺，单元重组、拼板、胶黏技术，规模化生产
技术等。本文首先对泡桐木原材料进行烘干处理，烘
干后的木材含水率约为 10%;再采用大型拼板机施
压胶合，利用四面刨进行刨光，形成平板芯材后，将其
上、下两面砂光，制成50 cm ×50 cm ×3. 8 cm、50 cm ×
50 cm × 5 cm等各种标准规格的平板泡桐木，此时木
材纹理方向垂直于面板，其扫描电镜(SEM)照片见图
1。由图 1可见:木质纤维具有天然蜂窝形状，结构类
似于目前航空航天领域常用的蜂窝芯材［5］，具有突出
的抗压缩性能与良好的剪切性能，同时与面板的黏接
面积较大，强度较高，成本较低。
1. 2 泡桐木夹层结构材料的制备
本文采用真空导入成型工艺制备绿色泡桐木夹
层结构材料［6］，其关键在于泡桐木芯材的处理，其上、
下表面均开有正交布置的齿槽，齿槽间距为20 mm，乙
烯基树脂在流动过程中，可以沿芯材表面的齿槽分
布，并浸渍纤维布(图 2)。沿芯材厚度方向的圆孔保
证了树脂在芯材两面的流动均匀，使得整个充模过程
迅速完成，并在室温下，较短时间内完成了固化过程。
芯材上、下表面铺放若干层多轴向玻璃纤维布，与树
脂在室温下固化后，形成复合材料面板。固化后，芯
图 1 泡桐木芯材扫描电镜照片
Fig． 1 SEM of paulownia wood
材上、下表面的尖槽内填满树脂，将面板与泡桐木芯
材“钉”在一起，提高面板与芯材的抗剥离能力。该
工艺无需加热加压，这也保证了其对大型结构件的适
用性，充模速度快，成型效益高;另外制品玻璃纤维含
量高，且为闭模工艺，较为绿色环保［5］。
图 2 面板与芯材
Fig． 2 Panel and core
2 力学性能试验
2. 1 泡桐木芯材基本力学性能
采用国产低成本泡桐木作为复合材料夹层结构
的芯材目前在国内外未见相关报道，因此泡桐木芯
材详细的力学性能必须通过力学性能试验获得。
本文参考相关夹层结构芯材试验标准［6 － 8］，并
考虑到木材的正交各向异性的特征，测试泡桐木芯
材的面内平压和面外平压性能以及面内剪切和面外
剪切性能，具体试验结果如表 1 所示。
泡桐木的面内平压试件典型的破坏形态为木材
纤维管压缩后，试件呈腰鼓形膨胀，且变形较快，面
内平压模量较低。而面外平压试件典型的破坏形态
为初始加载时较难观测到压缩变形，但随着荷载增
大，木材纤维突然压屈形成褶皱，伴有开裂现象，其
试件的力-位移曲线突然下降后继而逐渐上升，随后
变形逐渐增大。由此可见试件破坏前的面外平压模
量较大。
8 南 京 工 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) 第 33 卷
表 1 泡桐木芯材力学性能试验结果
Table 1 Test results for physical and mechanics properties of paulownia core
试验类型 编号
强度 /MPa
试验值 平均值
强度变异系数 /
%
模量 /MPa
试验值 平均值
模量变异系数 /
%
面内平压
1 2. 55 1 351
2 2. 46 2. 54 3. 15 1 563 1 469 7. 37
3 2. 62 1 495
面外平压
1 27. 96 4 310
2 24. 90 26. 53 5. 80 4 126 4 319 4. 58
3 26. 73 4 521
面内剪切
1 1. 26 283
2 1. 32 1. 29 2. 33 295 294 3. 43
3 1. 29 303
面外剪切
1 3. 59 202
2 3. 29 3. 34 7. 00 215 209 3. 11
3 3. 13 209
泡桐木的面内剪切性能采用拉剪试验方法，试件
典型的破坏形态为垂直于木材纹理方向，出现木材纤
维切断现象。泡桐木的面外剪切性能采用拉剪和短梁
受弯 2种试验方法相互验证确定，由于泡桐木的面外
剪切模量较大，拉剪试验方法可方便测其剪切强度，但
由于试件的侧向相对位移较小，较难测其剪切模量，只
可同时根据短梁的弯曲刚度，间接求得泡桐木芯材的
面外剪切模量。短梁受弯试件典型的破坏形态为:沿
木材纹理方向发生剪切破坏，并同时引起面板剥离。
将泡桐木芯材力学性能测试值、密度以及价格
(含加工处理成本)与 Balsa 轻木进行对比，结果见
表 2。
表 2 Balsa轻木与泡桐木芯材的性能与价格对比
Table 2 Comparison of properties and prices between balsa and paulownia core
木材
价格 /
(元·m －3)
密度 /
(kg·m －3)
压缩模量 /MPa 剪切模量 /MPa
面内 面外 面内 面外
剪切强度 /
MPa
压缩强度 /
MPa
Balsa木 12 000 150 1 020 3 550 159 272 2． 94 12． 90
泡桐木 3 000 260 1 469 4 319 209 294 3． 34 26． 53
由表 2 可见:泡桐木除密度略高于 Balsa 轻木
外，其他性能指标均优于 Balsa 轻木;面内压缩模量
提高了 44. 0%，面内剪切模量提高了 31. 4%;压缩
强度大幅提高了 105. 7%，剪切强度提高了 13. 6%。
同时泡桐木在价格上占有绝对的优势。这一方面为
该新型复合材料夹层结构的大规模国产化奠定了坚
实的基础，另一方面可带动我国泡桐木速生林产业
向高层次发展。
2. 2 泡桐木芯材复合材料弯曲性能试验
本文对泡桐木芯材复合材料夹层梁进行三点弯
和四点弯试验［9 － 10］，所有夹层梁试件的梁宽均为
80 mm，泡桐木芯材高度均为38 mm，上、下面板均为
2. 4 mm厚(芯材上、下各铺 3 层800 g四轴向玻璃纤
维布)。三点弯试件用于观察不同跨度夹层梁的破
坏形态，共设计了 3 个试件，跨度(l)分别为 150、
300、450 mm。四点弯试件用于测试夹层梁的抗弯
刚度，共有 3 个试件，跨度均设计为450 mm。所有
试件均在跨中设置竖向位移计。
2． 2． 1 三点弯试验
泡桐木复合材料夹层梁 3 个不同跨度三点弯试
件(简称“Ptb”)的试验现象:构件在加载初期，材料
基本处于弹性状态;随着荷载的增加，构件变形渐趋
明显，其中试件 Ptb-1(跨度150 mm)在变形较小的
情况下发生泡桐木芯材垂直剪切破坏;试件 Ptb-2
9第 5 期 方 海等:泡桐木夹层结构材料的力学性能
(跨度300 mm)和 Ptb-3(跨度450 mm)均产生较大
的竖向挠度，且为弹性变形，最终伴随清脆的响声，
上面板呈现受压屈服破坏。
泡桐木芯材复合材料夹层梁的三点弯荷载
(P)-跨中位移(f)曲线如图 3 所示。由图 3 可见，曲
线完全呈弹性发展，破坏具有突然性。
图 3 三点弯荷载-跨中位移曲线
Fig． 3 Deflection curves of three-point bending load midspan
极限承载力、极限挠度理论与试验结果列于表
3。泡桐木芯材复合材料夹层梁的极限挠度理论值根
据经典夹层梁理论计算。由表 3 可见:理论值与试
验值吻合较好;夹层梁跨度较小时，剪切变形占总变
形的比例较大，当跨度为150 mm时，剪切变形占
57. 8%;但随着梁跨度的增大，逐渐以弯曲变形为
主，当跨度为450 mm时，弯曲变形占 86. 9%。
2． 2． 2 四点弯试验
泡桐木复合材料夹层梁 3 个相同跨度
(450 mm)四点弯试件(简称“Pfb”)的试验现象:试
件 Pfb-1 和 Pfb-2 均呈现泡桐木芯材垂直剪切破坏，
试件Pfb-3同时发生芯材剪切和上面板受压屈服破
坏，说明该夹层梁面板与芯材的材料与尺寸设计较
为优化合理。
泡桐木芯材复合材料夹层梁的四点弯荷载-跨
中位移曲线如图 4 所示。试件 Pfb-3 由于芯材存在
孔洞缺陷，因此承载力相对稍低。由图 4 可知:泡桐
木芯材复合材料夹层梁的荷载-位移曲线以弹性发
展为主，破坏具有突然性，试件破坏时的挠度约
15 mm，约为跨度的 1 /30。极限承载力、极限挠度与
抗弯刚度试验结果列于表 4。
表 3 三点弯理论值与试验值比较
Table 3 Comparison between theoretical and experimental data of three point bending test
试件编号
试验值 理论值
极限承载力 /
kN
极限挠度 /
mm
抗弯刚度 /
(GN·mm2)
抗剪刚度 /
(kN·mm2)
弯曲变形 /
mm
剪切变形 /
mm
极限挠度 /
mm
差异 /
%
Ptb-1 19. 92 1. 81 0. 68 0. 93 1. 61 － 11. 0
Ptb-2 19. 76 8. 06 2. 052 806. 010 5. 42 1. 84 7. 26 － 9. 9
Ptb-3 17. 022 16. 99 15. 75 2. 38 18. 12 6. 7
图 4 四点弯荷载-跨中位移曲线
Fig． 4 Four-point bending load-midspan deflection curves
3 受弯理论分析
3. 1 抗弯刚度
因为泡桐木芯材的弹性模量相对泡沫等材料要
大，因此采用经典夹层梁计算其抗弯刚度(D)时，需
考虑上、下面板绕夹层结构中性轴的抗弯刚度(Dc)
与芯材自身刚度(D0)
［11］
D = D0 + Dc = E f
btfd
2
2 + Ec
bt3c
12 (1)
式中:E f 为面板弹性模量，8 730 MPa;b 为试件宽
度，80 mm;tf 为面板厚度，2. 25 mm;tc 为芯材厚度，
38 mm;d为夹层结构高度，42. 5 mm;Ec 为芯材弹性
模量，1 469 MPa。
以试件 Pfb-1 为例，可求得抗弯刚度理论解为
2. 003 GN·mm2，与 试 验 值 2. 052 GN·mm2 差 异
3. 30%，可见泡桐木芯材复合材料夹层梁抗弯刚度
的试验平均值与理论解较接近，从而验证了抗弯刚
度理论求解方法的正确性，且求解精度较高。
01 南 京 工 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) 第 33 卷
表 4 四点弯试验结果
Table 4 Experimental results of four-point bending
试件编号
极限承载力 /
kN
极限挠度 /
mm
极限弯矩 Mu /(kN·m)
试验值 平均值
Mu 的
变异系数 /
%
抗弯刚度 /(GN·mm2)
试验值 平均值
D的
变异系数 /
%
Pfb-1 21. 229 16. 73 1. 592 2. 052
Pfb-2 17. 953 16. 11 1. 346 1. 425 10. 18 1. 802 1. 937 6. 52
Pfb-3 17. 810 14. 71 1. 336 1. 958
3. 2 极限承载力
按经典夹层梁理论分析夹层结构截面的应力分
布，由于 tftc，则可得面板所受的正应力(σf)和芯
材所受的剪应力(τc)
σf =
M
btfd
(2)
τc =
Q
bd (3)
式中:M为弯矩;Q为剪力。
试验中观察到 2 种主要破坏模式。
1)当 σf =
M
btfd
= PlB1btfd
≥σyf(B1为常数，σyf为
极限正应力) ，上面板易发生受压屈服破坏。对于三
点弯试件，B1 = 4，面板临界屈服荷载(Pcr)可表
示为
Pcr = 4σyfbd
tf
l (4)
对于四点弯试件，B1 = 6，面板临界屈服荷载可表
示为
Pcr = 6σyfbd
tf
l (5)
2)当 τc =
Q
bd =
P
B2bd
≥ τyc(B2 为常数，τyc为极
限剪应力) ，芯材易发生剪切破坏。对于三点弯和
四点弯试件，芯材临界剪切荷载可表示为
Pcr = B2 τycbd (6)
对于三点弯和四点弯试件，B2 = 2。根据经典夹层梁
理论相关内容，可求得泡桐木芯材复合材料夹层梁
三点弯与四点弯试件极限承载力的理论值，结果见
表 5。
试件 Pfb-3 的面板屈服与芯材剪切临界力较为
接近，试验过程中，2 种破坏现象同时出现，面板屈
服理论值与实测值相差 22. 2 %，其余试件破坏时仅
为芯材剪切，未出现面板屈服现象，极限承载力均预
测良好。
表 5 极限承载力实测值与理论值对比
Table 5 Comparison between theoretical and experimental ultimate flexural bearing capacity
加载形式 试件
跨度 /
mm
极限承载力 /kN
实测值 理论值
差异 /% 破坏形式
Ptb-1 150 19. 920 20. 31 2. 0 芯材剪切
三点弯 Ptb-2 300 19. 760 21. 76 10. 1 上面板受压屈服
Ptb-3 450 17. 022 14. 50 － 14. 8 上面板受压屈服
Pfb-1 450 21. 229 20. 31 － 4. 3 芯材剪切
四点弯 Pfb-2 450 17. 953 20. 31 13. 1 芯材剪切
Pfb-3 450 17. 810 21. 76 /20. 31 22. 2 /14. 0 上面板屈服 /芯材剪切
3. 3 基于强度的优化设计方法
基于强度的优化设计方法是使各种破坏形式同
时发生，从而最大化利用复合材料夹层结构面板、芯
材的强度储备。设计者也可根据预期的破坏模式进
行强度设计。但通常情况下，可根据较易发生的 3
种破坏模式(面板屈服、面板屈曲与芯材剪切) ，使
之两两同时发生，进行基于强度的优化设计。
3． 3． 1 面板屈服与芯材剪切同时发生
P = σyfB1bd
tf
l = τycB2bd (7)
则
tf
l =
τycB2
σyfB1
(8)
以试件 Pfb-3为例，试验发现其面板屈服与芯材
剪切 2种破坏现象同时出现，该试件 tf = 2. 25 mm，
11第 5 期 方 海等:泡桐木夹层结构材料的力学性能
l = 450 mm，τyc = 3. 34 MPa，σyf = 223. 7 MPa，B2 = 2，
B1 = 6，代入式(8)后，即 tf / l = 0. 005 时，面板屈服与
芯材剪切 2 种破坏现象同时发生，完全符合试件
Pfb-3的设计，从而验证了该设计方法的有效性。
3． 3． 2 面板屈曲与芯材剪切同时发生
P = 0. 5B1bd
tf
l (E fEcGc)
1
3 = τycB2bd (9)
则
tf
l =
2B2τyc
B1(E fEcGc)
1
3
(10)
式中 Gc 为芯材的剪切模量。若夹层结构的芯材采
用弹性模量较低的材料，如泡沫和纹理平行于面板
的轻木等，则受弯时，上面板较易发生受压屈曲破
坏，即 tf / l = 0. 001 5时，面板屈曲与芯材剪切 2 种破
坏现象同时发生，则可采用式(10)进行结构设计。
4 结论
1)泡桐木芯材纹理方向垂直于面板，其木质纤
维具有天然蜂窝形状，结构类似于目前航空航天领
域常用的蜂窝芯材，可采用真空导入工艺制备绿色
泡桐木夹层结构复合材料。
2)泡桐木芯材除其密度略高于 Balsa 轻木外，
其他面内面外压缩、剪切等基本力学性能指标均优
于 Balsa轻木，同时在价格上占有绝对的优势，可带
动我国泡桐木速生林产业向高层次发展。
3)泡桐木夹层结构材料的抗弯刚度主要由面
板、芯材材料力学性能与夹层结构的厚度控制，理论
值与实测值符合较好。
4)泡桐木夹层结构材料受弯时，易发生面板屈
服和芯材剪切破坏，可利用经典夹层梁理论预估其
极限受弯承载力，理论值与实测值符合较好。
5)泡桐木夹层结构材料可采用基于强度的优
化设计方法，使各种破坏形式两两同时发生，从而对
面层厚度等尺寸进行设计。
参考文献:
［1］ Mouritz A P，Gellert E，Burchill P，et al． Review of advanced com-
posite structure for naval ships and submarines［J］． Composite
Structures，2001，53(11) :21 － 41．
［2］ James W G． Influence of reinforcement type on the mechanical
behavior and fire response of hybrid composites and sandwich
structures［D］． New Brunswick:The State University of Newjer-
sey，2004．
［3］ Dai J． Fatigue assessment methodology for sandwich panels［D］．
Los Angeles:University of California Los Angeles，2002．
［4］ Aviles F． Local buckling and debond propagation in sandwich col-
umns and panels ［D］． Boca Raton: Florida Atlantic
University，2005．
［5］ 汪勇，汤剑飞．蜂窝夹层复合材料老化强度与疲劳性能的试
验研究［J］．实验力学，2004，19(3) :381 － 385．
［6］ Sun X D，Li S J，Lee L J． Mold filling analysis in vacuum-assisted
resin transfer molding part Ⅰ:SCRIMP based on a high-permea-
ble medium［J］． Polymer Composites，1998，19(6) :807 － 817．
［7］ 中国国家标准化管理委员会． GB /T 1455—88 夹层结构或芯
子剪切性能试验方法［S］．北京:中国建筑工业出版社，2005．
［8］ 中国国家标准化管理委员会． GB /T 1453—87 非金属夹层结
构或芯子平压性能试验方法［S］． 北京:中国建筑工业出版
社，1987．
［9］ 中国国家标准化管理委员会． GB /T 1456—88 夹层结构弯曲
性能试验方法［S］．北京:中国建筑工业出版社，1988．
［10］ 黄涛，矫桂琼，潘文革．缝纫泡沫夹层结构弯曲性能研究［J］．
材料科学与工程学报，2006，24(4) :535 － 538．
［11］ Allen H G． Analysis and design of structural sandwich panels
［M］． London:Pergamon Press，1969:8 － 15．
21 南 京 工 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) 第 33 卷