TWI789098B - 複合夾芯板 - Google Patents

Abstract

一種複合夾芯板，包含複數一般薄層、至少一強化薄層，及複數與該等一般薄層及該至少一強化薄層疊合的芯材。該至少一強化薄層不反曲，且平均主曲率大於該等一般薄層的平均主曲率。當該複合夾芯板受到垂直的作用力時，該至少一強化薄層主要承受切線方向之正應力，並藉由該至少一強化薄層之曲率設計來降低該等芯材的剪應力，從而達到增加整體結構強度、勁度，及負載強度之功效。

Description

複合夾芯板

本發明是有關於一種板材的夾層結構，特別是指一種複合夾芯板。

參閱圖1，三明治結構是一種多層夾芯的特殊結構，其多以複合材料製成，並包含一上面層11、一平行該上面層11的下面層12，及一夾設於該上面層11及該下面層12之間的芯材層13。該上面層11、該下面層12，及該芯材層13彼此相互平行。通常該上面層11及該下面層12以剛性較高的材料製成，而該芯材層13則以重量較輕的材料製成，透過疊層夾芯的結構及材料上的配合，三明治結構可獲得高剛性、高強度及輕量化等特性。透過材料的選用及組合，三明治結構可進一步產生阻燃、隔音、抗衝擊、耐熱、耐蝕等特性，在講究輕量化及高強度的航太工業中有廣泛的應用。

然而，一般的三明治結構是由該上面層11及該下面層12承受垂直的作用力，並因彎矩而在該上面層11及該下面層12產生正應力及剪應力，而前述的剪應力也會傳遞至該芯材層13，若剪應力過大就會使該芯材層13產生剪切破壞並破裂，造成三明治結構破壞並失效，因此如何提高負載強度，是三明治結構的主要課題。此外，一般三明治結構在該上面層11、該下面層12及該芯材層13中的任兩者因受損而分離時，整體結構的承載能力會大幅受損而難以繼續使用，因此尚有改善之空間。

因此，本發明之目的，即在提供一種可降低芯材所承受之剪應力的複合夾芯板。

於是，本發明複合夾芯板，包含複數一般薄層、至少一強化薄層，及複數與該等一般薄層及該至少一強化薄層疊合的芯材。該至少一強化薄層不反曲，且平均主曲率大於該等一般薄層的平均主曲率。

本發明之功效在於：當該複合夾芯板受到垂直的作用力時，該至少一強化薄層主要承受切線方向之正應力，並藉由該至少一強化薄層之曲率設計來降低該等芯材的剪應力，從而達到增加整體結構強度、勁度，及負載強度之功效。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖2及圖3，為本發明複合夾芯板2的一第一實施例，該複合夾心板2包含兩層一般薄層21、一層位於該等一般薄層21之間的強化薄層22，及二個與該等一般薄層21及該強化薄層22疊合的芯材23。該等一般薄層21的曲率相差10%以內(在主要受力段內)，且以強化纖維材料製成。該強化薄層22同樣是以強化纖維材料製成，其不反曲且平均主曲率大於該等一般薄層21的平均主曲率。該強化薄層22跨徑A與彎曲深度B的比值為5:1至60:1。該等芯材23是以發泡材料或蜂巢結構材料製成，每一芯材23介於其中一層一般薄層21及該強化薄層22之間。為了維持該等一般薄層21及該強化薄層22平均主曲率不同的特徵，該芯材23分別以不同彎曲程度的曲面(或是一平面及一曲面)來貼合相對應的一般薄層21及該強化薄層22，使彎曲程度不同的該等一般薄層21及該強化薄層22能與該等芯材23相互疊置成板狀。該等一般薄層21、該強化薄層22，及該等芯材23間是以膠黏方式彼此黏合，其可以是預先使該等一般薄層21及該強化薄層22含浸樹脂，接著再透過熱壓或壓合方式與該等芯材23成型為該複合夾芯板2，也可以先將該等一般薄層21、該強化薄層22，及該等芯材23層層疊置，再注入膠黏劑並壓合成型。需要特別說明的是，前述的該等一般薄層21、該強化薄層22，及該等芯材23，皆為該複合夾芯板2受力時的主要受力區段24，但實際應用時，為了便於固定或與其他材質結合，該複合夾芯板2可增加一、二或多個邊界區段25。這些邊界區段25由該主要受力區段24向外延伸並用於結合固定。就該強化薄層22而言，其主要受力區段24的最大跨徑為該等邊界區段25的兩倍以上，且該強化薄層22僅在主要受力區段24上不反曲。此外，該複合夾心板2也可依需求而具有複數強化薄層22，該等強化薄層22的平均主曲率皆大於該等一般薄層21的平均主曲率，且該等強化薄層22的彎曲方向可完全相同，也可以不一致，例如可以有其中一個強化薄層22的彎曲方向與其他強化薄層22相反。

實驗例一：

參閱圖2、圖3，及圖4，本實驗例一是以一對照組及一實驗組進行比對，該對照組為傳統的三明治結構3，其以上下兩層碳纖維層及位於中間的芯材組成(圖4中未詳細顯示)，而該實驗組則是前段所述之結構，該對照組的碳纖維層與該實驗組的一般薄層21以及強化薄層22之材質相同，該對照組的芯材與該實驗組的芯材23之材質相同。該對照組及該實驗組的總尺寸同樣為1公尺×1公尺×0.1公尺的正方形板體，且周圍四個邊皆以1.5mm的碳纖維薄層材料圍繞起來。該對照組及該實驗組的重量近乎相同。本實驗例的實驗方式是將該對照組及該實驗組的兩端如圖2所示地固定住，接著對上層面施加0.1MPa的均佈負載，經實驗後所測得之結果如下方表一所示。

[表一]

	對照組	實驗組
最大整體結構位移(mm)	5.09	1.57
最大整體主應變	0.23%	0.09%
芯材最大主應變	0.86%	0.18%

由表一可清楚得知，本發明的複合夾芯板2在受力後的位移量遠較於傳統的三明治結構低，且勁度甚至為傳統三明治結構3的三倍，這主要是因為當該複合夾芯板2受到垂直的作用力時，該至少一強化薄層22主要承受切線方向之正應力，並藉由該至少一強化薄層22及該等一般薄層21之曲率設計來降低該等芯材23的剪應力，從而達到增加整體結構強度、勁度，及負載強度之功效。

實驗例二：

本實驗例二大致與實驗一相同，主要差異在於該對照組的碳纖維層及芯材接觸面間彼此分離，且該實驗組的該等一般薄層21、該強化薄層22，及該等芯材23接觸面間彼此分離。本實驗二欲模擬在極端的狀況下，本發明與傳統三明治結構3的安全性，其得出之結果如下方表二所示。

[表二]

	對照組	實驗組
最大整體結構位移(mm)	26.14	2.48
最大整體主應變	0.53%	0.10%
芯材最大主應變	0.79%	0.68%

由上方表二之結果可清楚得知，相較於實驗一中的數據而言，本發明在分離的狀況下位移的上升量不大，甚至在分離後勁度都還優於未分離的傳統三明治結構3，幾乎不受分離之影響而有極高的損傷容限(Damage Tolerance)，如果應用於航太產業，則可以在結構有些許受損的情況下能仍繼續運行，提升飛航安全性及對惡劣環境的耐受性。

由上述的實驗例可知，本發明透過該強化薄層22之平均主曲率大於該等一般薄層21的設計，可確實降低負載所造成的位移量，強化整體的勁度及結構強度。需要特別說明的是，該強化薄層22並不一定要位在該等一般薄層21之間，該強化薄層22也可以位於最外層處，提供較大的配置彈性及泛用性。該複合夾芯板2也可包含複數強化薄層22，該等強化薄層22可以彼此相互貼觸，也就是複數相互貼合的強化薄層22位於兩相鄰芯材23之間，若是該等強化薄層22被該等芯材23隔開而不接觸的配置方式，該等強化薄層22的彎曲方向也可彼此相反，以達到不同的結構特性之需求。

參閱圖5至圖8，其中圖5為本第一實施例的實際應用時的一種實施態樣，而圖6、圖7，及圖8為其製造方法。首先將該等一般薄層21、該等強化薄層22，及該等芯材23如圖6所示地依序上下疊置於模具4中，接著進行熱壓成型後將整個模具4如圖7所示地上下倒轉，最後在開模後可獲得如圖8所示的複合夾芯板2，該複合夾芯板2可與其他相同結構的複合夾芯板2一體連接(共用相同的該等一般薄層21及該強化薄層22)，形成如圖5所示的實施態樣，此種實施態樣可用作飛機地板等承重用途，達到質輕、結構強度高且提高安全性之功效。

實驗例三：

參閱圖9至圖12，本實驗例三是以一對照組及一實驗組進行比對，該對照組如圖9及圖10所示，是將一實心發泡芯材31以上下兩層碳纖維薄層32包覆而形成的傳統三明治結構3，其尺寸為900mm×250mm×50mm，而該實驗組則如圖11及圖12所示，與本案前述結構類似，差別在於該強化薄層22並未位於該等一般薄層21或該等芯材23之間，而是位於最外側的位置，其長及寬同樣為900mm×250mm，最厚處為65mm而兩側最薄處為25mm。該等一般薄層21的厚度各自為0.448mm，而該強化薄層22的厚度則為0.976mm。該對照組及該實驗組的重量皆為405g，且兩者皆在上層面施加0.1Mpa的均佈負載，經實驗後所測得之結果如下方表三所示。

[表三]

	對照組	實驗組
最大整體結構位移(mm)	14.12	9.776
最大整體主應變	3.774%	2.185%

由表三可清楚得知，本發明的強化薄層22並不一定要被該等一般薄層21及該等芯材23夾設而位於中心處，縱使該強化薄層22位於上層面或下層面也可使整體具備較佳的結構強度，該實驗組的製造方式是先將該等一般薄層21及該等芯材23交錯疊合，該等芯材23的其中一個具有朝向外側的弧形面，將該強化薄層22置於前述芯材23的弧形面上，最後將該等一般薄層21及該等強化薄層22的兩側拉緊並將多餘部分收折固定，從而製得該複合夾芯板2，雖然上述態樣的強化程度較實驗例一來得小一些，但有著製造較為簡易之優勢。

參閱圖13及圖14，為本發明複合夾芯板2的一第二實施例，本第二實施例大致上與該第一實施例相同，不同之處在於：該複合夾芯板2包含兩層一般薄層21、一層強化薄層22，及二芯材23。界定一水平方向C，及一垂直方向D，但此處的垂直及水平僅為便於說明，不應以此限制本發明實際應用時的方向配置。該等芯材23是沿該水平方向C彼此靠抵。其中一層一般薄層21被夾制於該等芯材23之間，另一層一般薄層21與該強化薄層22沿該垂直方向D分別位於該等芯材23的上下兩側以包覆該等芯材23。圖14為本第二實施例實際應用時的一種實施態樣，其中多個複合夾芯板2是透過位於外側的一般薄層21彼此相互一體連接，本第二實施例提供了另一種結構較為簡單的態樣，並供使用者依需求選擇。

綜上所述，本發明透過該強化薄層22平均主曲率較大的設計可有效降低該等芯材23所承受的剪應力，使本發明受力後的應變降低，進而增加本發明整體的結構強度、勁度，及負載強度，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2:複合夾芯板 21:一般薄層 22:強化薄層 23:芯材 24:主要受力區段 25:邊界區段 3:傳統三明治結構 31:實心發泡芯材 32:碳纖維薄層 4:模具 A:跨徑 B:彎曲深度 C:水平方向 D:垂直方向

本發明之其它的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一側視剖面圖，說明一習知的三明治結構； 圖2是一立體圖，說明本發明複合夾芯板之一第一實施例； 圖3是一側視圖，進一步說明該實施例的疊層結構； 圖4是一透視圖，說明本發明中實驗例一及實驗例二的一對照組及一實驗組； 圖5是一側視圖，說明該第一實施例應用時的一種實施態樣； 圖6至圖8皆是示意圖，說明圖5的製造過程； 圖9是一立體圖，說明本發明中實驗例三的一對照組； 圖10是一側視圖，用於說明圖9的結構，為便於說明因此未依照實際比例繪示； 圖11是一立體圖，說明本發明中實驗例三的一實驗組； 圖12是一側視圖，用於說明圖11的結構，為便於說明因此未依照實際比例繪示； 圖13是一側視圖，說明本發明複合夾芯板之一第二實施例；及 圖14是一立體圖，說明該第二實施例應用時的一種實施態樣。

2:複合夾芯板

21:一般薄層

22:強化薄層

23:芯材

24:主要受力區段

25:邊界區段

Claims (7)

1. 一種複合夾芯板，包含： 複數一般薄層； 至少一強化薄層，該至少一強化薄層不反曲，且平均主曲率大於該等一般薄層的平均主曲率；及 複數芯材，與該等一般薄層及該至少一強化薄層疊合。
2. 如請求項1所述的複合夾芯板，其中，該等一般薄層的曲率相差10%以內。
3. 如請求項1所述的複合夾芯板，其中，該至少一強化薄層的跨徑與彎曲深度的比值為5:1至60:1。
4. 如請求項1所述的複合夾芯板，包含複數強化薄層，該等強化薄層的彎曲方向不完全一致。
5. 如請求項1所述的複合夾芯板，其中，該等一般薄層及該至少一強化薄層是以強化纖維材料製成。
6. 如請求項1所述的複合夾芯板，其中，該等芯材是以發泡材料或蜂巢結構材料製成。
7. 如請求項1所述的複合夾芯板，界定一垂直方向，該複合夾芯板包含兩層一般薄層、一層強化薄層，及二芯材，該等一般薄層、該強化薄層，及該等芯材沿該垂直方向彼此疊合。

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