航空航天等重大工程領域對結構輕量化和多功能化提出了迫切需求，夾芯結構具有輕質高強和隔熱吸波等多功能設計優勢，采用纖維增強樹脂基復合材料 (以下簡稱復合材料) 制備成型的夾芯結構表現出更明顯的力學和多功能優勢，在現代國防與工業高端裝備中展現出廣闊的應用前景。近年來，針對不同的材料體系和幾何拓撲構型，國內外學者發展了多種復合材料夾芯結構制備工藝并對其力學性能進行了深入研究，相關工作的開展進一步推動了夾芯結構的工程應用。夾芯結構的剛性面板在輕質芯層的支撐下遠離中性軸，使得結構截面慣性矩大幅提高、力學性能提升。然而如何保證面板與芯層間的可靠連接進而發揮夾芯結構整體性能的優勢，是學術界和工業界長期以來關注的焦點問題。

對于目前廣泛使用的熱固性復合材料夾芯結構，其面芯界面增強方法主要有改進面芯連接形式和增加面芯粘接面積兩種思路。改進面芯連接形式的方法，存在著犧牲面板性能、槽口處應力集中的難題。對于增加面芯粘接面積的方法，一種方式是發展具有更大面芯接觸面積的新型點陣芯層構，一種是引入過渡層，將面芯點面連接轉化為過渡層與面板的粘接，但面芯界面強度很大程度上仍取決于膠粘劑性能。盡管表面機械打磨、表面化學處理等方法能夠一定程度上提高面芯連接性能，復合材料夾芯結構面芯界面強度較低的問題依然突出。

與熱固性復合材料相比，熱塑性樹脂表面能較低，膠粘連接對熱塑性復合材料夾芯結構面芯界面強度提升有限。得益于熱塑性樹脂僅發生加熱熔化和冷卻固結的特性，熱塑性復合材料夾芯結構可采用熔融連接方式以實現可靠的面芯界面連接。Grünewald 等對熱塑性復合材料夾芯結構的制備方法進行了綜述，主要側重泡沫芯層構型。近年來，國內外學者在熱塑性復合材料夾芯結構的面芯連接方面進行了諸多有益探索，相繼發展了面芯共固結、折疊熱粘、面芯熱熔粘接、界面膠柱增強等工藝方法，拓展了熱塑性復合材料夾芯結構的設計分析和表征評價方法。圍繞熱塑性復合材料夾芯結構的面芯連接問題，本文對熔融連接方面的研究進展進行概述 (圖 1)，首先介紹常見構型與材料選擇，重點梳理各類熔融連接方法，并對未來發展趨勢進行探討。

圖1 常見夾芯結構構型

夾芯結構由剛性面板和輕質芯層復合而成，面板主要承受彎曲和面內載荷，芯層主要承受由面板傳來的橫向剪切力，同時支撐面板、防止局部屈曲。按照芯層拓撲構型是否規則，夾芯結構可以分為無序的泡沫夾芯結構和胞元周期有序的多孔夾芯結構兩大類 (圖 1)。泡沫芯材根據孔間是否聯通可以分為開孔泡沫和閉孔泡沫，有序多孔芯層主要包括蜂窩、點陣和波紋等構型。蜂窩芯層起源于仿生學，在力學性能上表現出橫觀各向同性。針對不同蜂窩芯層構型和材料體系，已有膠粘展開、樹脂浸漬、擠出成型、復合材料裁折等工藝方法。常見的點陣芯層包括金字塔、四面體和3D-Kagome等，點陣芯層通過桿件的拉壓變形抵抗外載作用。波紋構型是由波紋輪廓沿單一方向拉伸而成的棱柱結構，具有三角形、梯形、正弦形和鉆石形等類型。波紋構型在單一方向上周期分布，在力學性能上表現出各向異性。

面板由增強纖維與熱塑性樹脂復合而成，通過鋪層設計與各類芯層復合得到熱塑性復合材料夾芯結構。面板所用增強體通常有纖維氈、連續單向纖維、纖維編織布等結構形式，常用樹脂包括聚丙烯 (PP)、聚酰胺 (PA) 等工程樹脂及聚乙烯亞胺 (PEI)、聚醚醚酮 (PEEK) 等高性能樹脂，需綜合考慮設計要求、工藝成本等因素選擇具體材料種類。本文梳理了面芯熔融連接熱塑性復合材料夾芯結構的芯層構型和所用材料，如表 1 所示。目前已有芯層為純熱塑性樹脂的商用夾芯結構，芯層構型以泡沫和蜂窩居多，在包裝、運輸等領域有著廣泛應用。為了將增強纖維與熱塑性樹脂復合進而大幅提高芯層力學性能，學者們提出了適用于不同結構形式和材料體系的纖維增強熱塑性復合材料夾芯結構，并驗證了面芯熔融連接的 可行性，但大多處于實驗室或者中試階段，仍需進一步突破大批量制備的難題。

表1 采用熔融連接的熱塑性復合材料

夾芯結構構型與材料概覽

對于金屬夾芯結構和熱固性復合材料夾芯結構，可根據材料種類適配膠粘劑，實現面芯可靠連接。而熱塑性復合材料夾芯結構面芯可熔融連接同時不引入新材料。熔融連接 (Fusion bonding) 是指聚合物部件間通過界面樹脂的熔融和固結而連接成一體的過程，其機制如圖 2 所示：在壓力和溫度作用下兩接觸面樹脂軟化，達到完全接觸后樹脂分子鏈在界面處發生遷移，在分子鏈遷移完成后樹脂在壓力作用下冷卻固結完成熔融連接。本文梳理了現有熱塑性復合材料夾芯結構的代表性熔融連接方法 (圖 3)，主要有熱板焊接、模壓成型、連續熱壓、面芯共編與增材制造。熱板焊接、模壓成型和連續熱壓方法通常需要面板和芯層分體成型再復合成夾芯板，而面芯共編、整體編織和增材制造能夠實現面板和芯層的一體化成型。以下重點對這五種熔融連接方法進行介紹。

圖2 熔融連接原理

圖3 常見的熱塑性復合材料夾芯結構熔融連接方法

圖4 熱板焊接制備的自增強聚對苯二甲酸乙二醇酯

 (SrPET) 金字塔夾芯結構

圖5 層級熱塑性復合材料波紋夾芯結構

Du 等發展了熱塑性復合材料夾芯結構熱壓成型及面芯熱熔粘結工藝(圖6)，分別制備面板和波紋芯層，將熱壓機下壓板清理干凈加熱到250℃，面板和波紋芯層放置在下壓板一定時間(5~10 s) 同時施加壓力。之后迅速取出面板和波紋芯層，迅速放入L型鋼制模具中對齊粘結。最后施加 0.0017 MPa 壓強，直到冷卻至室溫，制成連續玻璃纖維增強聚丙烯 (GF/PP) 波紋夾芯結構。通過平壓實驗研究了不同相對密度 GF/PP 波紋夾芯板的變形過程和典型失效模式，結構在平面壓縮載荷作用下并未出現面芯脫粘。同時根據典型失效模式和剛度折減準則開發用戶子程序VUMAT，模擬夾芯結構在平壓載荷作用下的力學響應，與實驗取得了較好的一致性。

針對當波紋芯層相對密度較低時芯層易發生壁板屈曲的問題，Chen等提出了多層波紋熱塑性復合材料夾芯結構，基于熱壓模具成型工藝和熱熔粘接方法設計并制備多層GF/PP 波紋夾芯板。采用準靜態平壓實驗研究芯層排布方式、夾芯層數和裝配誤差對多層波紋夾芯板的變形機制和能量吸收的影響，雙層波紋夾芯板的主要失效模式是中間面板彎曲、芯層屈曲和斷裂。

圖6 玻璃纖維增強聚丙烯 (GF/PP) 

波紋夾芯板制備流程圖

熱塑性復合材料夾芯結構的模壓成型具有等溫 (Isothermal) 和非等溫 (Non-isothermal) 兩種工藝路徑。等溫模壓成型中，面板和芯層在外部壓力作用下整體加熱，面芯界面處樹脂加熱熔化后冷卻固結完成連接。然而面板樹脂熔化再冷卻固結的時間窗口較短，芯層易發生局部壓潰。為解決此問題，學者們提出了模內發泡、面芯共固結、熱熔膠接和非等溫模壓等解決方案。

模內發泡法屬于等溫模壓的范疇，該方法將預成型面板加熱并提前固定在模具型腔內，配合原位發泡 (In-situ foaming) 技術，只需一步即可制備熱塑性復合材料夾芯結構，如圖 7 所示。根據發泡原理不同，模內發泡主要包括注塑發泡 (Injection foaming) 和薄膜發泡 (Film foaming)。傳統等溫模壓方法中，壓力由模具由面板向芯層傳導，而模內發泡時泡沫芯層厚度逐漸增加，達到夾芯板設計厚度后，保持模具行程與溫度，能夠從機制上減弱芯層局部壓潰的不利影響。

圖7 模內發泡方法：(a)注塑發泡；(b)薄膜發泡

對于具有周期性胞元的熱塑性復合材料夾芯結構，如何在面芯熔融連接時實現芯層保型是需要解決的難點問題。Schneider等針對SrPET材料提出了鋁模填充的面芯共固結成型方法，成功制備了SrPET波紋夾芯結構。在圖8(a)所示的方案中，下面板預浸料鋪放于下模具，再將芯層預浸料纏繞在波紋金屬塊外部，制成波紋單胞預制體并排放置于下面板之上，覆蓋上面板預浸料整體熱壓成型，脫模后即可制成熱塑性復合材料波紋夾芯結構。結果表明，SrPET 波紋夾芯結構具有與工業泡沫塑料相當的準靜態壓縮性能，但其動態壓縮性能較好。然而在該初步方案中各波紋胞元間材料不連續，在過渡處出現樹脂富余區，限制了結構整體力學性能。進一步提出了具有芯層連續鋪層的面芯共固結工藝 (圖8(b))，實驗結果表明夾芯結構未出現面芯破壞。同時采用實驗和有限元結合的方法研究了芯層和面板質量分布對結構三點彎曲性能的影響，發現提高芯層質量比例有利于提高SrPET波紋夾芯結構承載能力和吸能，結構吸能要優于鋁波紋夾芯結構，與碳纖/環氧面板和泡沫芯層夾芯板相當。為進一步提高面芯界面性能，Schneider 等發展了面芯縫合共固結工藝 (圖 8(c))，芯層預浸料與下面板通過凱夫拉/不銹鋼線縫合后間隔放置鋁芯模，模壓成型并脫模得到熱塑性復合材料波紋夾芯結構。在簡支梁沖擊工況下，結構中部受到沖量為750~3450 N·m/s² 泡沫鋁子彈沖擊后，面芯界面完好。

圖8 SrPET 復合材料波紋夾芯結構面芯共固結：

(a) 芯層間斷鋪層；(b) 芯層連續鋪層；(c) 縫合增強

值得注意的是，Schneider等的系列工作采用了高柔度的母體材料SrPET，因此能夠預成型芯層胞元，并共固結制備夾芯結構。但常溫下，采用玻璃纖維或者碳纖維作為增強體的熱塑性復合材料剛度相對較大，借助面芯共固結一次成型夾芯結構相對困難。Hu等提出了一種原位熱壓成型制備碳纖維增強聚醚醚酮 (CF/PEEK) 復合材料類金字塔夾芯板的方法 (圖9)，該方法首先熱壓成型全復合材料面板與類金字塔點陣芯層，點陣芯層在鋼制墊塊支撐和周向夾具限位下與面板原位熱壓，實現面芯熔融連接。借助落錘試驗考核結構面芯連接性能與抗沖擊性能，在不同芯層密度、沖擊能量和沖擊位置下，結構表現為桿件屈曲/斷裂或面板局部破壞，并未出現面芯脫粘的情況。

圖9 CF/PEEK金字塔夾芯結構面芯連接方法：

(a)膠粘連接；(b)原為熱壓

Imran等采用兩步法制備了100%可回收的自增強聚丙烯 (SrPP) 波紋夾芯結構 (圖10)，分別熱壓成型面板和波紋芯層，再借助 PP 熱熔膠熔融連接制成夾芯結構。光學顯微鏡結果顯示，面芯界面處樹脂過渡連續、纖維絲束平均分布。采用理論、有限元和實驗相結合的方法，研究了SrPP 波紋夾芯結構面外壓縮性能，探討了波紋角度和質量分布對彎曲性能和吸能的影響。

圖10所制備的 SrPP 結構

Gao等面向車用內外飾對 PP 復合材料結構的需求，提出了PP膠膜復合熱壓工藝方法 (圖11)，制備了 GF/PP 復合材料蜂窩夾芯結構。在該方案中PP膠膜在微觀上具有纖維網狀結構，有助于提高面芯界面強度。同時使用熱熔膠膜后，樹脂熔融連接主要發生在臨近面芯界面處，既避免了樹脂過度熔融帶來的芯層性能降低，又縮短了工藝時間。進一步研究了面板鋪層和芯層幾何參數對結構三點彎曲性能的影響，并采用多目標優化方法確定了最佳參數組合，使得夾芯結構具有最大比吸能和最小峰值力。

圖11 GF/PP 復合材料蜂窩夾芯結構：

(a) 面芯鋪層方案；(b) 制備流程圖

熱塑性復合材料夾芯結構模壓成型的另一種途徑為非等溫成型。在該方法中，面板加熱后迅速與芯層復合，在面芯連接處芯層樹脂僅依靠面板溫度熔融固結，模具僅提供壓力。Grünewald等發展了非等溫模壓方法，制備出熱塑性復合材料泡沫夾芯結構。基于 Thermabond®思想，首先在 CF/PEEK 面板表面復合PEI薄膜后加熱，再與 PEI 泡沫芯層在壓力作用下復合成夾芯結構(圖12(a))。由于無定形樹脂 PEI 的玻璃化轉變溫度低于半結晶態樹脂 PEEK 的熔點，因此 PEI 泡沫表面與 CF/PEEK 面板的 PEI 層熱傳導后發生分子鏈移動，冷卻后固結即可形成面芯界面。面板溫度低于 PEEK 樹脂熔點，保證了面板外形和力學性能，為熱塑性復合材料泡沫夾芯結構的面芯熔融連接提供了可靠方案。在此基礎上，亦可在PEI 泡沫中布置熱塑性膠棒以增強芯層承載能力 (圖12(b))，熱塑性膠棒在芯層兩端形成鉚接頭，與面板形成機械嵌鎖連接可進一步提高面芯界面性能。

批量化制備熱塑性復合材料夾芯結構一直是學術和工業界關注的重點。目前最成熟的熱塑性復合材料夾芯結構生產工藝為雙帶復合工藝 (圖1)，面板和芯層堆疊后由傳送帶自動送入含有加熱元件的生產線中，樹脂受熱熔化并在壓力作用下熔融連接，冷卻固結后即可形成熱塑性復合材料夾芯結構。通過調節溫度、壓力、時間、傳送速度等關鍵工藝參數，可實現熱塑性復合材料夾芯結構的連續熱壓成型，進而按照使用需求切割加工或二次熱成型。目前 PP 蜂窩夾芯結構應用較為廣泛，主要有六角蜂窩和圓形蜂窩兩種構型，面芯連接形式為蜂窩胞元和面板間的線面連接。

圖12 (a) 熱塑性復合材料泡沫夾芯結構制備示意圖；

(b) 熱塑性復合材料泡沫芯層增強示意圖

為提高界面連接性能，一方面可將粘接形式從線面連接優化為面面連接(圖13)，如Pflug等所提出的ThermHex®系列蜂窩。另一方面還可以通過在蜂窩芯層與面板間復合延流膜和無紡布實現。

圖13 ThermHex®蜂窩結構制備示意圖

2.1-2.3節所綜述的方法中，面芯界面處僅發生樹脂分子鏈擴散，面板和芯層中的纖維并未貫穿面芯界面，理論上面芯界面性能仍有提升的空間。借助增強體纖維和基體纖維的共編技術制成預制體，配合可拆卸模具，能夠實現三維編織復合材料夾芯結構面芯一體化成型。德國德累斯頓工業大學的研究者們在協同研究中心 SFB 639 項目的支持下，開展了三維編織復合材料夾芯結構方面的系列研究。Mountasir等開發了改進型雙劍桿織機，制備了 GF/PP 共編纖維預制體，并通過在線熱壓同步實現樹脂固結和結構成型，成功制成了三維編織復合材料夾芯平板 (圖14)。通過高卷曲紗線對面芯連接區域進行優化，可實現接頭力學性能的提升。使用可拆卸模具或在胞元內填充輕質泡沫，也能夠實現結構賦型和結構性能提升。Hufenbach等精心設計了芯模剪力控制系統，配合單曲面熱壓模具，成功制備出了三維編織復合材料夾芯曲板。

圖14 (a) 制件與可拆卸芯模；

(b) 銷釘導向剪力機構；(c) 曲面結構成型模具

增材制造又稱 3D 打印，可按軌跡逐層增加材料，具有成本低、材料利用率高等優勢，能實現復雜結構的快速制造。Compton等以碳化硅晶須和短切碳纖增強環氧墨水為原料，通過調控噴嘴結構和纖維尺寸，實現纖維方向可控排布，3D 打印制備了多種輕質復合材料結構，分析了結構的力學性能。Buican等 3D 打印制備了熱塑性復合材料夾芯板，面板和芯層分別為短切碳纖增強尼龍和短切玻纖增強聚乳酸。研究了纖維填充率對結構力學性能的影響，發現填充率顯著影響結構的三點彎曲和抗沖擊性能，而對拉伸性能影響不顯著。按照增強纖維形式的不同，現有 3D打印成型的熱塑性復合材料主要分為非連續纖維增強和連續纖維增強兩種，其中非連續纖維增強熱塑性復合材料 3D 打印相對成熟，但其對結構力學性能的提升有限，目前關注較多的是連續纖維增強熱塑性復合材料 3D 打印。

Hou等基于連續纖維增強復合材料 3D 打印，提出了芯材十字交叉和面芯集成制造策略，成功制備了凱夫拉/聚乳酸 (Kevlar/PLA) 波紋夾芯板 (圖15(a))。當打印噴頭經過交叉搭接處時，搭接處樹脂加熱熔融，與噴頭內新擠出線材二次固結。該方法中纖維體積分數可控，纖維含量為11.5vol% 時結構面外壓縮強度可達17.17 MPa，十字交叉處沒有出現破壞，芯材與面板結合緊密未發生剝離現象。為了進一步改善樹脂浸潤與層間粘接性能，Luo等在已有連續纖維增強復合材料 3D 打印系統中集成激光加熱模塊，優化打印參數后 CF/PEEK 復合材料的彎曲強度和剛度可達480 MPa 和 37 GPa，制備了輕質波紋夾芯結構，進一步驗證了復雜構型夾芯結構 3D 打印一體化成型的可行性 (圖15(b)~15(d))。Zeng等使用碳纖維增強聚乳酸 (CF/PLA)3D 打印了具有形狀記憶能力的波紋夾芯結構，考慮面板失效、面板屈曲、芯層剪切和壓潰失效，繪制失效競爭機制圖，預測了結構在三點彎曲下的承載能力和失效模式。對比彎曲性能發現 3D 打印波紋夾芯結構比其他夾層結構具有更高的彎曲強度。

從幾何構型上，波紋夾芯結構可以看作由外輪廓線拉伸而成，先打印的結構能夠為后續材料的打印提供支撐。而對于蜂窩夾芯結構這類結構，蜂窩的非連續輪廓不能為上面板提供連續支撐，胞元內加支撐則會面臨無法取出的難題。Sugiyama等提出了一種借助纖維張力無支撐 3D 打印蜂窩夾芯結構的方案，材料為 CF/PLA，考察了蜂窩構型 (六角、菱形、方形、圓形) 和幾何尺寸對結構三點彎曲性能的影響，其中菱形蜂窩彎曲強度最高。

圖15 (a) 路徑設計；(b) 波紋截面；(c) 3D 打印過程；

(d) 3D 打印制備的 CF/PEEK 波紋夾芯結構