巴尔沙木是一种原产于南美洲的热带木材，现在在许多国家种植，是一种用于夹层结构的最轻的商业木材。其密度较低(一般在50 - 350公斤/立方米之间)，取决于树的年龄、栖息地、气候环境等因素。巴尔沙的低密度，结合其在某些方向上较高的力学性能，使其适合作为轻质芯材。尽管目前市面上有大量与之竞争的夹层核心材料(如聚合物泡沫、金属泡沫、蜂窝)，但巴尔沙木仍然是夹层结构制造中的重要材料。
巴尔沙木夹层结构已经使用了70多年，但仍有大量的研究在进行。随着天然和可生物降解材料在工程设计中对环境可持续性发展的考虑，巴尔沙木的应用有望进一步增长。从而减少对石油基产品合成的有机材料(如聚合物泡沫、Nomex)以及需要能源密集型加工的不可再生资源制造的金属材料(如金属泡沫和蜂窝)的应用。
2022年8月3日，《Materials & Design》期刊在线发表了加州理工州立大学、皇家墨尔本理工大学、剑桥大学研究人员撰写的有关轻木（balsa，巴尔沙木）夹层复合材料结构的综述文章。
文章回顾和总结了轻木在夹层结构施工中的优势和局限性，讨论了该类工程材料特性和机制。轻木夹层复合材料具有环境可持续性良好，原材料成本低，比机械性能高和隔热性能佳等优点；轻木夹层复合材料的局限性主要体现在零件加工技术、抗冲击、爆炸、耐火以及耐水性方面。
文章从巴沙木的应用、制造、微观结构、巴沙木选材及结构设计中的力学性能、巴沙木夹层结构力学性能等几个方面进行了综述，并在最后讨论了未来的潜在研究领域。
1. 应用
巴尔萨木用于结构已有几个世纪，秘鲁人早在20世纪就开始使用它建造船只。英语单词“balsa”源自西班牙语单词“raft”。Balsa在20世纪20年代首次用于飞机，首次作为承重夹层结构的芯材广泛使用是以层压胶合板的形式出现在二战期间英国生产的蚊子飞机上。
目前轻木主要应用于包括风力发电机叶片、桥面部分、建筑面板、汽车、卡车、大篷车、火车、飞机、船只、包装、储存、运动设备和乐器等。
面板多采用玻璃纤维增强复合材料、金属面板或硬木面板材料。
表1 典型的巴沙木夹层结构应用
图1 巴沙木在风电叶片及船只中的应用
2. 制造
2.1巴沙木的生产和加工
巴尔沙树生长迅速，高度可达20米，五到八年内直径可达到0.75米。巴尔沙树被砍伐后，在窑中干燥以去除多余水分并杀死寄生生物，确保用作芯材时的尺寸稳定性和耐久性。对于夹芯结构，原木通常被切割成立方体，其中纤维（木纹）方向垂直于砌块平面对齐，留下可见的生长环（图2），立方体为夹层结构提供了最有利的机械性能。
图2.（a）巴尔沙树干的横截面。（b） 巴尔沙木微结构示意图
单个balsa立方体通常根据其密度进行分类，这可以降低加工成本。密度划分为低密度（80-120 kg/m3）、中等密度（120-180 kg/m3）和高密度（180 kg/m3以上）。如图3所示，用聚醋酸乙烯酯（PVA）等粘合剂将各个balsa立方体边缘粘合在一起，形成刚性balsa板。
图3 巴尔沙板的拼接
balsa芯材生产的另一种技术是使用balsa单板，该单板使用balsa木屑与PVA粘合剂层压在一起，形成层压胶合板。由于单板生产中使用的原始轻木的变异性，与通过连接单个轻木立方体形成的高密度轻木芯相比，这些胶合板通常具有较低的机械性能。
除了是一种天然的、可生物降解的材料外，生产和加工巴尔沙木比合成聚合物和金属芯材更具可持续性。与基于聚合物的泡沫和蜂窝芯材料相比，Balsa生产需要更少的能源，因此二氧化碳排放量更小。
2.2 巴尔沙木夹层结构的制造
制造balsa芯材的夹层结构可以采用多种工艺。工艺的选择在很大程度上取决于所使用的面板材料、结构的几何形状以及夹层结构的性能要求。
具有聚合物或纤维增强聚合物面板（如GFRP）的夹层结构可以通过单次注射工艺制造，其中面板同时固化并粘合到balsa芯材上。单次夹层制造工艺包括真空辅助树脂灌注（VARI）、湿法铺贴。也可以采用多阶段工艺制造balsa夹层结构，其中层压面板单独固化，然后使用结构粘合剂（如环氧树脂、PVA或甲基丙烯酸酯）二次胶接到balsa芯。金属或硬木面板的Balsa芯夹层结构通常需要粘合剂来粘合面板和芯。在夹层结构的初始设计中，应考虑围绕粘合剂选择的技术限制。
VARI和湿法铺贴工艺的一个缺点是，balsa芯易吸收树脂，从而会增加最终部件的重量。Balsa比闭孔聚合物泡沫吸收的树脂要多，由于木纹结构更加开放，balsa吸收的树脂量随着密度的降低而增加。使用更高密度的轻木可以减少树脂吸收量。
巴沙木夹层结构成型工艺很少采用在高性能聚合物复合材料中广泛应用的热压罐工艺，这主要是由于热压罐的运行成本高，对产品尺寸有限制，另外固化所需的高温可能对balsa的机械性能产生不利影响，并导致膨胀（加热时）和收缩（冷却时）。
3. 巴尔沙木微观结构
BALSA的微观结构决定了其各向异性和力学性能。巴尔沙木木材具有高纵横比的闭合细胞微结构，如图4所示。其微观组织三种细胞组成：纤维/纤维(66-76%)、Rays(20-25%)和导管(3-9%)。巴尔沙木纤维是长棱柱状细胞，横截面类似于一个多边形，并沿生长方向(即图2中的轴向/纵向)定向。成熟的巴尔沙木纤维通常长度在0.5毫米到1毫米之间，直径在0.05毫米。与密度较低的微观组织(图4(a))相比，高密度微观组织(图4(b))单位面积具有更多的细胞和更少的导管。胞状结构在生长方向上提供了相对较高的机械性能，但在其他方向上(即图2中的径向和切向)力学性能较低。微结构中管状导管直径较大，沿树干轴向排列，其主要功能是输送水分和养分。Rays是微结构中的砖状结构，存储营养和糖分，同时也有助于提高径向强度。
图4 微观结构（a）低密度（110kg/m3）和（b）高密度（225kg/m3）
4. 巴尔沙木夹层结构的性能
该论文对已发表的关于巴尔沙木夹层结构性能的研究进行了详细概述。重点关注了机械性能（弯曲、压缩、拉伸载荷作用下的力学响应和破坏模式）、面板粘合、断裂韧性和连接设计、热性能和防火性能、吸水性、冲击和爆炸响应、压痕响应等。与其他普通夹层芯材（如聚合物泡沫）进行比较，对巴尔沙木的性能优势和局限性进行了评估。
图5 GFRP-balsa夹层结构破坏模式
图6 弯曲载荷作用下GFRP-balsa夹层板的分层
图7 聚合物泡沫、其他工程材料、轻木（橙色标记）的断裂韧性。
图8 巴尔沙木夹层板耐火温度-时间曲线
图9 上表面暴露于火源不同时间后的巴尔沙木夹层结构的横截面图：（a）60、（b）180、（c）600和（d）900秒。
图10 巴沙木夹层结构上表面受到冲击时的损伤（含木纹方向的裂纹）
5. 小结
文章对已发表的关于巴尔沙木夹层结构的研究进行了综述。巴尔沙木具有更好的环境可持续性，为替代不可再生的、基于石油的芯材（如聚合物泡沫）和金属泡沫材料创造了机会。
但balsa和具有balsa芯的夹层结构的性能会受到高温和低温、吸水、冲击、爆炸和压痕损伤等因素的显著影响，会限制其在高性能结构中的应用。由于缺乏公布的数据，如果不进行物理测试，很难预测balsa芯夹层结构的性能变化。因此，进一步开发经实验验证的分析和有限元模型，以预测balsa芯夹层结构的性能、损伤响应和损伤后性能，将有助于许多应用领域的优化设计。此外，尚缺乏各种在役损伤类型对balsa夹层结构疲劳性能的影响。例如，在反复荷载作用下，具有压痕损伤的balsa夹层结构可能会在设计极限荷载以下发生渐进失效。
与许多其他常规芯材相比，balsa的材料结构和明显的各向异性赋予了其高比机械性能。balsa独特的微观结构也为未来多功能储能夹层结构的设计创造了机会。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127522006359
原始文献：
Joel Galos, Raj Das, Michael P. Sutcliffe, Adrian P. Mouritz,Review of balsa core sandwich composite structures,Materials & Design,Volume 221,2022,111013,ISSN 0264-1275,https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111013.
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