蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料應(yīng)用研究進展

王瑩

摘 要：文章對鋁蜂窩芯、芳綸紙蜂窩芯及其復(fù)合材料在制造工藝方面的研究成果進行分析，對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的研究方向提出了一些建議。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有非常的隔音、隔熱以及耐老化和抗沖擊性能，因此，在應(yīng)用發(fā)展方面效果將非常好，對其應(yīng)用研究進行分析，能夠提出更好的建議。

關(guān)鍵詞：鋁蜂窩；芳綸紙蜂窩；復(fù)合材料；力學(xué)性能

引言

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在使用方面具有很好的性能，其具有比較好的強度，同時，抗沖擊性能很好，在使用方面能夠進行很好的設(shè)計，因此，在目前得到了非常廣泛的應(yīng)用，尤其在航空航天領(lǐng)域。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)越性使其成為了很多領(lǐng)域中無法替代的結(jié)構(gòu)材料。早期的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的芯材都是金屬芯材，但是，隨著科技的不斷發(fā)展，在芯材方面發(fā)生了很大的改變，發(fā)展成為了纖維性很強的樹脂蜂窩。目前，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是出現(xiàn)了很多種，其中，玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在應(yīng)用范圍和研究方面是發(fā)展最好的。很多的研究人員對玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的性能進行了更好的研究，而且比較深入，對其在力學(xué)、隔音、隔熱、以及抗沖擊性能方面都做了比較好的分析。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的性能主要由蜂窩芯的材料性能決定，蜂窩芯材的高度、材質(zhì)、密度以及形狀都對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的性能有很大影響。研究人員對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料做了大量的研究，對其以后的應(yīng)用和發(fā)展非常有利。

1 鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)

鋁蜂窩芯材只要利用鋁箔來實現(xiàn)不同方式的膠接，然后通過拉伸形成不同規(guī)格的蜂窩，芯材的性能和鋁箔的厚度以及孔格的大小有直接關(guān)系，鋁蜂窩芯材能夠和不同蒙皮材料進行復(fù)合，這樣就形成了鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有加高的力學(xué)性能，而且，在制造成本方面比較低。但是，鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在一些特定的環(huán)境中比較容易受到腐蝕，在受到?jīng)_擊以后，鋁蜂窩芯材會出現(xiàn)永久變形的情況，會導(dǎo)致蜂窩芯材和蒙皮發(fā)生分離的問題，導(dǎo)致材料的性能降低。

一些研究人員對膠接工藝對鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的影響進行了研究，主要從膠接劑的篩選、表面處理方法和固化工藝方面進行了論述，使用流動性比較好的膠膜，在表面處理方面采用磷酸陽極化處理方式，同時，在夾層結(jié)構(gòu)方面通過對剪切強度進行對比，能夠?qū)崿F(xiàn)最佳的固化工藝。鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在粘結(jié)成型方面大面積批量生產(chǎn)面臨著非常大的問題，因此，對面板進行磷酸陽極化處理非常必要，這樣能夠?qū)φ辰Y(jié)的效果進行保證。在固化過程中，可以對鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料進行真空袋加壓，這樣鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的性能更好。

對鋁蜂窩芯在壓縮荷載作用下的荷載位移曲線特征進行研究，同時對在靜態(tài)下的壓縮荷載作用下的鋁蜂窩變形特征進行掌握，可以從三個方向?qū)︿X蜂窩進行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮，由于材料的不同，會導(dǎo)致蜂窩芯出現(xiàn)不斷的致密化，可以將不同方向的荷載位移曲線分為彈性區(qū)域、平緩區(qū)域和加速加強區(qū)域。在軸向壓縮過程中，試樣在荷載最大值位置會出現(xiàn)失穩(wěn)的情況，在失穩(wěn)情況下，位移曲線會出現(xiàn)一些小的峰，這個過程鋁蜂窩芯出現(xiàn)了逐步折疊失穩(wěn)的情況。一些研究人員利用數(shù)值模擬的方法對不停密度鋁蜂窩芯在壓縮荷載作用線出現(xiàn)的失效過程進行了模擬，對結(jié)構(gòu)失穩(wěn)以及破壞的不同特征進行了總結(jié)，利用數(shù)值模擬所得到的蜂窩失穩(wěn)分岔宏觀應(yīng)力和實驗室所得的宏觀極限應(yīng)力吻合。

對三種不同蒙皮厚度的鋁蜂窩蜂窩層和聚乙烯泡沫層進行分開試驗，對比試窩夾層的結(jié)構(gòu)試樣能夠進行彎曲疲勞試驗，通過試驗可以得到，鋁蜂窩能夠吸收加高的沖擊能量，但是，其厚度會對疲勞性能帶來一定的影響。對鋁蜂窩芯和聚乙烯泡沫層施加同樣的彎曲荷載，疲勞壽命和蒙皮厚度對材料的性能進行影響不是十分明顯，出現(xiàn)的失效模式是蜂窩和蒙皮之間的界面脫粘。對有效元模擬試樣的界面應(yīng)力進行分析，能夠?qū)缑鎰冸x的初始位置進行預(yù)測。

2 鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)用

趙宏杰等人從蜂窩芯高度、蒙皮厚度和蜂窩芯增重三個方面對Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的吸波性能進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)：夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料反射率在-10dB以下的有效帶寬隨著蜂窩芯高度的增加逐漸向低頻擴展；18mm高的蜂窩芯隨著蒙皮厚度的增加，其吸收峰頻率向低頻移動，且在2～18GHz頻段的反射率均保持在-10dB以下；隨著黏附吸收劑質(zhì)量的增加，蜂窩夾層復(fù)合材料的吸收峰頻率向低頻移動。

通過曲面響應(yīng)法表征了材料結(jié)構(gòu)對損傷容限和剩余強度的影響。研究從蒙皮數(shù)量、蜂窩芯密度、芯材厚度出發(fā)，對沖擊后材料的損傷演化以及剩余強度進行了探討：芯材厚度以及蒙皮的鋪層方向?qū)p傷演化和剩余強度影響最大；提高蜂窩芯的厚度和增加碳/環(huán)氧織物層的數(shù)量可以提高剩余強度。損傷容限和剩余強度模型可以指導(dǎo)我們更好的了解夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料沖擊損傷后的力學(xué)性能，從而提高其設(shè)計性和擴展其應(yīng)用。

通過對用于月球探測器緩沖機械的正六邊形鋁蜂窩緩沖材料進行了模擬著陸沖擊試驗，研究了不同著陸條件對其緩沖性能的影響。研究表明：對鋁蜂窩緩沖機構(gòu)施加相應(yīng)的預(yù)緊力可以有效提高鋁蜂窩材料的緩沖性能；鋁蜂窩材料的緩沖效率隨著探測器在月球表面著陸速度的提高而降低，在探測器多級鋁蜂窩緩沖裝置中，一級緩沖器設(shè)計對探測器能否實現(xiàn)軟著陸至關(guān)重要。

通過從蜂窩芯壁厚、蜂窩孔格邊長、蜂窩芯高度、夾層結(jié)構(gòu)面板厚度以及阻尼涂層等方面對鎂合金蜂窩的隔聲性能進行了研究。結(jié)果表明：隔音量隨著頻率的增加而增大；蜂窩芯的空腔越大，隔音效果越顯著，增加阻尼層和阻尼涂料能顯著提高隔音量。所研制的鎂合金蜂窩可考慮不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)用于現(xiàn)行動車組列車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中。

3 結(jié)束語

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在應(yīng)用方面具有很好的前景，尤其在戰(zhàn)斗機、直升機、衛(wèi)星以及賽艇方面，對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的各方面使用性能進行研究，能夠更好的完善其性能?，F(xiàn)在，國內(nèi)外對鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)用研究非常廣泛，在研究方向方面主要集中在力學(xué)性能、制造工藝、耐老化性能方面，對于隔音、隔熱以及失效機理方面的研究還沒有很多人涉及，因此，在進行研究的時候，可以利用計算機模擬軟件對這方面進行研究。再進行模擬的時候是會和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的實際使用情況有一定的差異，因此，對蜂窩夾層與泡沫夾層結(jié)構(gòu)的隔音和隔熱性能進行對比，可以在以后的研究重點上提出以下建議。在借助數(shù)學(xué)方法和計算機方法模擬對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料進行研究的時候，可以對實際的使用條件進行考慮，這樣能夠?qū)⒗碚撚嬎愫蛯嶋H情況進行更緊密的結(jié)合。對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料構(gòu)件實際使用情況進行研究，能夠在隔音和隔熱方面取得更好的研究成果，將蜂窩夾層和泡沫夾層結(jié)構(gòu)材料的對比研究作為重點，在隔熱和隔音性能方面能夠取得更好的優(yōu)勢。在微觀方面，可以對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在受到?jīng)_擊和壓縮荷載作用下的失效機理進行研究，在應(yīng)用發(fā)展方面能夠獲得更好的效果。

參考文獻

[1]王興業(yè)，楊孚標(biāo)，曾競成，等.夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料設(shè)計原理及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：4-8.

[2]張廣平，戴干策.復(fù)合材料蜂窩夾芯板及其應(yīng)用[J].纖維復(fù)合材料，2000，25（2）：25-27.

[3]沃丁柱.復(fù)合材料大全[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[4]孫杰，朱立新，鐘兵，等.玻璃鋼蜂窩夾層復(fù)合材料抗爆性能研究[J].工程塑料應(yīng)用，2003，31（3）：40-42.