蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備及應(yīng)用

田　旭，白　燕，蒙月珍，鄧壽南，俞　越

(上海工程技術(shù)大學(xué), 上海 201620)

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蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備及應(yīng)用

田旭，白燕，蒙月珍，鄧壽南，俞越

(上海工程技術(shù)大學(xué), 上海 201620)

摘要：文章從面材、芯材、膠粘劑三個方面對夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制備進(jìn)行了綜述；列舉了以玻纖面材、紙蜂窩芯、聚氨酯膠粘劑等為原料，采用噴涂工藝以及模壓工藝進(jìn)行蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備方法；介紹了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在汽車產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用以及一些其它領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；蜂窩夾層結(jié)構(gòu)；制備；應(yīng)用

汽車在給人們的出行帶來諸多方便的同時(shí)，也產(chǎn)生了油耗、安全和環(huán)保等一系列問題，而輕量化是汽車節(jié)能減排的重要途徑之一。隨著材料與制造技術(shù)的發(fā)展，夾層結(jié)構(gòu)所具有的剛度大、高強(qiáng)度、重量輕等性能逐漸得到了充分實(shí)現(xiàn)，并廣泛應(yīng)用在航空航天及汽車等多個領(lǐng)域。

1　夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制備現(xiàn)狀

夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料通常是由比較薄的面板和比較厚的芯子膠接而成，在夾層結(jié)構(gòu)中,面板作為主要承力部分和填充在其中間的芯子共同發(fā)揮作用。當(dāng)承受彎曲載荷時(shí),面板主要承受拉伸或壓縮載荷,而芯子則傳遞剪切力，因此在夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中,面板需選用面內(nèi)剛度和強(qiáng)度大的材料或結(jié)構(gòu)，芯子則需選用面外剪切強(qiáng)度和剪切剛度大的材料或結(jié)構(gòu)。

1.1面板材料選擇

從材料角度看,面板的發(fā)展經(jīng)歷了從金屬材料到非金屬材料的演化過程；從結(jié)構(gòu)角度看,面板的發(fā)展則經(jīng)歷了從單一結(jié)構(gòu)(合金面板)到層合結(jié)構(gòu)(層合面板)的過程，目前得到廣泛應(yīng)用的面板多為非金屬層合面板。在夾層結(jié)構(gòu)中,面板作為主要承力部分，相對于芯子材料,面板材料具有密度大、模量高和強(qiáng)度高等特點(diǎn)。目前，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中應(yīng)用較多的增強(qiáng)纖維有芳綸纖維、硼纖維、玻璃纖維和碳纖維等，芳綸纖維具有拉伸強(qiáng)度高、彈性模量高和密度低等優(yōu)異性能，但芳綸復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度低；雖然硼纖維具有優(yōu)異的強(qiáng)度和模量，但因價(jià)格昂貴，且僅限于同碳纖維混雜使用，逐漸被碳纖維取代。為了提高力學(xué)性能，應(yīng)該選擇比強(qiáng)度和比模量高的碳纖維作為原材料，但碳纖維的價(jià)格較高，應(yīng)用中需要大量的原料，因此，廉價(jià)的玻璃纖維仍然是最常用的增強(qiáng)材料，遺憾的是其彈性模量比較低。

當(dāng)設(shè)計(jì)一個有剛度要求的產(chǎn)品時(shí),可以利用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形式的局限性較小、易成型的優(yōu)點(diǎn),通過改變截面尺寸,設(shè)計(jì)高剛度的變截面的結(jié)構(gòu)形式和布置,以彌補(bǔ)低彈性模量這一弱點(diǎn)。面板制備多采用預(yù)浸料,包括單向纖維預(yù)浸料和纖維織物預(yù)浸料，根據(jù)纖維的不同,可以分為玻璃纖維預(yù)浸料、芳綸纖維預(yù)浸料和碳纖維預(yù)浸料等。玻璃纖維短切氈作為主要的玻璃纖維增強(qiáng)材料，是將連續(xù)玻璃纖維經(jīng)短切后無定向地隨機(jī)均勻分布，再由乳液或粉末粘結(jié)劑粘結(jié)而成，除了保留玻璃纖維固有特性外，玻璃纖維短切氈還具有許多其它優(yōu)異的特性。玻璃纖維短切氈易吸附樹脂、覆膜性能好、易裁剪、施工方便，生產(chǎn)效率高，且不像玻纖織物那樣致密，因而易增厚，其制作工序比玻纖織物少，成本也較低；短切氈表面粗糙，因而制品的層間粘結(jié)性好，不易分層；纖維無方向性，制品的強(qiáng)度各向同性，纖維不連續(xù)，制成的制品受損傷后，損傷面積小。目前，玻璃纖維短切氈已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外一些著名的汽車公司的汽車內(nèi)飾中，如在廣州本田、廣州豐田、上海大眾、通用寶馬等車型的汽車內(nèi)飾均有采用。

1.2芯子結(jié)構(gòu)分類

夾層結(jié)構(gòu)中,根據(jù)芯子材料與結(jié)構(gòu)形式的不同,可以分為泡沫夾芯結(jié)構(gòu)、蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)、以及基于編織工藝的三維整體夾芯結(jié)構(gòu)，以泡沫夾芯結(jié)構(gòu)和蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的應(yīng)用最為廣泛和成熟。

泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的芯子材料多為泡沫塑料,其種類繁多，根據(jù)泡沫的硬度可以分為硬質(zhì)泡沫、半硬質(zhì)泡沫和軟質(zhì)泡沫3種。由于泡沫塑料具有很好的防寒、絕熱和隔音性能,泡沫夾芯結(jié)構(gòu)目前被廣泛地應(yīng)用于航空航天工業(yè)中,例如導(dǎo)彈彈翼、直升機(jī)側(cè)壁板和風(fēng)輪葉片等。蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用最為廣泛的夾芯結(jié)構(gòu)，蜂窩芯子的力學(xué)性能不僅與芯子材料有關(guān),而且與芯子的幾何形狀密切相關(guān)，根據(jù)芯子的幾何形狀,蜂窩芯子可以分為六邊形蜂窩、菱形蜂窩、矩形蜂窩、五角形蜂窩等。目前,應(yīng)用最為廣泛的蜂窩芯子為六邊形蜂窩芯子。根據(jù)蜂窩芯子的材料,蜂窩可以分為紙蜂窩、金屬蜂窩、聚合物蜂窩、陶瓷蜂窩等。蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)自問世以來,由于其具有比剛度大、比強(qiáng)度高等優(yōu)異的力學(xué)性能,因而在火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)、飛船、衛(wèi)星、汽車、船舶等領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用。由芳綸紙制備的蜂窩芯以其高強(qiáng)度、高剛度、低密度、較好的絕緣性能以及良好的化學(xué)惰性等諸多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用到了航空航天結(jié)構(gòu)以及其他具有特殊要求的領(lǐng)域中。比芳綸紙蜂窩芯價(jià)格低廉的是再生紙制作的蜂窩芯，普通紙質(zhì)材料的蜂窩芯質(zhì)量輕、密度小、比強(qiáng)度和比剛度高，而且價(jià)格便宜，材料來源廣，對環(huán)境無污染，可替代木材、塑料等。目前，紙蜂窩芯的生產(chǎn)加工已有了半自動化、自動化的生產(chǎn)線。

1.3膠粘劑

作為夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料重要組成部分，膠粘劑要求具有較高的膠接強(qiáng)度，通常使用熱固性樹脂為基料，并以熱塑性樹脂或彈性體為增韌劑或配以固化劑等組成結(jié)構(gòu)膠。聚氨酯膠粘劑是由異氰酸酯(黑料)與聚醚或聚酯(白料)等組分組成，聚氨酯膠粘劑容重小、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)低、防震和隔音，且對各種金屬、非金屬材料均具有很高的膠接強(qiáng)度。聚氨酯復(fù)合材料由熱固性聚氨酯制造，具有優(yōu)異的拉伸特性、抗沖擊性、耐腐蝕性以及優(yōu)異的韌性(利于后道機(jī)械加工和裝配等)，且與傳統(tǒng)的熱固性復(fù)合材料相比，聚氨酯復(fù)合材料在加工和沖切過程中極少有微裂紋出現(xiàn)。

1.4紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制備

紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是由一個具有蜂窩形狀的紙芯子和上下兩層面板，通過粘合劑經(jīng)高溫模壓而成的復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括玻璃纖維短切氈、平紋組織、斜紋組織三種玻纖面材，總單位面積質(zhì)量控制在280～290 g/m2之間，面板大小為1.2×0.8 m2。

聚氨酯噴涂蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備工藝，是將材料按照設(shè)計(jì)好的鋪疊方式在工作臺上進(jìn)行鋪疊，由機(jī)器人夾持送入噴涂室進(jìn)行噴涂，噴涂室內(nèi)有一臺機(jī)器人配合進(jìn)行噴涂工作，而后由負(fù)責(zé)夾持的機(jī)器人送入模壓機(jī)平臺進(jìn)行模壓工作。將鋪層好并充分噴涂浸漬的蜂窩芯及玻纖面材夾持于被加熱的模壓成型模具的模腔內(nèi)，模具在模壓機(jī)的作用下閉合并進(jìn)行加壓作用，模腔內(nèi)的聚氨酯噴涂蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在高溫和壓力的作用下成型為制品。

圖1　紙蜂窩夾層復(fù)合板結(jié)構(gòu)

2　蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)用

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料現(xiàn)具有以下基本性能:(1) 質(zhì)量輕,比強(qiáng)度高,尤其是抗彎剛度高。(2)有極高的表面平面度和高溫穩(wěn)定性, 易成型且不易變形。(3)優(yōu)良的耐腐蝕性、絕緣性。(4)具有良好的自熄性; 放熱值較低, 能夠形成耐火層。(5)優(yōu)異的成型制造工藝性：可以滿足車輛內(nèi)部零部件形狀復(fù)雜、穩(wěn)定性要求高的要求。(6)環(huán)境適應(yīng)性：蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料能夠長時(shí)間地適應(yīng)溫度、濕度不斷變化的運(yùn)用環(huán)境條件, 而不發(fā)生承載能力下降、變形、開裂、腐朽、老化等現(xiàn)象。(7)隔聲減振性。在汽車工業(yè)中紙蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合板可被應(yīng)用于行李箱底板、車內(nèi)地板、備用胎隔板、車內(nèi)隔板、擱物板、座椅以及天窗板等處,見圖2制得的板材質(zhì)量輕，比強(qiáng)度、比剛度高，抗震，導(dǎo)熱系數(shù)低以及隔熱，隔音等優(yōu)點(diǎn)，它的應(yīng)用對汽車輕量化設(shè)計(jì)可以起到重要的作用，使汽車質(zhì)量更輕，抗撞擊性能更好，安全性、舒適性得到較好的保證，是當(dāng)前的發(fā)展方向之一。

圖2　汽車蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合板的應(yīng)用

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料也可廣泛應(yīng)用于家具行業(yè)，它密封性好，可直接成型為異型，家具形式多樣、價(jià)格低廉、耐用度好，具有很好的發(fā)展空間。同時(shí)在交通行業(yè)也可采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料板制造高速列車車廂的側(cè)板、頂板和行李間等，從而使車廂結(jié)構(gòu)最佳化，降低車廂的重心以及車軸、軌道的負(fù)荷，使列車的的速度大大提高，降低鋼鐵材料的需求，既能節(jié)約鋼鐵資源，又能在減少動力消耗及維修費(fèi)用方面得到提升。還能將其應(yīng)用于航天航空產(chǎn)業(yè)，用于作為直升機(jī)，戰(zhàn)斗機(jī)，客機(jī)的生產(chǎn)材料等，也可以作為建筑材料應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。

3　結(jié)論

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有優(yōu)越的性能，同時(shí)對減少固體廢物排放量、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等都非常有益，它不僅具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益，尤其在“低碳經(jīng)濟(jì)”理念環(huán)境下，其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景和發(fā)展空間更為廣闊。

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收稿日期：2015-12-14

基金項(xiàng)目：上海工程技術(shù)大學(xué)創(chuàng)新項(xiàng)目(CZ1509016)

作者簡介：田旭(1995—)，女,貴州銅仁人，學(xué)士。

中圖分類號：TS176.+5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1009-3028(2016)01-0007-03

Preparation and Application of Honeycomb Sandwich Composites

Tian Xu, Bai Yan, Meng Yuezhen,Deng Shounan,Yu Yue

(Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620，China)

Abstract:The Preparation of Sandwich Composites was described from three aspects of the panel ,core materal and adhesives.Fiberglass material,paper hongeycomb core,polyurethane adhesives were listed as raw material.The preparation method of honeycomb sandwich structure composite were achieved by spraying technology and molding process.The honeycomb sandwich structure composites applied in the automobile industry and the application prospect of some other areas were introduced.

Key words:composites;honeycomb sandwich structure;preparation;application