淺談復(fù)合材料在大板方艙中的應(yīng)用

王青鋒 員斌強(qiáng)

摘要：從蜂窩芯材料的性能和特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合軍用方艙的要求，介紹了蜂窩材料在大板方艙上應(yīng)用的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：蜂窩芯；方艙；輕量化

一、概述

方艙是裝載軍事設(shè)備和為人員提供所需要工作條件及環(huán)境防護(hù)的由夾芯板組裝而成的可移動(dòng)廂體。其具備輛良好的戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)動(dòng)能力、快速的作戰(zhàn)反應(yīng)能力的特點(diǎn)，在直接作戰(zhàn)、通信指揮、技術(shù)支援、后勤保障裝備中得到廣泛應(yīng)用。但是，隨著我國(guó)軍隊(duì)現(xiàn)代化的快速發(fā)展，方艙的獨(dú)特應(yīng)用環(huán)境和功能要求對(duì)方艙的結(jié)構(gòu)式設(shè)計(jì)提出了新的要求，更輕、更強(qiáng)的方艙裝備是追求的目標(biāo)和要求。對(duì)于方艙而言重量輕、強(qiáng)度高和防護(hù)性能好以及戰(zhàn)時(shí)良好的防護(hù)生存能力已成了其發(fā)展的方向。降低方艙的重量、提高方艙的承載效率是提高承載車輛速度和高機(jī)動(dòng)等性能的最直接的方式。及實(shí)現(xiàn)方艙結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化和多功能化能降低方艙的質(zhì)量。要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化和多功能化，這就要求結(jié)構(gòu)材料必須擁有高比剛度和比強(qiáng)度，同時(shí)還要求材料具有特定功能性要求。近年來(lái)，輕質(zhì)蜂窩芯材料由于其高具有低的密度和高的比剛度、比強(qiáng)度，以及具有較強(qiáng)的隔熱散熱、吸能減震、消聲降噪等特性符合軍用方艙的應(yīng)用要求，而且此類大板具有隨處可安裝設(shè)備固定用插件的優(yōu)點(diǎn)，因此對(duì)蜂窩芯大板方艙領(lǐng)域應(yīng)用得到人們的廣泛關(guān)注。

二、蜂窩芯結(jié)構(gòu)原理

蜂窩芯結(jié)構(gòu)的基本原理就是工字梁的原理，但是工字梁是屬于開口薄壁截面梁，若外力作用面稍微偏離橫截面的彎曲中心，就會(huì)引起嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)破壞。為了提高抗扭剛度，又不增加重量，就設(shè)想用多孔的夾芯代替工字梁的腹板，做成蜂窩形狀的夾芯結(jié)構(gòu)。因此，蜂窩結(jié)構(gòu)實(shí)際上就是分散腹板的工字梁。蜂窩結(jié)構(gòu)的面板相當(dāng)于工字梁的翼緣，幾乎承擔(dān)全部的正壓力，增加了抗彎的剛度，也就增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因?yàn)橐粔K薄板在受壓時(shí)，很容易失穩(wěn)屈曲。如果把薄板膠結(jié)在蜂窩芯上，當(dāng)薄板因?yàn)榘宓钠矫鎯?nèi)受壓而發(fā)生垂直于薄板的向上屈曲時(shí)，就會(huì)受到蜂窩芯的拉力；而薄板向下屈曲時(shí)，蜂窩芯也會(huì)有限制力，這樣也會(huì)提高材料的穩(wěn)定性。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)通常用粘接劑將上、下蒙皮與芯層膠接成為整體剛性結(jié)構(gòu)（如圖1所示），或者直接注塑或模壓獲得夾芯結(jié)構(gòu)。蒙皮通常采用復(fù)合材料層壓板、金屬板、膠合板和硬塑料板等，蜂窩芯層由各種纖維（如芳族聚酞胺纖維、玻璃纖維、碳纖維、紙、棉布等）浸漬上樹脂，或是金屬（如鋁合金）等通過(guò)膠接拉伸法或波紋壓形膠接法制得。

圖1 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)示意圖

三、與泡沫大板方艙性能比較

蜂窩芯大板方艙在性能方面與以往應(yīng)用最為廣泛的聚氨酯泡沫大板方艙相比：前者的剛度、強(qiáng)度更高，重量較輕，環(huán)保性更好、傳熱系數(shù)略大。但是，隨著材料科學(xué)的進(jìn)展和先進(jìn)生產(chǎn)工藝的采用，蜂窩芯的傳熱系數(shù)大等問(wèn)題將會(huì)不斷的被攻克。例如，美國(guó)采用在蜂格內(nèi)填充輕質(zhì)碎泡沫的方法來(lái)改善大板的保溫性能，美軍標(biāo)準(zhǔn)ASTM E 1925-01中規(guī)定傳熱系數(shù)為2.0。

軍用方艙大板的保溫層材料過(guò)去一直采用聚氨酯泡沫，由于聚氨酯泡沫在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)臭氧層具有一定的破壞性，為了防止和減緩地球的溫室效應(yīng)，在2015年聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃部署規(guī)定終止使用聚氨酯泡沫材料。新研發(fā)的軍用方艙需要研發(fā)新型的大板復(fù)合材料。紙蜂窩由于強(qiáng)度高、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外已經(jīng)作為方艙大板的替代品。國(guó)內(nèi)方艙生產(chǎn)廠家也已經(jīng)開始研制蜂窩芯軍用方艙，預(yù)計(jì)在不久將來(lái)，蜂窩芯方艙將會(huì)得到大量的應(yīng)用。

四、蜂窩芯存在的問(wèn)題

蜂窩芯雖然優(yōu)點(diǎn)較多，但是也有問(wèn)題尚待解決。蜂窩芯板熱傳導(dǎo)系數(shù)不大，不符合目前軍用方艙大板的隔熱要求，美軍標(biāo)準(zhǔn)ASTM E 1925-01中規(guī)定傳熱系數(shù)為2.0，美國(guó)采用在蜂格內(nèi)填充輕質(zhì)碎泡沫的方法來(lái)改善大板的保溫性能。目前的輕質(zhì)蜂窩芯大部分采用的紙蜂窩芯結(jié)構(gòu)，而紙蜂窩芯大板內(nèi)容易進(jìn)水或者受潮后其強(qiáng)度急劇下降，受潮后強(qiáng)度減弱，經(jīng)不起撞擊和震動(dòng)，嚴(yán)重影響使用效果和產(chǎn)品性能。目前最常用的方式不外乎兩種，一是將蜂窩芯材料換成耐溫性的材料（聚芳酰胺紙、Korex紙、金屬、復(fù)合材料）；二是將大板方艙制成封閉的結(jié)構(gòu)，并在接縫處采用密封結(jié)構(gòu)。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單介紹了蜂窩芯大板方艙結(jié)構(gòu)形式、發(fā)展前景、性能以及與以往的泡沫大板方艙的優(yōu)缺點(diǎn)，探討我軍未來(lái)方艙的發(fā)展趨勢(shì)。隨著復(fù)合材料的研究的深入，各種制備工藝技術(shù)的提升，蜂窩芯材料在方艙上應(yīng)用前景較好，既能提高產(chǎn)品質(zhì)量，又能增加產(chǎn)品的美觀度，繼續(xù)研究和應(yīng)用蜂窩芯材料是必要的，相信在不久的將來(lái)，蜂窩芯材料方艙方面得到廣泛應(yīng)用，提高我軍方艙的戰(zhàn)場(chǎng)防護(hù)生存能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]耿嘉嵩，朱訊.軍用方艙的發(fā)展趨勢(shì)概述[J].農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備，2017（3）.

[2]羅玉清，郝巍.民用芳綸紙蜂窩芯性能的研究[J].高科技纖維與應(yīng)用，2009，34（1）：34-37.

[3]馬天信，姜波.聚氨酯材料在航天工業(yè)方艙中的應(yīng)用[J].2008，18（1）32-34