熱塑性蜂窩板的平壓性能分析

李 楊 賁小軍 袁建東 沈達泉 徐偉偉 郭紅亮

江蘇正威新材料股份有限公司 江蘇 如皋 226500

0 引言

六角型蜂窩結(jié)構(gòu)在承受各方向外力時比圓形或四邊形的結(jié)構(gòu)更堅固、合理。受此啟發(fā)，各種材料制成的蜂窩板材應運而生。熱塑性蜂窩板是由上下面層與中間芯層復合的3層夾芯結(jié)構(gòu)[1]，面層材料為長玻璃纖維、玻璃纖維氈、連續(xù)纖維增強熱塑性片材或聚丙烯（polypropylene，PP）、聚酰胺（polyamide，PA）等樹脂，芯層材料為PP、聚碳酸酯（polycarbonate，PC）、玻璃纖維增強塑料等。熱塑性蜂窩板具有密度低、比強度和比模量高、抗沖擊和抗疲勞好、耐腐蝕、易成型等優(yōu)點，可以滿足各種實際應用對材料性能的要求，在交通運輸、新能源、建筑、航空航天等領域得到廣泛應用。

平壓強度是蜂窩板承載能力的重要度量，也是蜂窩板質(zhì)量評定的重要指標。目前對于熱塑性蜂窩板的平壓性能尚無完整、統(tǒng)一的評價標準。故本文擬以200 g/m2的連續(xù)玻璃纖維氈（以下簡稱連續(xù)氈）增強PP材料為面層、PP材料為芯層的熱塑性蜂窩板為樣品，分析蜂窩板平壓變形原理，以及蜂窩芯結(jié)構(gòu)參數(shù)和環(huán)境溫度對平壓性能的影響。

1 試驗

1.1 材料與設備

熱塑性蜂窩板面層為200 g/m2的連續(xù)氈增強PP材料，厚度為（0.30±0.05）mm。六角型蜂窩芯為PP材料，結(jié)構(gòu)尺寸按試驗選定。上下面層與蜂窩芯經(jīng)特氟龍帶連續(xù)壓機進行熱復合制備蜂窩板材，樣品尺寸為200 mm×200 mm。

特氟龍帶連續(xù)壓機，GP1700型，國塑機械（上海）有限公司；電子式萬能試驗機，WDW-300型，長春科新試驗儀器有限公司。

1.2 方法

蜂窩板平壓性能試驗參照GB 1453—2005《夾層結(jié)構(gòu)或芯子平壓性能試驗方法》。采用電子式萬能試驗機對熱塑性蜂窩板進行正向靜壓試驗，初始壓力為（500±10）N，持續(xù)加壓速度為2 mm/min。

2 蜂窩板平壓變形機理

分析蜂窩板平壓變形機理是為了明確其從平衡狀態(tài)過渡到不平衡狀態(tài)時的臨界載荷和失穩(wěn)后的形態(tài)。平壓過程中，熱塑性蜂窩板分為4個階段（見圖1）[2]：

圖1 蜂窩板應力-應變關系示意圖Fig. 1 Schematic diagram of stress-strain relationship of honeycomb panel

1）線彈性變形階段，蜂窩板的應力與應變呈線性變化，直線的斜率是蜂窩芯材料的楊氏彈性模量。受到壓力時，蜂窩壁板會將軸向變形傳遞給相鄰的蜂窩芯，而蜂窩壁板的互相連接增加了蜂窩板的穩(wěn)定性。因此，平壓初期，蜂窩結(jié)構(gòu)變得密實，變形主要為蜂窩芯壁板的彈性變形。隨著壓力的增加，蜂窩板由線彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性變形的彈性屈服，直至達到蜂窩板的臨界屈服載荷，蜂窩芯變形進入彈塑性變形階段。

2）彈塑性變形階段，蜂窩板的應力隨應變的增加而減少。這主要是由于蜂窩的變形由局部坍塌轉(zhuǎn)化為塑性屈服，塑性屈服最初發(fā)生在單層壁板，而后發(fā)生在雙層壁板，繼而引起蜂窩板的整體坍塌。

3）塑性坍塌階段，變形持續(xù)增加，應力變化不大，曲線近似一段直線。此區(qū)段持續(xù)時間越長，表明蜂窩板的緩沖性能越好。此區(qū)段以蜂窩板的塑性坍塌為主的持續(xù)壓潰，壓潰載荷隨應變的增加上下波動，直至完全坍塌。

4）密實化階段，隨著壓力增加，蜂窩壁板間互相擠壓，蜂窩板被壓實，其壓縮應力隨應變的增加迅速增大。

從圖1可以看出，蜂窩板的緩沖性能主要體現(xiàn)在彈塑性變形階段和塑性坍塌階段，即蜂窩板的結(jié)構(gòu)壓縮階段。蜂窩板的平壓強度一般略低于蜂窩芯的平壓強度，因為蜂窩芯具有初始撓度。蜂窩芯發(fā)生大撓度屈曲變形時，其彈塑性變形和坍塌會加劇。

3 蜂窩芯結(jié)構(gòu)參數(shù)和環(huán)境溫度對平壓性能的影響

3.1 蜂窩芯結(jié)構(gòu)參數(shù)與平壓強度的理論分析

正六邊形蜂窩芯的結(jié)構(gòu)參數(shù)有孔徑比、蜂窩芯邊長、壁板厚度、蜂窩高度等。優(yōu)化上述參數(shù)是提高蜂窩板的抗振能力、減少其結(jié)構(gòu)質(zhì)量的關鍵。如圖2所示，設正六邊形蜂窩芯的邊長為l，壁板厚度為t，蜂窩芯的內(nèi)切圓直徑，孔徑比i=d1/d0（d1為沿拉伸方向的蜂窩孔間距）[3]。在不同拉伸條件下，單個蜂窩芯的面積S1為

圖2 正六邊形蜂窩芯結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Structure diagram of hexagonal honeycomb core

若蜂窩板的面積為S，則其能容納的蜂窩芯數(shù)量n[4]為

蜂窩壁板的總長度L[5]為

在線彈性變形階段，蜂窩板的平壓應力σ為式中：F為壓力；[σ]為蜂窩板的許用平壓應力（屈曲強度）。

蜂窩板的壓潰總是發(fā)生在靠近面層的位置，一般約為靠近面層的1/5～2/5處。壓潰點一般出現(xiàn)在壓縮變形約1 mm左右的位置[6]。

3.2 孔徑比對平壓強度的影響

孔徑比可用于表示蜂窩芯的結(jié)構(gòu)形狀。當蜂窩芯的邊長為5 mm，壁板厚度為0.3 mm，蜂窩高度為20 mm，孔徑比分別為0.5, 0.7, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2時，測試蜂窩板的平壓強度。蜂窩板的平壓強度與孔徑比關系曲線如圖3所示。

圖3 蜂窩板平壓強度與蜂窩芯孔徑比的關系曲線Fig. 3 Diagram of relationship between flat compression strength and honeycomb core aperture ratio

由圖3可知，隨著蜂窩芯孔徑比的增加，蜂窩板的平壓強度降低。其原因是孔徑比越大，單位面積承載的蜂窩芯數(shù)量減少。

3.3 蜂窩芯邊長對平壓強度的影響

當孔徑比為1，壁板厚度為0.3 mm，蜂窩高度為20 mm，蜂窩芯邊長分別為3, 5, 7, 9, 11 mm時，測試蜂窩板的平壓強度。蜂窩板平壓強度與蜂窩芯邊長的關系曲線如圖4所示。

圖4 蜂窩板平壓強度與蜂窩芯邊長的關系曲線Fig. 4 Diagram of relationship between flat compression strength and honeycomb core side length

由圖4可知，隨著蜂窩芯邊長的增加，蜂窩板的平壓強度先迅速下降而后逐漸趨于平緩。其原因是邊長的增加使單個蜂窩結(jié)構(gòu)的面積增大，單位面積承載的蜂窩芯數(shù)量減少；同時蜂窩壁板借助相鄰蜂窩作用增強自身抵抗側(cè)向位移的能力削弱，導致蜂窩整體的抗壓能力降低，蜂窩結(jié)構(gòu)容易失穩(wěn)[7]。

3.4 蜂窩壁板厚度對平壓強度的影響

當孔徑比為1，蜂窩芯邊長為5 mm，蜂窩高度為20 mm，壁板厚度分別為0.25, 0.30, 0.35, 0.40, 0.45,0.50 mm時，測試蜂窩板的平壓強度。蜂窩板平壓強度與壁板厚度的關系如圖5所示。

圖5 蜂窩板平壓強度與壁板厚度的關系曲線Fig. 5 Diagram of relationship between flat compressive strength and honeycomb core panel thickness

由圖5可知，隨著蜂窩壁板厚度的增加，蜂窩板平壓強度增加。這是由于蜂窩壁板厚度的增加，使蜂窩芯支撐面板的表面積增大，蜂窩壁板的承壓能力以及周圍壁板對其支撐能力增強，蜂窩板的穩(wěn)定性更好[8-9]。

3.5 蜂窩板高度對平壓強度的影響

當孔徑比為1，蜂窩芯邊長為5 mm，壁板厚度為0.3 mm，蜂窩板高度分別為8, 12, 15, 20, 25, 30 mm時，測試蜂窩板的平壓強度。蜂窩板平壓強度與蜂窩芯高度的關系如圖6所示。

圖6 蜂窩板平壓強度與蜂窩芯高度的關系曲線Fig. 6 Diagram of relationship between flat compressive strength and honeycomb core height

由圖6可知，隨著蜂窩板高度的增加，蜂窩板的平壓強度呈先驟減后緩增的趨勢。當蜂窩板高度較?。ā?5 mm）時，蜂窩芯會出現(xiàn)皺褶壓潰；隨著蜂窩板高度的增加，蜂窩一側(cè)對另一側(cè)產(chǎn)生的力矩增大，微小的擾動（側(cè)向載荷）就可能產(chǎn)生很大的側(cè)向轉(zhuǎn)矩，造成蜂窩結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和剪切力增大；同時側(cè)向位移也會導致蜂窩與面層撕裂，加劇蜂窩板屈曲、壓潰。

3.6 環(huán)境溫度對蜂窩板平壓性能的影響

本熱塑性蜂窩板的蜂窩芯為PP材料。PP材料是熱敏感材料，因而本研究探討了環(huán)境溫度對熱塑性蜂窩板平壓性能的影響，結(jié)果如圖7所示。

圖7 蜂窩板平壓強度與環(huán)境溫度的關系曲線Fig. 7 Diagram of relationship between flat compressive strength and honeycomb core height

由圖7可知，隨著環(huán)境溫度的升高，蜂窩板的平壓強度逐漸降低。當環(huán)境溫度低于玻璃化溫度（PP材料的玻璃化溫度Tg為-10～18 ℃）時，PP材料的分子鏈和鏈段不能運動，其視為剛性固體。因而當平壓載荷均勻施加在蜂窩板上時，蜂窩芯猶如許多小的工字梁，分散承擔平壓力，隨著載荷增加達到峰值后，蜂窩芯發(fā)生塑性變形。當環(huán)境溫度高于軟化點溫度（140 ℃左右）時，PP材料為高彈態(tài)，蜂窩板基本失去平壓承受能力。而當環(huán)境溫度高于玻璃化溫度、低于軟化點溫度時，PP材料處于玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)，高于80℃時，蜂窩板平壓強度下降明顯[10]。可見，熱塑性蜂窩板使用溫度不能超過80 ℃。

4 結(jié)語

熱塑性蜂窩板的平壓強度是蜂窩板質(zhì)量評定的重要指標。由于蜂窩結(jié)構(gòu)的獨特性，熱塑性蜂窩板具有良好的抗壓能力，其受壓過程大致分為4個階段，當平壓強度超過屈曲強度后，蜂窩板被壓潰，進入坍塌階段，此時的蜂窩板仍具有良好的緩沖性能。熱塑性蜂窩板的平壓變形機理非常復雜，其平壓性能不僅與蜂窩板的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關，還與蜂窩板的成型質(zhì)量、使用環(huán)境等有關。因此，本研究從蜂窩芯的結(jié)構(gòu)參數(shù)導出蜂窩板的平壓強度公式，由公式可得出：蜂窩芯的孔徑比、邊長、壁厚、高度等均對蜂窩板的平壓強度有影響。對熱塑蜂窩板進行平壓試驗，試驗數(shù)據(jù)與理論分析相吻合。本研究可為蜂窩板的結(jié)構(gòu)設計提供了一定理論依據(jù)和技術支持。