全向可變形柔性蜂窩芯材制備及性能研究

摘 要 本文采用對位芳綸紙和間位芳綸紙分別制備了不同規(guī)格的柔性蜂窩，開展了柔性蜂窩芯材浸漬工藝性研究，并考察了其介電性能、力學性能及變形能力，與傳統(tǒng)正六邊形蜂窩進行了性能對比。結果表明：柔性蜂窩浸膠過程中，浸漬次數為偶數次時，蜂窩T向密度變化較平緩，整體分布更為均勻。同種規(guī)格蜂窩浸膠過程使用導流板后，密度偏差由7.7 %降低至2.3 %，均勻性大幅度提高。厚度為220 mm的柔性蜂窩流膠時間控制為1-3 min較為合適，此時密度偏差最大為3.32 %。柔性蜂窩的介電常數和介電損耗角正切與同密度下正六邊形蜂窩基本一致，紙張種類和孔格單元結構參數對其介電性能無明顯影響，影響其介電性能的主要因素為密度。同等密度下，柔性蜂窩剪切性能與正六邊形蜂窩基本持平，平壓強度略高于正六邊形蜂窩。柔性蜂窩具有優(yōu)異的孔格彎曲性，其在直徑為25 cm的半球上可以實現雙向變形，滿足大曲率制件的變形需求。

關鍵詞 全向可變形；柔性蜂窩；力學性能；介電性能；變形能力

Preparation and Properties of Omnidirectional

Deformable Flexible Honeycomb

SUN Mengchen， CHEN Lichun， SU Tao， LIN Fengqiu， WU Xu

（Research Institute for Special Structure of Aeronautical Composite，AVIC，

The Aeronautical Science Key Lab for high Performance Electromagnetic Windows，Jinan 250023）

ABSTRACT In this paper， para-aramid and meta-aramid paper were used to prepare flexible honeycomb with different specifications. The processability of flexible honeycomb immersion and its dielectric properties， mechanical properties and deformation capacity were investigated， compared with traditional hexagonal honeycomb. The results showed that during the immersion process of the flexible honeycomb， the change in T-direction density was relatively smooth when the immersion number was even. Using a flow guide during the immersion process of the same-specified honeycomb improved the uniformity of the density by a large margin， with the density deviation reduced from 7.7 % to 2.3 %. The gelatinization time for a 220 mm thick flexible honeycomb was controlled between 1 and 3 minutes， with the maximum density deviation of 3.32 %. Flexible honeycomb has excellent bending properties in the cellular structure， allowing it to achieve bidirectional deformation on a 25 cm diameter hemisphere， meeting the deformation requirements for large curvature parts.

KEYWORDS omnidirectional deformable;flexible honeycomb; mechanical properties; dielectric properties; deformation capacity

1 引言

普通六邊形蜂窩結構以垂直平面方向比強度大、比剛度高以及用作夾芯可大幅度提高結構的抗彎能力等優(yōu)點，廣泛應用于飛機的主、次承力結構件，如機翼、機身、操作面壁板、雷達天線整流罩等部位［1-3］。該類蜂窩結構雖然面外承載特性好，但是面內不易變形。隨著武器裝備的發(fā)展，復合材料制件結構設計更加復雜，普通六邊形蜂窩難以滿足制件大曲率變形要求，變形后產生的格孔擁擠和堆積嚴重影響電磁波傳輸效率，影響制件透波性能，且變形過程預應力過大，易發(fā)生結構初始損傷，影響制件制造質量，亟待開展具有面內全向變形能力的柔性蜂窩制造技術研究，以滿足大曲率復雜結構制件對蜂窩變形能力的要求，提高大曲率復雜結構制造能力和質量［4-5］。

柔性蜂窩芯材因其拓撲結構可設計性和良好的力學性能得到國內外學者的廣泛關注和研究。美國赫氏公司早在20世紀中期就形成了成熟的柔性蜂窩芯材制造技術，所研發(fā)的柔性蜂窩涵蓋多種規(guī)格，主要有35孔每英尺（節(jié)點間的距離約為8.71 mm）及50孔每英尺（節(jié)點間的距離約為6.10 mm）兩種，密度范圍為40 kg/m3～88 kg/m3。D.PRALL和R.S.LAKES提出了一種泊松比為-1的蜂窩拓撲結構，描述了該結構的幾何參數，提出了計算該類型蜂窩的基本理論和計算方法［6］。A.Spadoni等研究了六韌帶蜂窩結構在壓縮狀態(tài)下整體和局部線性屈曲行為，分析了其面內幾何形狀對整體和局部屈曲變形的影響，以及六韌帶柔性蜂窩的平壓強度和臨界載荷［7］。Dong等研究了一種內凹型六邊形蜂窩結構，具有負泊松比效應，分析了其在飛行翼結構中作為芯材的力學特性［8］。國內對于柔性蜂窩的研究多見于文獻和專利，尚處于設計探索階段。張平等針對后緣變彎度機翼，設計出一種新的柔性蜂窩結構，研究了該柔性蜂窩的面內變形能力和形狀參數的關系。仿真分析和試驗驗證表明，該柔性蜂窩結構具有足夠的面內變形能力，變形后仍保持良好的面外承載能力［9］。顏芳芳提出一種負泊松比柔性蜂窩結構，研究了柔性蜂窩結構參數對面內變形能力和面外承載能力的影響，并對結果進行了有限元仿真分析與試驗驗證。結果表明，負泊松比蜂窩結構具有較大的面內變形能力，其結構變形具有特殊的拉漲特性［10］。程文杰等分析了十字形零泊松比蜂窩的設計和平面變形機理，研究了蜂窩力學性能與單元形狀參數的關系，優(yōu)化了蜂窩單向變形能力的參數［11］。趙聰等測試了三種國產芳綸紙制備的柔性蜂窩的物理性能、力學性能、泊松比及阻燃性能。結果表明，五邊形柔性蜂窩孔格規(guī)整，外觀無缺陷，物理性能穩(wěn)定，平面壓縮強度、剪切強度和剪切模量達到了EC柔性蜂窩的指標值要求，力學性能達到批次間穩(wěn)定，蜂窩在縱向和橫向均具有良好的柔性且阻燃性能優(yōu)異［12］。

本文針對大曲率復雜結構對蜂窩芯材的變形需求，開展全向可變形柔性蜂窩芯材制備及性能研究，通過開展柔性蜂窩芯材浸漬工藝性研究，實現柔性蜂窩芯材密度均勻性控制，并表征了柔性蜂窩的介電性能、力學性能和變形能力，與傳統(tǒng)正六邊形蜂窩進行性能對比，為柔性蜂窩的工程化應用提供理論和材料支撐。

2 實驗部分

2.1 原材料

原材料選擇如表1所示。

2.2 試樣制備

分別采用對位芳綸紙（J-PCF35）和間位芳綸紙（A313）按照相同的浸膠及固化工藝條件制備了柔性蜂窩芯材和正六邊形蜂窩芯材，孔格單元結構參數如表2所示。對位系列柔性蜂窩芯材包括D-60K/ft-48、D-60K/ft-64、D-60K/ft-80、D-70K/ft-48、D-70K/ft-48和D-70K/ft-80六種規(guī)格；間位系列柔性蜂窩芯材包括J-60K/ft-48、J-60K/ft-64、J-60K/ft-80、J-70K/ft-48、J-70K/ft-48和J-70K/ft-80六種規(guī)格。對位系列正六邊形蜂窩芯材包括F·PF1-3-64和F·PF1-3-80兩種規(guī)格；間位系列正六邊形蜂窩芯材包括F·NF1-3-64和F·NF1-3-80兩種規(guī)格，對比測試了蜂窩芯材的介電性能、力學性能和變形能力。

2.3 性能測試

蜂窩介電性能按照GB/T 5597《固體電介質微波復介電常數的測試方法》測試，采用高Q腔法，頻率為10GHz；

蜂窩容重按GB/T 1464《夾層結構或芯子密度試驗方法》測試；

蜂窩平壓性能按GB/T 1453《夾層結構或芯子平壓性能試驗方法》測試；

蜂窩剪切性能按GB/T 1455《夾層結構或芯子剪切性能試驗方法》測試；

蜂窩變形能力通過在直徑30 cm半球面上變形進行表征。

3 結果與討論

3.1 柔性蜂窩芯材浸漬工藝性研究

3.1.1 浸漬次數對蜂窩密度均勻性的影響

由于柔性蜂窩格孔單元與正六邊形蜂窩存在明顯差異，其流膠情況也不同。本文著重開展柔性蜂窩芯材浸漬工藝性研究，實現其密度均勻性控制，蜂窩T向厚度為220 mm，蜂窩格孔對比如圖1所示。

為考察浸膠次數對蜂窩T向密度分布的影響，沿蜂窩T向自下而上依次取樣，測試了浸漬次數為2次和3次的柔性蜂窩D-70K/ft-48的T向密度分布，如圖2和圖3所示，考察浸膠次數對T向密度分布的影響。浸漬次數為奇數次時，蜂窩T向密度分布為一條斜線，沿一側端面逐漸增大，密度離散大，48 kg/m3規(guī)格蜂窩的密度偏差可達20.9 %；浸漬次數為偶數次時，蜂窩T向密度變化相較平緩，整體分布較為均勻，密度偏差最大為6.76 %。因此，蜂窩浸漬過程中應控制浸漬次數為偶數次。

3.1.2 導流板對蜂窩密度均勻性的影響

為減小蜂窩浸膠過程的端面效應，本文在蜂窩浸漬過程中采用厚度為15mm的已固化蜂窩作為導流板，并對比了導流板對蜂窩密度均勻性的影響。未使用和使用導流板的柔性蜂窩（D-70K/ft-48）的T向密度分布狀況分別如圖4和圖5所示，發(fā)現未使用導流板浸漬制備的蜂窩塊T向密度分布曲線呈“勺子”形，密度上下離散較大，48 kg/m3規(guī)格蜂窩的密度偏差可達7.7 %。同種規(guī)格蜂窩浸膠過程使用導流板后，密度偏差降低至2.3 %，均勻性大幅度提高。

3.1.3 流膠時間對蜂窩密度均勻性的影響

為考察流膠時間對蜂窩密度均勻性的影響，本文對比了不同流膠時間的柔性蜂窩T向密度，流膠時間＜0.5 min、0.5 min～1 min、1 min～3 min、5 min～10 min以及＞10 min的T向密度分布分別如圖6～圖10所示。流膠時間對蜂窩T向密度分布影響較大，流膠時間過短時，浸漬膠液流動距離較短，無法流平，蜂窩T向密度曲線呈現出局部“M”型，流膠時間＜0.5 min時密度偏差最大為16.2 %；流膠時間過長時，浸漬膠液向蜂窩T向中間聚集，傾向于呈現倒“V”型分布，流膠時間為5 min～10 min時密度偏差最大為12.4 %，流膠時間＞10 min時密度偏差最大為17.1 %；流膠時間適中時，浸漬膠液流平的同時不會發(fā)生聚集，均勻性更好，流膠時間為0.5 min～1 min時密度偏差最大為3.59 %，流膠時間為1 min～3 min時密度偏差最大為3.32 %。因此，220 mm厚度柔性蜂窩流膠時間控制為1 min ～3 min較為合適。

3.2 柔性蜂窩芯材介電性能

表3為不同規(guī)格柔性蜂窩和正六邊形蜂窩的介電性能數據。表3中數據表明，柔性蜂窩芯材的介電常數和介電損耗角正切與同密度下正六邊形蜂窩基本一致，紙張種類和孔格單元結構參數對柔性蜂窩介電性能無明顯影響，影響柔性蜂窩介電性能的主要因素為密度。柔性蜂窩的介電常數和介電損耗角正切與密度呈正相關，蜂窩密度越大，介電常數和介電損耗角正切越大。這是因為酚醛醇溶清漆的介電常數介于4～5，介電損耗角正切介于0.01～0.02，芳綸紙的介電常數和介電損耗角正切遠低于酚醛醇溶清漆，介電常數在1.5左右，介電損耗角正切在0.0014，因此當密度提高，即上膠量增大，蜂窩芯材的介電常數和介電損耗角正切也隨之增大。

3.3 柔性蜂窩芯材力學性能

不同規(guī)格柔性蜂窩和傳統(tǒng)正六邊形蜂窩的力學性能數據如表4所示。由于格孔邊長為3 mm的正六邊形蜂窩芯材每英尺孔格數為60 K/ft，因此本文對比了相同密度下的60 K/ft規(guī)格柔性蜂窩和正六邊形蜂窩芯材。表4中數據表明，同等密度下，柔性蜂窩剪切性能與正六邊形蜂窩基本持平，平壓強度略高于正六邊形蜂窩，這是因為正六邊形蜂窩的白蜂窩密度要高于柔性蜂窩，在目標密度一致的情況下，柔性蜂窩的上膠量高于正六邊形蜂窩，其平壓強度優(yōu)于正六邊形蜂窩。

3.4 柔性蜂窩芯材變形性能

采用長度為350 mm，寬度為350 mm，厚度為5 mm，名義密度為48 kg/m3的J-60K/ft-48和D-60K/ft-48柔性蜂窩在直徑為25 cm的半球上進行變形能力驗證，結果如圖11所示，可以看出孔格尺寸為60K/ft/ft的間位和對位柔性蜂窩均能實現雙向變形，顯示出較好的孔格彎曲性。

4 結語

采用對位芳綸紙和間位芳綸紙分別制備了不同規(guī)格的柔性蜂窩和正六邊形蜂窩，通過開展柔性蜂窩芯材浸漬工藝性研究，實現了柔性蜂窩芯材密度均勻性控制，考察了其介電、力學及變形性能，并與傳統(tǒng)正六邊形蜂窩進行性能對比，得出結論如下：

（1）柔性蜂窩浸膠過程中，浸漬次數為偶數次時，蜂窩T向密度變化較平緩，整體分布更為均勻。同種規(guī)格蜂窩浸膠過程使用導流板后，密度偏差由7.7 %降低至2.3 %，均勻性大幅度提高。厚度為220 mm的柔性蜂窩流膠時間控制為1 min～3 min較為合適，此時密度偏差最大為3.32 %。

（2）柔性蜂窩芯材的介電常數和介電損耗角正切與同密度下正六邊形蜂窩基本一致，紙張種類和孔格單元結構參數對柔性蜂窩介電性能無明顯影響，影響柔性蜂窩介電性能的主要因素為密度。

（3）同等密度下，柔性蜂窩剪切性能與正六邊形蜂窩基本持平，平壓強度略高于正六邊形蜂窩。柔性蜂窩具有優(yōu)異的孔格彎曲性，在直徑為25 cm的半球上可以實現雙向變形，滿足大曲率制件的變形需求。

參 考 文 獻

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