蜂窝夹层结构复合材料应用研究进展

时红丹

航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江省哈尔滨市 150060

摘要：现阶段，蜂窝夹层结构复合材料是出现了很多种，其中，玻璃钢夹层结构复合材料在应用范围和研究方面是发展最好的。很多的研究人员对玻璃钢夹层结构复合材料的性能进行了更好的研究，而且比较深入，对其在力学、隔音、隔热、以及抗冲击性能方面都做了比较好的分析。蜂窝夹层结构复合材料的性能主要由蜂窝芯的材料性能决定，蜂窝芯材的高度、材质、密度以及形状都对蜂窝夹层结构复合材料的性能有很大影响。研究人员对蜂窝夹层结构复合材料做了大量的研究，对其以后的应用和发展非常有利。

关键词：铝蜂窝；芳纶纸蜂窝；复合材料；力学性能；

有关铝蜂窝芯、芳纶纸蜂窝芯及其复合材料在制造工艺上的研究成果;蜂窝夹层结构复合材料在隔音、隔热、耐老化、冲击性能等方面的最新研究进展，并对蜂窝夹层结构复合材料的研究方向提出了几点建议。

一、铝蜂窝夹层结构

铝蜂窝芯材只要利用铝箔来实现不同方式的胶接，然后通过拉伸形成不同规格的蜂窝，芯材的性能和铝箔的厚度以及孔格的大小有直接关系，铝蜂窝芯材能够和不同蒙皮材料进行复合，这样就形成了铝蜂窝夹层结构复合材料。铝蜂窝夹层结构复合材料具有加高的力学性能，而且，在制造成本方面比较低。但是，铝蜂窝夹层结构复合材料在一些特定的环境中比较容易受到腐蚀，在受到冲击以后，铝蜂窝芯材会出现永久变形的情况，会导致蜂窝芯材和蒙皮发生分离的问题，导致材料的性能降低。一些研究人员对胶接工艺对铝蜂窝夹层结构复合材料的影响进行了研究，主要从胶接剂的筛选、表面处理方法和固化工艺方面进行了论述，使用流动性比较好的胶膜，在表面处理方面采用磷酸阳极化处理方式，同时，在夹层结构方面通过对剪切强度进行对比，能够实现最佳的固化工艺。在固化过程中，可以对铝蜂窝夹层结构复合材料进行真空袋加压，这样铝蜂窝夹层结构复合材料的性能更好。对铝蜂窝芯在压缩荷载作用下的荷载位移曲线特征进行研究，同时对在静态下的压缩荷载作用下的铝蜂窝变形特征进行掌握，可以从三个方向对铝蜂窝进行准静态压缩，由于材料的不同，会导致蜂窝芯出现不断的致密化，可以将不同方向的荷载位移曲线分为弹性区域、平缓区域和加速加强区域。在轴向压缩过程中，试样在荷载最大值位置会出现失稳的情况，在失稳情况下，位移曲线会出现一些小的峰，这个过程铝蜂窝芯出现了逐步折叠失稳的情况。一些研究人员利用数值模拟的方法对不停密度铝蜂窝芯在压缩荷载作用线出现的失效过程进行了模拟，对结构失稳以及破坏的不同特征进行了总结，利用数值模拟所得到的蜂窝失稳分岔宏观应力和实验室所得的宏观极限应力吻合。对三种不同蒙皮厚度的铝蜂窝蜂窝层和聚乙烯泡沫层进行分开试验，对比试窝夹层的结构试样能够进行弯曲疲劳试验，通过试验可以得到，铝蜂窝能够吸收加高的冲击能量，但是，其厚度会对疲劳性能带来一定的影响。对铝蜂窝芯和聚乙烯泡沫层施加同样的弯曲荷载，疲劳寿命和蒙皮厚度对材料的性能进行影响不是十分明显，出现的失效模式是蜂窝和蒙皮之间的界面脱粘。对有效元模拟试样的界面应力进行分析，能够对界面剥离的初始位置进行预测。

二、Nomex蜂窝夹层结构

因其比强度高、耐腐蚀、吸振、透电磁波等特性，已广泛应用于航空结构件上。研究人员针对Nomex蜂窝的这些优异性能展开了大量的研究。尽管其具有诸多的优点，但Nomex蜂窝因制造成本高，限制了其在非航空航天领域的发展。在对Nomex蜂窝和蒙皮之间胶接质量的研究中发现:在树脂黏度较高时加压可使面板与蜂窝胶接良好，而树脂黏度较低时加压会造成上下面板与蜂窝胶接处胶瘤存在较大差异;蜂窝夹层结构的剥离强度随着胶瘤的增大而升高，但是侧压强度与其无明显关联。还有人对不同固化压力下Nomex蜂窝夹层结构力学性能进行研究，发现固化压力在0．2～0．5 MPa下，夹层结构的主要力学性能无明显变化，但其侧压强度随着固化压力的增大而增大，弯曲强度则随着固化压力的增大而呈现出先增大后减小的趋势。从压缩、剪切和燃烧性能这三个方面出发，对间位芳纶蜂窝芯和对位芳纶蜂窝芯进行了较为系统的研究，研究发现对位Nomex制备的HN系列蜂窝芯的压缩、剪切性能远远优于间位Nomex制备的YT系列蜂窝芯。在对中、高密度Nomex蜂窝力学性能的研究中发现:选择厚度适合的Nomex，并严格控制环境温湿度，在浸渍胶液中加入适量的渗透剂可制造出高性能的中、高密度Nomex蜂窝。从蜂窝制造工艺途径、芯条胶型号及其黏度等方面出发，研究了这些因素对Nomex蜂窝节点强度的影响。研究确定芯条胶牌号为SY－2B高温芯条胶，黏度为20～25 Pa·s，压制压力在0．3～0．8 MPa时，Nomex蜂窝可以获得较高的节点强度，定型温度对节点强度的影响不明显。从蜂窝芯高度、蒙皮厚度和蜂窝芯增重三个方面对Nomex蜂窝夹层结构复合材料的吸波性能进行了研究，研究发现:夹层结构复合材料反射率在－10 dB以下的有效带宽随着蜂窝芯高度的增加逐渐向低频扩展;18 mm高的蜂窝芯随着蒙皮厚度的增加，其吸收峰频率向低频移动，且在2～18GHz频段的反射率均保持在－10 dB以下;随着黏附吸收剂质量的增加，蜂窝夹层复合材料的吸收峰频率向低频移动。研究了声音在穿过复合材料夹芯板时自由波的传输损耗情况，对Nomex蜂窝夹芯板进行了详细研究:在数值计算过程中，对蜂窝芯材料及其面板的性能进行了计算。预测过程中选择了适当的数值，运用到波损耗和自由波传播模型中，通过对蜂窝夹芯板三个方向的声音损耗系数进行了预测，其中z轴方向上的吸声系数为0．32，从理论上说明Nomex蜂窝夹芯板为良好的隔音材料;将Nomex蜂窝夹芯板的吸声系数与聚氯乙烯树脂基泡沫吸声材料做对比，泡沫的平均吸声系数为0．45，吸声性能较好，但其力学性能较差。对压缩载荷下Nomex蜂窝芯的失效机理进行了研究。失效过程中孔壁屈曲速度非常快，峰值载荷出现在三个蜂窝单胞共有的蜂窝壁位置。进一步对拐角部分结构进行模拟研究发现蜂窝结构表现出与实验结果相类似的结果。模拟过程中假设载荷主要在蜂窝单胞之间垂直的边缘，将蜂窝芯的压缩用非线性弹性体进行建模，研究了在大小不同的球形压头作用下Nomex蜂窝芯的变形情况，模型可以较好的模拟蜂窝夹层复合材料的压痕情况。通过曲面响应法表征了材料结构对损伤容限和剩余强度的影响。研究从蒙皮数量、蜂窝芯密度、芯材厚度出发，对冲击后材料的损伤演化以及剩余强度进行了探讨:芯材厚度以及蒙皮的铺层方向对损伤演化和剩余强度影响最大;提高蜂窝芯的厚度和增加碳/环氧织物层的数量可以提高剩余强度。损伤容限和剩余强度模型可以指导我们更好的了解夹层结构复合材料冲击损伤后的力学性能，从而提高其设计性和扩展其应用。对用于月球探测器缓冲机械的正六边形铝蜂窝缓冲材料进行了模拟着陆冲击试验，研究了不同着陆条件对其缓冲性能的影响。研究表明:对铝蜂窝缓冲机构施加相应的预紧力可以有效提高铝蜂窝材料的缓冲性能;铝蜂窝材料的缓冲效率随着探测器在月球表面着陆速度的提高而降低，在探测器多级铝蜂窝缓冲装置中，一级缓冲器设计对探测器能否实现软着陆至关重要。

总之，蜂窝夹层结构复合材料具有广阔的应用前景，尤其是随着蜂窝夹层结构复合材料在战斗机、直升机、卫星、赛艇等方面的应用，对于其各方面性能的研究就越发显得重要。

参考文献：

［1］王竟成，夹层结构复合材料设计原理及其应用．201 8.

［2］张平．浅谈蜂窝夹层结构复合材料应用研究进展.2019.