蜂窝夹层结构复合材料应用研究进展

王莹

摘 要：文章对铝蜂窝芯、芳纶纸蜂窝芯及其复合材料在制造工艺方面的研究成果进行分析，对蜂窝夹层结构复合材料的研究方向提出了一些建议。蜂窝夹层结构复合材料具有非常的隔音、隔热以及耐老化和抗冲击性能，因此，在应用发展方面效果将非常好，对其应用研究进行分析，能够提出更好的建议。

关键词：铝蜂窝；芳纶纸蜂窝；复合材料；力学性能

引言

蜂窝夹层结构复合材料在使用方面具有很好的性能，其具有比较好的强度，同时，抗冲击性能很好，在使用方面能够进行很好的设计，因此，在目前得到了非常广泛的应用，尤其在航空航天领域。蜂窝夹层结构的性能优越性使其成为了很多领域中无法替代的结构材料。早期的蜂窝夹层结构复合材料的芯材都是金属芯材，但是，随着科技的不断发展，在芯材方面发生了很大的改变，发展成为了纤维性很强的树脂蜂窝。目前，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。

1 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。铝蜂窝夹层结构在粘结成型方面大面积批量生产面临着非常大的问题，因此，对面板进行磷酸阳极化处理非常必要，这样能够对粘结的效果进行保证。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。

2 铝蜂窝夹层结构复合材料的应用

赵宏杰等人从蜂窝芯高度、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-10dB以下的有效带宽随着蜂窝芯高度的增加逐渐向低频扩展；18mm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-10dB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。

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。

通过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。

通过从蜂窝芯壁厚、蜂窝孔格边长、蜂窝芯高度、夹层结构面板厚度以及阻尼涂层等方面对镁合金蜂窝的隔声性能进行了研究。结果表明：隔音量随着频率的增加而增大；蜂窝芯的空腔越大，隔音效果越显著，增加阻尼层和阻尼涂料能显著提高隔音量。所研制的镁合金蜂窝可考虑不同的结构参数应用于现行动车组列车的内部结构中。

3 结束语

蜂窝夹层结构复合材料在应用方面具有很好的前景，尤其在战斗机、直升机、卫星以及赛艇方面，对蜂窝夹层结构复合材料的各方面使用性能进行研究，能够更好的完善其性能。现在，国内外对铝蜂窝夹层结构复合材料的应用研究非常广泛，在研究方向方面主要集中在力学性能、制造工艺、耐老化性能方面，对于隔音、隔热以及失效机理方面的研究还没有很多人涉及，因此，在进行研究的时候，可以利用计算机模拟软件对这方面进行研究。再进行模拟的时候是会和蜂窝夹层结构的实际使用情况有一定的差异，因此，对蜂窝夹层与泡沫夹层结构的隔音和隔热性能进行对比，可以在以后的研究重点上提出以下建议。在借助数学方法和计算机方法模拟对蜂窝夹层结构复合材料进行研究的时候，可以对实际的使用条件进行考虑，这样能够将理论计算和实际情况进行更紧密的结合。对蜂窝夹层结构的复合材料构件实际使用情况进行研究，能够在隔音和隔热方面取得更好的研究成果，将蜂窝夹层和泡沫夹层结构材料的对比研究作为重点，在隔热和隔音性能方面能够取得更好的优势。在微观方面，可以对蜂窝夹层结构复合材料在受到冲击和压缩荷载作用下的失效机理进行研究，在应用发展方面能够获得更好的效果。

参考文献

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