国产芳纶纸蜂窝力学性能试验研究

王 翔，罗玉清，陈新文

(1.北京航空材料研究院，北京 100095;2.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095)

0 引言

芳纶纸蜂窝具有轻质、高强、高模、阻燃、耐高温、低介电损耗等一系列优良性能，被广泛用作夹层结构芯材［1］。芳纶纸蜂窝结构作为在国外飞机中得到成熟运用的高性能轻质航空材料，如A380 客机采用了Kevlar 和Nomex 纸制备的蜂窝结构，在地板、舱内壁到副翼、发动机罩子等不同部位［2］。

芳纶纸蜂窝芯材是由芳纶纸经过涂胶条、叠合、蜂窝叠块的压制固化、切割、拉伸与浸胶等一系列复杂工艺制作而成［3］，制备芳纶纸的原材料主要有2 种芳香族聚酰胺、聚间苯二甲酰间苯二胺和聚对苯二甲酰对苯二胺。目前常见的2 种芳纶纸原材料分别为Nomex 间位芳纶纸和Kevlar对位芳纶纸。国外某公司在20 世纪90年代推出的对位芳纶纸，其高强度、高模量和耐高温性能相比间位芳纶纸大大提高，具体数据见表1［4］。由于芳纶纸蜂窝的主要原材料芳纶纸依赖美国进口，原材料受制于人，无法实现芳纶纸蜂窝复合材料的国内自主保障，因此开展国产芳纶纸蜂窝的研制和力学性能研究具有重要意义［5］。

本研究对HN 对位芳纶纸制备的蜂窝进行稳定型压缩和平面剪切力学性能试验，得到对位芳纶纸蜂窝的压缩和剪切性能试验数据。并对1.83-48、1.83-64、1.83-96 和2.75-48 等4种规格的蜂窝进行力学性能试验，研究同芯材孔格边长对蜂窝材料性能的影响，讨论芯材密度变化对蜂窝力学性能的影响规律，为国产芳纶纸蜂窝的研制提供力学性能数据支撑。

表1 2 种芳纶纸性能比较Table 1 Comparison of the properties of two aramid papers

1 材料和试验

HN 芳纶纸蜂窝芯［6］由北京航空材料研究院生产，主要规格包括HN-1-1.83-48-12.7、HN-1-1.83-64-12.7、HN-1-1.83-96-12.7、HN-1-2.75-48-12.7，蜂窝芯名义高度为12.7 mm。蜂窝芯与面板粘接用高温环氧胶膜由北京航空材料研究院生产，固化工艺为180 ℃下固化2 h。蜂窝的稳定型压缩试验按照ASTM C365—2011 进行，试验时应先对试样进行预加载，使得试样能通过球形支座自我调节以确保试样均匀承载。蜂窝平面剪切试验参照ASTM C273—2007 标准进行，通过在与试样粘接的金属板上安装差动变压位移传感器(LVDT)来监控剪切变形，所有试验均在Instron 5882 试验机上进行，稳定型压缩和平面剪切试验装置见图1。

2 试验结果与讨论

2.1 典型压缩行为

蜂窝材料的稳定型压缩试验主要考察蜂窝的刚度及抗压性能。由于蜂窝芯子是由单、双层蜂壁结构组成，在试验中观察到当蜂窝初始受压时，蜂窝为弹性变形，随着载荷增大，芯子单层蜂窝壁开始出现失稳，最终蜂窝壁被压皱使得整体结构破坏失效。

图2 是典型的蜂窝材料压缩载荷-位移曲线。由于在制作蜂窝的过程中，蜂窝面裁剪不平整，当其受压时球形支座不断调整才能使蜂窝被压平整，整个试验过程可以用图2 中曲线AB 段来说明;BCD 段为明显的弹性阶段，这个阶段蜂窝均匀承载，变形以弹性变形为主;DE 段为蜂窝失稳破坏，此时载荷-位移曲线达到最大载荷后，载荷急速掉落，这是由于蜂窝壁板由弹性变形转变为塑性变形，蜂窝壁被压皱屈曲，最终蜂窝芯子压塌破坏。图3［7］给出了蜂窝稳定型压缩试验过程中蜂窝壁变形示意图，图4 为典型的HN 蜂窝稳定型压缩破坏断口图。

图1 试验装置图Fig.1 Testing system

2.2 典型剪切行为

图2 HN 蜂窝典型平压载荷-位移曲线Fig.2 Compressive load-displacement curve of HN honeycomb

图3 蜂窝单元压缩变形示意图Fig.3 Compressive deformation of HN honeycomb cell

图4 典型的蜂窝稳定型压缩断口Fig.4 Fracture surface of honeycomb under stable compression

由于蜂窝芯子是薄壁结构，往往会产生单格壁剪切失稳，随着剪切变形的增大，蜂窝孔格蜂壁达到剪切极限强度时，蜂窝失去承载能力而破坏，图5 为典型的HN 蜂窝拉伸剪切应力-位移曲线。图5 中曲线AB 段剪切应力随着剪切位移的增加而线性增大，在此阶段蜂窝芯子变形以弹性变形为主;BC 段曲线开始出现明显的非线性，这是由于随着载荷增加，蜂窝开始出现塑性变形;当曲线达到最大载荷后，载荷急速掉落(CD 段)，最终蜂窝芯子断裂，失效模式及断口见图6。

图5 典型的HN 蜂窝剪切应力-位移曲线Fig.5 Plane shear stress-displacement curve of HN Honeycomb

图6 蜂窝剪切失效示意图Fig.6 Plane shear failure of HN honeycomb

2.3 芯材孔格尺寸对平压和剪切性能的影响

对密度均为48 kg/m3的芯材孔格边长分别为1.83、2.75 mm 的蜂窝进行力学性能试验，试验结果见表2(L 为蜂窝纵向和W 为蜂窝横向)。从表2 中可以看出，随着芯子孔格边长增大，其稳定型压缩强度降低，这是由于蜂窝芯子属于薄壁结构，当其受压缩载荷作用时，大尺寸孔格的蜂窝易发生失稳，使得蜂窝提前失效，抗压能力降低，但下降幅度并不明显。

随着蜂窝孔格尺寸增加，L 向和W 向的剪切强度无明显变化，剪切模量变化明显。大尺寸孔格的蜂窝其剪切模量相对大幅下降。

2.4 蜂窝密度对平压和剪切性能的影响

对孔格尺寸均为1.83 mm 的芯材密度分别为48、64、96 kg/m3蜂窝进行力学性能试验，试验结果见表3、图7。可以看出，当密度从48 kg/m3增加到64 kg/m3，其压缩强度增加较为平缓，当密度继续增加至96 kg/m3时，其压缩强度迅速增大。而L 和W 向剪切强度随着蜂窝密度增大，剪切强度基本为线性增加。当密度从48 kg/m3增加到64 kg/m3，L 向和W 向剪切模量增加明显，当密度继续增加至96 kg/m3时，L 向的剪切模量基本不发生变化，W 向剪切模量增加较为缓慢。

表2 不同孔格尺寸蜂窝平压和剪切性能对比Table 2 Compression and shear performance with different cell sizes

表3 不同密度蜂窝平压和剪切性能对比Table 3 Compression and shear performance with different density

图7 强度和剪切模量随密度变化规律Fig.7 Variation of shear strength and modulus with increasing density

2.5 蜂窝剪切强度分析

Zhang 等［8］推导了蜂窝面内等效剪切强度理论表达式:

式中:Ks为蜂窝剪切试验参数，取值7.38;E 为蜂窝胞壁的弹性模量;υ 为蜂窝胞壁的泊松比;α 为拓展角;t 为单层蜂窝胞壁的厚度;l 为单层蜂窝胞壁的长度。基于式(1)和式(2)，可以得到蜂窝剪切试验L 和W 方向的剪切强度之比，即

假设本研究的蜂窝均为正六边形，设α=30°，则可得到τL/τT≈1.732。从表2 和表3 中可以看出2 种密度蜂窝的L 向与W 向剪切强度之比分别为1.84、2.0、1.84、1.80 和1.67，整体与理论值偏差为5.66%，理论值与试验值吻合较好。

3 结论

1)当蜂窝密度相同时，随着蜂窝孔格尺寸的增加，其抗压缩能力略有下降。

2)当蜂窝孔格尺寸相同时，蜂窝密度从48 kg/m3增加到64 kg/m3，其压缩强度增加较为平缓，当密度继续增加至96 kg/m3时，其压缩强度迅速增大。而L和W向剪切强度随着蜂窝密度增大，剪切强度基本为线性增加。L 向和W 向的剪切模量随着密度的增大先增加后基本无变化。

3)Zhang 等推导的剪切强度理论预测公式较好地预测了蜂窝L 向和W 向剪切强度比值。

［1］Yam L H，Yan Y J，Jiang J S.Vibration-based damage detection for composite structures using wavelet transform and neural network identification［J］.Composite Structures，2003，60(4):403-412.

［2］王曙中.芳纶浆粕和芳纶纸的发展概况［J］.高科技纤维与应用，2009，34(4):15-18.

［3］郝巍，罗玉清.国产间位芳纶纸蜂窝性能的研究［J］.高科技纤维与应用，2009，34(6):26-30.

［4］金成柱.Nomex 蜂窝材料高速加工工艺及固持可靠性研究［D］.杭州:浙江大学，2005:1-3.

［5］郝巍，罗玉清.国产对位芳纶纸蜂窝性能的研究［J］.高科技纤维与应用，2009，34(6):21-25.

［6］郝巍，罗玉清，马科峰，等.对位芳纶蜂窝芯与间位芳纶蜂窝芯的性能对比研究［J］.高科技纤维与应用，2011，36(2):17-20.

［7］Lee H S，Hong S H，Lee J R，et al.Mechanical behavior and failure process during compressive and shear deformation of honeycomb composite at elevated temperatures［J］.Journal of Materials Science，2002，37(6):1265-1272.

［8］Zhang J，Ashby M F.The out-of-plane properties of honeycombs［J］.International Journal of Mechanical Sciences，1992，34(6):475-489.