结构功能一体化蜂箱的研制

王宏标 华意 尹俊│文

江苏中科聚合新材料产业技术研究院有限公司

目前传统的蜂箱多由保温性差的材料制成，当温度下降时，蜜蜂以消耗蜂蜜和群体运动产生热量来维持正常巢温，从而影响蜂群产蜜效率。传统的木质材料蜂箱，不仅保温性差，还存在占用木材资源、耐候性差（使用寿命短）、易霉变且清理难等问题。研制质量轻、保温性能好、经济耐用的蜂箱，将有助于减轻劳动强度，提高生产效率，从而增加养蜂的经济效益。

一、常用蜂箱的类型及特点

蜂箱的种类[1]主要有以下4 种划分形式：（1）按适宜蜂种来划分，不同蜂种在筑巢习性上也略有不同，比如有中蜂箱、意蜂箱等；（2）按设计思路来划分，比如传统蜂箱、活框蜂箱等，其中传统蜂箱的巢脾是固定在箱壁上，而活框蜂箱的巢脾则可按照养蜂人意愿来调整；（3）按巢框数量来划分，有十框蜂箱、十二框蜂箱、十六框蜂箱等；（4）按箱体材质来划分，现在市面上主要有木质蜂箱、塑料蜂箱、水泥蜂箱、泡沫蜂箱等；下面简单介绍一下这几类蜂箱的特点。

1.木质蜂箱

木质蜂箱是传统蜂箱的首选，一般选用坚固耐用而又质轻、不易裂缝变形、没有异味的杉木制作而成。通常有木桶蜂箱、格子蜂箱、意蜂标准箱、卧式蜂箱、中蜂标准箱等。优点：接近大自然，给蜜蜂营造一种野生环境，有利于蜂群生存和繁衍。木质蜂箱一般重量较重，起到防盗作用，适合定地养蜂；缺点：用林木资源，加工工序多，费力费工，隔热保温性差，功能单一，箱体重达5～10kg，清洗困难，不利于生产巢蜜，易腐朽霉变，使用寿命短。

2.水泥蜂箱

水泥蜂箱是造价低廉的蜂箱，以水泥、河砂、水等为原材料，按适当比例进行混合后，采用灌注法一体成型。优点：坚固耐用、耐腐蚀性能好，防盗，取材方便，制作简易，造价低廉[2,3]；缺点：传热快，保温性能差，不利于蜂群春繁。箱体较重，不易搬运，只适合业余休闲的定地养蜂，不适用于大批量饲养蜂群。

3.塑料蜂箱[4]

塑料蜂箱是可适应工业化批产的蜂箱，通常采用聚乙烯等通用塑料注塑成型，由箱体、箱盖、副盖和箱底板等部件组装而成。优点：防腐性能优于木材，蜜蜂或其他昆虫啃咬损坏的可能性小，不易滋生有害细菌，较木材和水泥蜂箱有一定的保温效果；缺点：成本较高，抗老化性能有待提高，长期阳光照射后表层材料易破裂老化。

4.泡沫蜂箱[5-8]

泡沫蜂箱是一类以泡沫材料为主体的蜂箱，一般采用聚氯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫等板材进行分块拼接而成。也有采用聚苯乙烯发泡珠粒、聚丙烯发泡珠粒整体成型。优点：保温性好，密封性好，遮光性好，质量轻便于移动；缺点：容易被蜜蜂咬毁，不利于通风散热，结构强度偏低、耐用性差。

二、功能一体化蜂箱的设计思路

1.夹层复合材料

如图1 所示，由轻质芯材与两层刚度大、强度高的蒙皮制成的结构件，称为夹层结构。夹层结构运用工程中“工”字梁（见图2）的原理，芯材对蒙皮的分隔增大了结构的惯性矩。由图3 可见，在整个夹层结构的质量增加不多的情况下，夹层结构的强度和刚度得到很大提升，夹层结构常用于有轻量化设计要求的场合。

图1 夹层结构示意图

图2 “工”字梁结构

图3 夹层结构力学性能示意图

夹层复合材料是具有夹层结构的一类复合材料的统称。一般是由上面板、上面板与芯材的粘结层、芯材、下面板与芯材的粘结层以及下面板所构成。图4 为夹层结构承受弯曲载荷时的受力情况：面板主要承受拉伸或压缩载荷，而芯材则传递剪切力。

图4 夹层结构受力示意图

2.树脂基泡沫夹层复合材料及其性能特点

树脂基泡沫夹层复合材料是一类以纤维增强复合材料材料为面板（蒙皮）、轻质泡沫为芯材的夹层结构形式，具有质量轻、比强度高、易于加工成型、耐腐蚀、可设计性强等优点。纤维增强复合材料面板是由高性能纤维浸渍功能树脂而成的，根据不同使用工况的要求，纤维可涉及玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维等单向纤维或纤维织物；树脂涉及不饱和、乙烯基、环氧、酚醛等热固性树脂以及一些热塑性树脂。与传统的夹层复合材料相比，树脂基泡沫夹层复合材料具有以下优点[9-15]：

（1）弯曲刚度高

根据复合材料层合板理论，复合材料的弯曲刚度与其厚度的三次方成正比。复合材料夹层结构通过在面板间加入一块轻而厚的泡沫来增加材料的厚度，从而提高复合材料的弯曲刚度。

（2）重量轻

在相同的强度和刚度条件下，树脂基泡沫夹层复合材料与传统复合材料相比，具有明显重量轻的优势。这主要是因为传统复合材料要达到一定的强度和刚度要求，需要增加这种高密度材料的使用，相比较而言，树脂基泡沫夹层复合材料则是通过改变传统复合材料的结构形式，即将轻而厚的泡沫设计到复合材料结构中，从而提高结构的强度和刚度，使之达到设计要求；同时，使用低密度的泡沫材料能够大大降低结构的重量，减重效果非常明显。

（3）具有隔热、吸音、减震等功能性

树脂基泡沫夹层复合材料中的泡沫材料本身就是一种很好的隔热、吸音、降噪材料，所以树脂基泡沫夹层复合材料同样具有这些功能。

（4）提高夹层结构层间剥离强度、抗压性能

通过交联树脂的界面粘接和层间锚接，能有效提高树脂基泡沫夹层复合材料层间剥离强度，降低胶接质量问题的风险，且能在一定程度上提高泡沫夹层复合材料的抗压性能。

（5）提高夹层结构抗温变性能，方便维修

通过整体非金属结构设计替代金属-非金属组合结构，能减少因材料热膨胀系数差异而引起夹层复合材料层间缺陷问题的发生。

（6）可设计性强

树脂基泡沫夹层复合材料可以像玻璃钢一样成型各类复杂曲面结构，可设计性强；传统的复合材料成型工艺，如手糊、喷射、RTM、真空导入等均能适用。

（7）维修方便

树脂基泡沫夹层复合材料局部破坏后可以像玻璃钢件一样修补，维修方便。

3.功能一体化蜂箱设计

基于上述几类蜂箱的问题及树脂基泡沫夹层复合材料的性能特点，我们提出以泡沫夹层复合材料为蜂箱主体结构，同时设计辅助加热功能的新型蜂箱方案。首先，以高性能泡沫为芯材、高强度蒙皮的三明治结构可在保证应用场景下的结构强度和抗变形能力，实现蜂箱主体的轻量化设计；其次，辅助加热单元的引入，可以在外界气温比较低的情况下，实现蜂箱内部的温度调节干预；第三，泡沫芯材的使用能极大提升蜂箱的保温效果，也能有效屏蔽加热单元热量的外泄，能源利用率比较高。我们设计出如下结构的蜂箱主体：如图5。

图5 结构功能一体化蜂箱结构示意图

三、功能一体化蜂箱的研制

为了更好地验证上述设计方案，参考一款中蜂蜂箱的尺寸，制定了新型结构功能一体化蜂箱的要求如表1 所示：

表1 结构功能一体化蜂箱要求

以蜜蜂不排斥（材料上有蜂蜡）的材料为基础，通过仿真计算出泡沫夹层复合材料的铺层结构，并通过粘接复合工艺制备出蜂箱主体（图7）。

图7 新型结构功能一体化蜂箱

对研制的结构功能一体化蜂箱，进行了性能检测，结果如表2 所示：

表2 结构功能一体化蜂箱性能

考虑到安全性，对拟选的箱体材料进行生物相容性验证测试，具体如图6 所示。

图6 材料与蜜蜂的生物相容性验证

四、总结

本文通过特定结构设计及环保材料的选用，制备出带有辅助加热功能的泡沫夹层结构，得到了一种轻质且具有温度调节功能的蜂箱复合材料。该蜂箱具有轻质、强度高的性能特点，方便蜂农转场运输，大大减轻转地的劳动强度。同时隔热性能好的泡沫芯材能减少内侧加热单元的热量往蜂箱外传递，能够较好地保持蜂箱温度，能源利用率高。在冬季能抵御外界寒冷，减少养蜂人采取其他保暖措施；而夏季又能阻挡外界高热进入蜂箱，可谓冬暖夏凉。

蜂箱材料种类繁多，结构功能一体化蜂箱的研制，作为未来养蜂业工具材料的创新应用，将有助于减轻劳动强度，提高劳动力及生产效率，提升蜂产品的附加值，增加养蜂的经济效益。