蜂窝夹层结构复合材料

1.1.夹层构造一种复合构造的板、壳构造，它的两个外表由很薄的板材做成，中间夹以较轻的夹芯层。前者称为表板，要求强度高；后者称为夹层，要求重量轻。其次次世界大战时，为了充分利用木材资源，英国的“蚊式”轰炸机上就承受了全木质夹层构造。一般夹层构造用于机翼、尾翼、机身、箭体、箭头、减速板、发动机短舱、隔音装置、防火隔板等。与薄壁构造的薄蒙皮相比，夹层板的厚度大得多，抵抗失稳力量强，重量还可减小，而且外表光滑，气动外形良好。但它的制造工艺简单，工艺质量又不易检验，所以应用受到限制。夹层构造表板的材料有铝合金、不锈钢、钛合金和各种复合材料。夹层材料有轻质木材、泡沫塑料等，也可用金属材料或复合材料制成波浪板夹层或蜂窝型夹层〔见蜂窝构造〕 。夹层与表板一般用胶粘结在一起，也可用熔焊、焊接连接，形成整体。在总体受力分析中，认为上、下两表板只承受表板面内的拉、压力和剪切力，不能承受弯矩和扭矩，而中间夹层只承受垂直于夹层中面的切力。夹层构造与一般板壳构造受力分析的唯一差异在于挠度计算中除了考虑弯曲力矩产生的挠度外，还要考虑剪力的影响。夹层构造的两表板之间距离较大，所以夹层构造的弯曲刚度比一般板壳构造大得多，失稳临界应力显著提高。夹层构造自身不用铆钉，免除了钉孔引起的应力集中，提高了疲乏强度。夹层构造与相邻构造的连接较为简单，夹层本身的局部接触强度较弱，又需承受连接的集中力，因此必需妥当进展接头设计。1.1.类型、特点及应用类型：按面层分类：玻璃钢、金属、绝缘纸、胶合板、塑料板等按芯层分类：泡沫夹层构造、波板夹层构造、蜂窝夹层构造等。特点：泡沫夹层构造的夹芯材料是泡沫塑料其质量轻、刚度大、保温隔热性能好。但是强度不高蜂窝夹层构造的夹芯材料是蜂窝材料〔玻璃布蜂窝、纸蜂窝、棉布蜂窝等〕波板夹层构造波板夹层构造的夹芯材料是波浪板〔玻璃钢波浪板、纸基波浪板和棉布波浪板〕。特点：制作简洁，节约材料，但不适用于曲面外形的制品，质量轻、刚度大。蜂窝夹层构造概念性说明蜂窝夹层构造是复合材料的一种特别类型。由于这种轻型构造材料具有最优比强度、比刚度、最大抗疲乏性能、外表平坦光滑等特点，已在中国航天领域得到较为广泛地应用。蜂窝夹层构造实质上是由3种根本材料组合而成的复合材料，这为构造人员供给了广泛转变参数以满足设计技术指标的可能性 。目前在型号任务中最常用的为铝面板-铝蜂窝夹层构造、碳纤维面板-铝蜂窝夹层构造、玻璃钢面板-玻璃钢蜂窝夹层构造、 芙拉纤维面板-凯Nomex蜂窝夹层构造等，其特点是构造较为简单，外形尺寸精度要求高、工序内容多、研制周期长。其轻质高强的特点在研制、、试验装配和搬运过程中简洁消灭各种损伤。文章结合研制生产实践，分析了蜂窝夹层构造复合材料的几种主要破坏模式，从而可实行相应措施，防止各种损伤破坏，提高产品质量。2.2蜂窝夹层构造的组成3个元件组成：一对薄而强的面板，以承受轴向载荷、弯矩和面内剪力；厚而轻的蜂窝芯子，它将上、下面板隔开，以承受由一个面板传递到另一个面板的载荷和横向剪力；胶粘剂，它能将剪力传递至蜂窝芯子和由蜂窝芯子传递只面板2.3蜂窝夹层构造常用面板材料、蜂窝芯材和胶粘剂面板材料面板的主要功能是供给要求的轴向弯曲和面内剪切刚度，以承受轴向弯曲和面内剪切载荷，在卫星构造中，面板常用预浸树脂石墨纤维单向带或织物，也有承受铝合金面板或玻璃钢面板等，蜂窝芯子蜂窝芯子外形主要承受正六边形。航天构造中的蜂窝芯子材料一般承受铝蜂窝芯子、Nomex2.2.3.胶粘剂胶粘剂是蜂窝夹层构造复合材料研制生产中的重要材料，它对蜂窝夹层构造复合材料的力学性能和制造工艺性能有肯定影响。为此对胶粘剂的主要性能提出了各种要求，主要有空间环境条件下性能稳定性、较好的综合力学性能、工艺性能好、使用便利，同时在现有储存条件下储存期不低于6个月。对于蜂窝夹层构造复合材料不同的使用部位和不同的要求，可选用以下各种胶粘剂：1〕构造胶粘剂一用于面板和蜂窝芯子胶接；泡沫胶粘剂一用于蜂窝芯子与预埋件胶接、局部填充和加强拼接胶粘剂一用于大面积蜂窝芯子的拼接；灌注胶粘剂一用于蜂窝夹层构造件成型后镶嵌件的后埋胶接热管胶粘剂一用于蜂窝夹层构造件中的热管胶接23蜂窝夹层构造复合材料力学性能特性蜂窝夹层构造的主要特点是上、下面板的材料厚度一般状况下均一样，而且比蜂窝芯子高度小得多，面板材料的强度和刚度一般均较高 。依据夹层板力学分析根本理论，其主要力学性能特征如下：弯矩主要由面板担当。蜂窝夹层构造复合材料由面板担当的弯矩要远大于由芯子担当的弯矩；面板中的应力沿厚度接近均匀分布。由于蜂窝夹层构造复合材料的面板很薄，面板中的最大应力与平均应力相差很少，面板中的应力可认为沿厚度接近均匀分布；横向剪力主要由芯子担当。蜂窝夹层板受载时会产生弯矩和垂直板面的横向剪力，由于面板很薄，能担当的横向剪力不大，横向剪力主要由芯子担当；通常不能无视芯子的横向剪切应变 。由于蜂窝夹层的芯子的横向剪切弹性模量不大，因此横向剪切应变不能无视；芯子具有支持面板避开失稳的作用。蜂窝夹层板的芯子将供给薄面板的横向支承，避开面板的局部失稳。蜂窝夹层构造应用状况蜂窝夹层构造的应用是在我们生活的各个方面，其最多的还是应用于航空航天事业上。首先介绍蜂窝夹层构造的根本特性：质量轻，比强度高，尤其是抗弯刚度高，同质量的蜂窝夹层构造复合材料其5倍。有极高的外表度和高温稳定性，易成型且不易变形，它不仅能制造成平面面板而且可以制造成单曲、双曲面板，制成车辆零部件后拆装更为便利。优良的耐腐蚀性能、绝缘性和环境适应性，可适应铁路动车组和客车各种恶劣的运用环境；另外，依据需要这类板材可以承受外表喷漆或者外表粘贴防火板处理，到达良好的装饰性、防火性。独特的回弹性，可吸取震惊能量，具有良好的隔音降噪效果，所以在民用上对于隔音减震有很大帮助。防火等级高，在患病火灾后烟密度符合高等级的国际铁路防火标准，具有良好的自熄性；放热值较低，能够形成耐火层，能降低释放出的烟雾和有毒气体，具有良好的环保性能。优异的成型制造工艺性，可满足铁道车辆内部零件外形简单、稳定性高的要求。蜂窝夹层构造的成型工艺窝夹层构造用原材料蜂窝种类蜂窝的强度与选用原材料和蜂窝几何外形有关，依据平面投影几何外形，蜂窝夹芯材料可分为六边形、菱形、矩形、正弦曲线形和有加强带六边形等。在这些蜂窝夹芯材料中，以加强带六边形强度最高，正方形蜂窝次之。由于正六边形蜂窝制造简洁，用料省，强度也较高，故应用最广。原材料夹层构造的蒙皮和夹芯材料种类很多，假设用铝、钛合金做蒙皮和芯材，则称为金属夹层构造；用玻璃钢薄板，木质胶合板和无机复合材料板做蒙皮，用玻璃钢蜂窝、纸蜂窝及泡沫塑料做夹芯材料，则称为非金属材料夹层构造。目前，以玻璃钢薄板做蒙皮、玻璃钢蜂窝和泡沫塑料做芯材的夹层构造应用最广。①玻璃纤维布〔增加材料〕 生产玻璃钢夹层构造的玻璃布分为面层布和蜂窝布两种：面层布是经过增加处理的中碱和无碱平纹布，其厚度一般为0.10.2mm为加强蒙皮和蜂窝之间的粘度强度，常在两者之间加一层短切玻璃纤维毡。选用含蜡玻璃布做蜂窝材料，可以防止树脂浸透到玻璃布反面，削减蜂窝块层间的粘接，有利于蜂窝成孔拉伸。②纸生产蜂窝夹层构造的纸，要求有良好的树脂浸润性和足够的拉伸强度。③粘接剂〔树脂〕 制造蜂窝夹层构造用的树脂分蒙皮用树脂、蜂窝用树脂和蜂窝与蒙皮粘接用树脂。依据夹层构造的使用条件，可分别选用环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、有机硅树脂及邻苯二甲酸二丙烯酯等。制造蜂窝胶条时，通常承受环氧树脂、改性酚醛树脂、聚醋酸乙烯酯胶和聚乙烯醇缩丁醛胶等。在这些胶粘剂中，环氧树脂粘接强度高，改性酚醛树脂价格低，故应用较多。聚醋酸乙烯酯胶无毒，价格廉价，可以室温固化，但用此胶制造的蜂条，不能浸聚酯胶胶液，由于聚酯树脂中的苯乙烯能溶解聚醛酸乙烯，使蜂条开胶、破坏。蜂窝夹芯制造生产玻璃布夹芯材料时，主要彩胶接拉伸法。其工艺过程是先在制造蜂窝芯材的玻璃布上涂胶条，然后重叠粘接成蜂窝叠块，固化后按需要蜂窝高度切成蜂窝条，经拉伸预成型，最终浸胶，固化定型成蜂窝芯材。制造蜂窝夹芯叠块的胶条上胶法，可以承受手械涂胶，也可以使用机械化涂胶。蜂窝夹层构造制造玻璃布蜂窝夹层构造制造技术分湿法和干法两种。①干法成型此法是先将蜂窝夹芯和面板作好，然后再将它们粘接成夹层构造。为了保证芯材和面板结实粘接，常在面板上铺一层薄毡〔浸过胶〕 ，铺上蜂窝，加热加压，使之固化成一体。这种方法制造的夹层构造，蜂芯和面板的粘接强度可提高到3MPa以上。干法成型的优点主要是产品外表光滑，平坦，生产过程中每道工序都能准时检查，产品质量简洁保证，缺点是生产周期长。②湿法成型此法是面板和蜂窝夹芯均处于未固化状态，在模具上一次胶接成型。生产时，先在模具上制好上、下面板，然后将蜂窝条浸胶拉开，放到上、下面板之间，加压〔0.010.08MP8接强度高，生产周期短，最适合于球面、壳体等异形构造产品生产。其缺点是产品外表质量差，生产过程较难掌握。32 蜂窝夹芯制造生产玻璃布夹芯材料时，主要彩胶接拉伸法。其工艺过程是先在制造蜂窝芯材的玻璃布上涂胶条，然后重叠粘接成蜂窝叠块，固化后按需要蜂窝高度切成蜂窝条，经拉伸预成型，最终浸胶，固化定型成蜂窝芯材。制造蜂窝夹芯叠块的胶条上胶法，可以承受手械涂胶，也可以使用机械化涂胶。蜂窝夹层构造制造玻璃布蜂窝夹层构造制造技术分湿法和干法两种。① 干法成型此法是先将蜂窝夹芯和面板作好，然后再将它们粘接成夹层构造。为了保证芯材和面板结实粘接，常在面板上铺一层薄毡〔浸过胶〕，铺上蜂窝，加热加压，使之固化成一体。这种方法制造的夹层构造，蜂芯和面板的粘接强度可提高到3MPa以上。干法成型的优点主要是产品外