蜂窝夹层结构复合材料应用研究进展

蜂窝夹层结构复合材料应用研究进展摘要：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，蜂窝夹层结构复合材料在应用范围和研究方面是发展最好的。

关键词：蜂窝；夹层结构；应用

蜂窝夹层结构复合材料因其具有比强度高、抗冲击性能好、减振、透微波、可设计性强等优点，目前已经被广泛应用，特别是航空航天领域，蜂窝夹层结构以其优越的性能成为该领域不可缺少的结构材料之一。早期的蜂窝夹层结构复合材料芯材大多数为金属芯材，随后出现了纸蜂窝夹层结构复合材料以及纤维增强树脂蜂窝等蜂窝芯材。目前的蜂窝夹层结构复合材料主要分为铝蜂窝夹层结构复合材料、Nomex纸蜂窝夹层结构复合材料、玻璃钢夹层结构复合材料、棉布蜂窝夹层结构复合材料等，其中玻璃钢夹层结构复合材料已得到广泛的研究和应用。

一、蜂窝夹层结构性能分析

蜂窝夹层结构不仅相对强度和相对刚度比较大，同时还具有如下性能特点：（1）密度小：由于蜂窝芯层是由许多相互毗连的空心蜂窝单元组成，其实体蜂窝壁的所占体积较小，因此蜂窝夹层结构的密度也比较小。（2）良好的平整度和刚性：蜂窝夹层结构在受外力作用时，由于每个蜂窝单元周围存在六个蜂窝单元相互牵制和作用，使其受载能力更强，因此蜂窝夹层结构具有较好的平整性和刚性，即使受到很大的面外载荷，也能在一定范围内防止该结构因发生较大变形而破坏和失效。（3）较强的减震性能：由于蜂窝芯层中存在大量充满空气的密闭空间，当其受到振动冲击时，蜂窝单元内部会产生很多内耗，可以实现一定程度的缓冲作用，从而化解振动产生的能量。（4）疲劳性能好：由于蜂窝夹层板是由蜂窝芯层和上下面板经过焊接或胶接的方法制作而成，因此和一般的铆接结构相比，应力集中更小，长期工作下的疲劳损伤更小，从而使蜂窝结构的抗疲劳性能显著提升。（5）优越的隔音、隔热性能：蜂窝夹层结构中实体部分为蜂窝壁，只占总体积的百分之二左右，其余均是密闭空间，里面充满大量的空气。众所周知，相比于固体介质，空气在隔音、隔热方面表现更为出色。由于以空气作为介质，声波和热量在传递过程中均受到一定程度限制，从而大大提高了该结构的隔音和隔热性能。

二、铝蜂窝夹层结构

铝蜂窝芯材主要由铝箔以不同的胶接方式胶接，通过拉伸而制成不同规格的蜂窝，芯材的性能主要通过铝箔的厚度和孔格大小来控制，再将铝蜂窝芯材和不同的蒙皮材料复合，形成铝蜂窝夹层结构复合材料。铝蜂窝夹层结构复合材料具有较高的力学性能，其芯材铝蜂窝的制造成本也相对较低。但铝蜂窝夹层结构复合材料在某些环境中使用时易腐蚀，在受到冲击后，铝蜂窝芯材会发生永久变形，使蜂窝芯材与蒙皮发生分离，导致材料的性能降低。部分研究者从胶接工艺对铝蜂窝夹层结构复合材料进行了研究。从胶黏剂筛选、表面处理方法和固化工艺方面对铝蜂窝夹层结构的胶接工艺进行了研究。选择了流动性较好的胶膜;在对表面处理方式的研究中采用磷酸阳极化处理;通过对剪切强度的对比确定了夹层结构的最佳固化工艺。铝蜂窝夹层结构的大面积粘接成型一直是夹层结构批量生产的难题，为此，对铝蜂窝和面板进行了磷酸阳极化，并在固化过程中对铝蜂窝夹层结构复合材料进行真空袋加压，试验所得铝蜂窝夹层结构复合材料具有较好的性能。将铝蜂窝材料和聚苯乙烯泡沫材料设计为摩托车头盔内衬，用于吸收冲击能量，研究压缩载荷作用下铝蜂窝和泡沫之间的相互作用。在铝蜂窝和聚苯乙烯泡沫材料制成的双层结构上施加准静态和冲击压缩载荷，观察其变形模式，确定它们的能量吸收特性和加载速度对其力学响应的影响，并将蜂窝层与聚乙烯泡沫层分开进行以上试验。对比试验结果发现，虽然铝蜂窝吸收了较高的冲击能量，但它与聚苯乙烯泡沫之间的耦合能使头部受到最好的保护。

三、窝夹层结构复合材料的应用

蜂窝夹层结构复合材料现具有以下基本性能：(1)质量轻，比强度高，尤其是抗弯刚度高。(2)有极高的表面平面度和高温稳定性，易成型且不易变形。(3)具有良好的自熄性；放热值较低，能够形成耐火层。(4)优异的成型制造工艺性：可以满足车辆内部零部件形状复杂、稳定性要求高的要求。(5)环境适应性：蜂窝夹层结构复合材料能够长时间地适应温度、湿度不断变化的运用环境条件，而不发生承载能力下降、变形、开裂、腐朽、老化等现象。(6)隔声减振性。在汽车工业中纸蜂窝夹芯结构复合板可被应用于行李箱底板、车内地板、备用胎隔板、车内隔板、搁物板、座椅以及天窗板等处，比强度、比刚度高，抗震，导热系数低以及隔热，隔音等优点，它的应用对汽车轻量化设计可以起到重要的作用，使汽车质量更轻，抗撞击性能更好，安全性、舒适性得到较好的保证，是当前的发展方向之一。蜂窝夹层结构复合材料也可广泛应用于家具行业，它密封性好，可直接成型为异型，家具形式多样、价格低廉、耐用度好，具有很好的发展空间。同时在交通行业也可采用蜂窝夹层结构复合材料板制造高速列车车厢的侧板、顶板和行李问等，从而使车厢结构最佳化，降低车厢的重心以及车轴、轨道的负荷，使列车的的速度大大提高，降低钢铁材料的需求，既能节约钢铁资源，又能在减少动力消耗及维修费用方面得到提升。还能将其应用于航天航空产业，用于作为直升机，战斗机，客机的生产材料等，也可以作为建筑材料应用于建筑领域。

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。蜂窝夹层结构复合材料具有优越的性能，同时对减少固体废物排放量、保护生态环境等都非常有益，它不仅具有良好的经济和社会效益，尤其在“低碳经济”理念环境下，其产业化应用前景和发展空间更为广阔。

参考文献：

［1］王兴业，杨孚标，曾竟成．夹层结构复合材料设计原理及其应用［M