蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料應(yīng)用研究進(jìn)展

王瑩

摘 要：文章對(duì)鋁蜂窩芯、芳綸紙蜂窩芯及其復(fù)合材料在制造工藝方面的研究成果進(jìn)行分析，對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的研究方向提出了一些建議。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有非常的隔音、隔熱以及耐老化和抗沖擊性能，因此，在應(yīng)用發(fā)展方面效果將非常好，對(duì)其應(yīng)用研究進(jìn)行分析，能夠提出更好的建議。

關(guān)鍵詞：鋁蜂窩；芳綸紙蜂窩；復(fù)合材料；力學(xué)性能

引言

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在使用方面具有很好的性能，其具有比較好的強(qiáng)度，同時(shí)，抗沖擊性能很好，在使用方面能夠進(jìn)行很好的設(shè)計(jì)，因此，在目前得到了非常廣泛的應(yīng)用，尤其在航空航天領(lǐng)域。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)越性使其成為了很多領(lǐng)域中無(wú)法替代的結(jié)構(gòu)材料。早期的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的芯材都是金屬芯材，但是，隨著科技的不斷發(fā)展，在芯材方面發(fā)生了很大的改變，發(fā)展成為了纖維性很強(qiáng)的樹(shù)脂蜂窩。目前，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是出現(xiàn)了很多種，其中，玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在應(yīng)用范圍和研究方面是發(fā)展最好的。很多的研究人員對(duì)玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的性能進(jìn)行了更好的研究，而且比較深入，對(duì)其在力學(xué)、隔音、隔熱、以及抗沖擊性能方面都做了比較好的分析。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的性能主要由蜂窩芯的材料性能決定，蜂窩芯材的高度、材質(zhì)、密度以及形狀都對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的性能有很大影響。研究人員對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料做了大量的研究，對(duì)其以后的應(yīng)用和發(fā)展非常有利。

1 鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)

鋁蜂窩芯材只要利用鋁箔來(lái)實(shí)現(xiàn)不同方式的膠接，然后通過(guò)拉伸形成不同規(guī)格的蜂窩，芯材的性能和鋁箔的厚度以及孔格的大小有直接關(guān)系，鋁蜂窩芯材能夠和不同蒙皮材料進(jìn)行復(fù)合，這樣就形成了鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有加高的力學(xué)性能，而且，在制造成本方面比較低。但是，鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在一些特定的環(huán)境中比較容易受到腐蝕，在受到?jīng)_擊以后，鋁蜂窩芯材會(huì)出現(xiàn)永久變形的情況，會(huì)導(dǎo)致蜂窩芯材和蒙皮發(fā)生分離的問(wèn)題，導(dǎo)致材料的性能降低。

一些研究人員對(duì)膠接工藝對(duì)鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的影響進(jìn)行了研究，主要從膠接劑的篩選、表面處理方法和固化工藝方面進(jìn)行了論述，使用流動(dòng)性比較好的膠膜，在表面處理方面采用磷酸陽(yáng)極化處理方式，同時(shí)，在夾層結(jié)構(gòu)方面通過(guò)對(duì)剪切強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，能夠?qū)崿F(xiàn)最佳的固化工藝。鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在粘結(jié)成型方面大面積批量生產(chǎn)面臨著非常大的問(wèn)題，因此，對(duì)面板進(jìn)行磷酸陽(yáng)極化處理非常必要，這樣能夠?qū)φ辰Y(jié)的效果進(jìn)行保證。在固化過(guò)程中，可以對(duì)鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料進(jìn)行真空袋加壓，這樣鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的性能更好。

對(duì)鋁蜂窩芯在壓縮荷載作用下的荷載位移曲線特征進(jìn)行研究，同時(shí)對(duì)在靜態(tài)下的壓縮荷載作用下的鋁蜂窩變形特征進(jìn)行掌握，可以從三個(gè)方向?qū)︿X蜂窩進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮，由于材料的不同，會(huì)導(dǎo)致蜂窩芯出現(xiàn)不斷的致密化，可以將不同方向的荷載位移曲線分為彈性區(qū)域、平緩區(qū)域和加速加強(qiáng)區(qū)域。在軸向壓縮過(guò)程中，試樣在荷載最大值位置會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)的情況，在失穩(wěn)情況下，位移曲線會(huì)出現(xiàn)一些小的峰，這個(gè)過(guò)程鋁蜂窩芯出現(xiàn)了逐步折疊失穩(wěn)的情況。一些研究人員利用數(shù)值模擬的方法對(duì)不停密度鋁蜂窩芯在壓縮荷載作用線出現(xiàn)的失效過(guò)程進(jìn)行了模擬，對(duì)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)以及破壞的不同特征進(jìn)行了總結(jié)，利用數(shù)值模擬所得到的蜂窩失穩(wěn)分岔宏觀應(yīng)力和實(shí)驗(yàn)室所得的宏觀極限應(yīng)力吻合。

對(duì)三種不同蒙皮厚度的鋁蜂窩蜂窩層和聚乙烯泡沫層進(jìn)行分開(kāi)試驗(yàn)，對(duì)比試窩夾層的結(jié)構(gòu)試樣能夠進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)可以得到，鋁蜂窩能夠吸收加高的沖擊能量，但是，其厚度會(huì)對(duì)疲勞性能帶來(lái)一定的影響。對(duì)鋁蜂窩芯和聚乙烯泡沫層施加同樣的彎曲荷載，疲勞壽命和蒙皮厚度對(duì)材料的性能進(jìn)行影響不是十分明顯，出現(xiàn)的失效模式是蜂窩和蒙皮之間的界面脫粘。對(duì)有效元模擬試樣的界面應(yīng)力進(jìn)行分析，能夠?qū)缑鎰冸x的初始位置進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2 鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)用

趙宏杰等人從蜂窩芯高度、蒙皮厚度和蜂窩芯增重三個(gè)方面對(duì)Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的吸波性能進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)：夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料反射率在-10dB以下的有效帶寬隨著蜂窩芯高度的增加逐漸向低頻擴(kuò)展；18mm高的蜂窩芯隨著蒙皮厚度的增加，其吸收峰頻率向低頻移動(dòng)，且在2～18GHz頻段的反射率均保持在-10dB以下；隨著黏附吸收劑質(zhì)量的增加，蜂窩夾層復(fù)合材料的吸收峰頻率向低頻移動(dòng)。

通過(guò)曲面響應(yīng)法表征了材料結(jié)構(gòu)對(duì)損傷容限和剩余強(qiáng)度的影響。研究從蒙皮數(shù)量、蜂窩芯密度、芯材厚度出發(fā)，對(duì)沖擊后材料的損傷演化以及剩余強(qiáng)度進(jìn)行了探討：芯材厚度以及蒙皮的鋪層方向?qū)p傷演化和剩余強(qiáng)度影響最大；提高蜂窩芯的厚度和增加碳/環(huán)氧織物層的數(shù)量可以提高剩余強(qiáng)度。損傷容限和剩余強(qiáng)度模型可以指導(dǎo)我們更好的了解夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料沖擊損傷后的力學(xué)性能，從而提高其設(shè)計(jì)性和擴(kuò)展其應(yīng)用。

通過(guò)對(duì)用于月球探測(cè)器緩沖機(jī)械的正六邊形鋁蜂窩緩沖材料進(jìn)行了模擬著陸沖擊試驗(yàn)，研究了不同著陸條件對(duì)其緩沖性能的影響。研究表明：對(duì)鋁蜂窩緩沖機(jī)構(gòu)施加相應(yīng)的預(yù)緊力可以有效提高鋁蜂窩材料的緩沖性能；鋁蜂窩材料的緩沖效率隨著探測(cè)器在月球表面著陸速度的提高而降低，在探測(cè)器多級(jí)鋁蜂窩緩沖裝置中，一級(jí)緩沖器設(shè)計(jì)對(duì)探測(cè)器能否實(shí)現(xiàn)軟著陸至關(guān)重要。

通過(guò)從蜂窩芯壁厚、蜂窩孔格邊長(zhǎng)、蜂窩芯高度、夾層結(jié)構(gòu)面板厚度以及阻尼涂層等方面對(duì)鎂合金蜂窩的隔聲性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：隔音量隨著頻率的增加而增大；蜂窩芯的空腔越大，隔音效果越顯著，增加阻尼層和阻尼涂料能顯著提高隔音量。所研制的鎂合金蜂窩可考慮不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)用于現(xiàn)行動(dòng)車(chē)組列車(chē)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中。

3 結(jié)束語(yǔ)

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在應(yīng)用方面具有很好的前景，尤其在戰(zhàn)斗機(jī)、直升機(jī)、衛(wèi)星以及賽艇方面，對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的各方面使用性能進(jìn)行研究，能夠更好的完善其性能。現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)外對(duì)鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)用研究非常廣泛，在研究方向方面主要集中在力學(xué)性能、制造工藝、耐老化性能方面，對(duì)于隔音、隔熱以及失效機(jī)理方面的研究還沒(méi)有很多人涉及，因此，在進(jìn)行研究的時(shí)候，可以利用計(jì)算機(jī)模擬軟件對(duì)這方面進(jìn)行研究。再進(jìn)行模擬的時(shí)候是會(huì)和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用情況有一定的差異，因此，對(duì)蜂窩夾層與泡沫夾層結(jié)構(gòu)的隔音和隔熱性能進(jìn)行對(duì)比，可以在以后的研究重點(diǎn)上提出以下建議。在借助數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)方法模擬對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料進(jìn)行研究的時(shí)候，可以對(duì)實(shí)際的使用條件進(jìn)行考慮，這樣能夠?qū)⒗碚撚?jì)算和實(shí)際情況進(jìn)行更緊密的結(jié)合。對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料構(gòu)件實(shí)際使用情況進(jìn)行研究，能夠在隔音和隔熱方面取得更好的研究成果，將蜂窩夾層和泡沫夾層結(jié)構(gòu)材料的對(duì)比研究作為重點(diǎn)，在隔熱和隔音性能方面能夠取得更好的優(yōu)勢(shì)。在微觀方面，可以對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在受到?jīng)_擊和壓縮荷載作用下的失效機(jī)理進(jìn)行研究，在應(yīng)用發(fā)展方面能夠獲得更好的效果。

參考文獻(xiàn)

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