蜂窩夾層結構消音板平壓試驗研究

摘 要：通過對蜂窩夾層結構消音板壓縮試驗研究，建立蜂窩結構壓縮應力隨壓縮應變變化曲線，得到不同位移載荷下芯材的變形特點，試驗結果曲線驗證了蜂窩紙板壓縮過程經歷的4個階段，與理論曲線吻合。從試驗結果來看，該芳綸纖維增強蜂窩夾層結構復合材料作為某新機用風扇消音板材料滿足力學性能要求。

關鍵詞：蜂窩夾層結構；消音板平壓；試驗

引言

蜂窩夾層結構是一種復雜的結構形式，有減輕重量，改善隔熱性能的作用。夾層結構由上、下蒙皮和中間夾芯層所組成。通常用粘接劑將上、下蒙皮與芯子膠接成為整體剛性結構。蜂窩結構，是通過使用最少的材質，從而得到比較大的容積和強度，因此被廣泛應用在航空航天領域。某新機在研制過程中選用蜂窩夾層結構復合材料作為消音板主要材料以達到抗震、隔熱、隔音的作用。該復合材料消音板結構由曲面形面板、蜂窩夾芯、背板三部分組成，其中面板為帶翻邊的芳綸-纖維增強環氧樹脂基復合材料；夾芯為芳綸紙經過涂膠、疊合、壓制、拉伸、定型、浸膠、固化、片切等一系列復雜工藝制作出的六邊形芳綸紙蜂窩；背板為玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料。面板表面分布著大量的聲學微孔，并涂有抗沖刷的阻尼涂層。由于制作工藝、設計水平和生產管理等影響，由高性能芯材制成的復合材料夾層結構的綜合性能不一定如設計所愿滿足要求。所以，對夾層結構還要通過專門的試驗測試來檢驗其實際效果。

1 研究目標

1.1 試驗目的

由于軟件及設備的限制，本次研究僅針對考察材料性能是否滿足要求出發進行試驗，并對實際壓潰過程進行考察。試驗的目的是給出蜂窩結構的平面壓縮測試方法，建立材料壓縮應力隨應變變化的曲線，得到不同位移載荷下芯材的變形特點，為材料評價和結構設計提供依據。

1.2 試驗材料

某新機在研制過程中選用蜂窩夾層結構復合材料作為消音板主要材料，該復合材料結構由曲面形面板、蜂窩夾芯、背板三部分組成。其中面板為芳綸-纖維增強環氧樹脂基復合材料；夾芯為芳綸紙經過涂膠、疊合、壓制、拉伸、定型、浸膠、固化、片切等一系列復雜工藝制作出的六邊形芳綸紙蜂窩；背板為玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料。面板表面分布著大量的聲學微孔，并涂有抗沖刷的阻尼涂層。由于取材方便本次選取60*60mm的正方形進行平壓試驗。

1.3 試驗原理

蜂窩紙板是根據自然界蜂巢結構原理制作的，包括三個部分：兩層面紙、蜂窩芯紙、膠粘劑。芯紙為主要受力件，承受剪應力和壓應力，所以蜂窩紙板的屈曲行為也主要表現為芯紙的屈曲。蜂窩材料理論壓縮過程芯材的壓縮性能是最基本的材料性能，是在垂直于芯材平面施加壓力載荷，直至破壞，檢測芯材試樣承受壓力載荷的能力，同時測量壓力載荷下試樣變形的大小。芯材的性能與材料的種類、結構形式、格孔大小、涂膠量、密度和制造工藝密切相關。通過對蜂窩紙板的試驗理論研究可知，蜂窩紙板壓縮過程經歷4個階段：線彈性階段、彈塑性階段、塑性坍塌階段、密實化階段。

2 試驗

2.1 試驗裝置

采用INSTRON 5569電子拉力機，量程為2KN，上下壓塊為INSTRON壓縮試驗專用夾具，端面光滑，且兩端面平行，滿足剛度要求。

2.2 試驗過程

2.2.1 平壓強度的測試按照GB/T5413-2005《夾層結構或芯子平壓試驗性能試驗方法》來進行，采用連續加載。將已測量過尺寸的試樣，放置于試驗機的圓盤支座上，使試樣置于上下壓塊的中心，并使試樣與壓塊對齊。上下壓塊平行并垂直于加載方向，使載荷均勻施加于試樣表面，試驗速度1mm/min，連續施加載荷，直至試樣破壞，觀察破壞模式。得到壓縮載荷及壓縮強度數據，見表1。

2.2.2 曲線繪制將試驗測得的關于力-位移數據轉換成應力-應變數據，在Minitab軟件中繪制出應力-應變曲線。如圖1所示：

3 結果討論與分析

通過觀察壓縮破壞過程，可知蜂窩結構的壓縮破壞過程實際上是芯材的破壞過程。復合板的破壞總是出現在芯材的端面面板近端，表明這里是應力集中的部分，而面板的破壞比較少，說明材料的壓縮強度主要是芯材的強度。同時在對多夾層蜂窩紙板進行實驗后發現，有缺陷的夾層先進入塑性坍塌階段。

試驗結果曲線顯示出蜂窩材料壓縮過程經歷的4個階段和理論曲線是一致的。在試驗過程中觀察到在彈性階段：強度隨位移的增加而增加；彈塑性階段：強度隨壓縮位移的增加而變小，局部開始屈服；塑性階段：強度隨位移的增加基本不變；密實化階段：強度隨位移的增加而急劇增大，此時紙板完全失去彈性。由曲線可以看出由彈性區域到屈服有一個臨界應力，這是對材料性能影響比較大的。此外，從圖中還可看出材料在坍塌平臺區具有良好的吸能效果。

4 結束語

（1）蜂窩結構的壓縮破壞過程實際上是芯材的破壞過程。平壓試驗結果曲線表明蜂窩材料壓縮經歷4個階段：線彈性階段、彈塑性階段、塑性坍塌階段、密實化階段。

（2）從試驗結果來看，該芳綸纖維增強蜂窩夾層結構復合材料作為某新機風扇消音板材料能夠滿足力學性能要求。

參考文獻

[1]李鵬芳.蜂窩紙板靜態壓縮試驗研究及其模擬分析[J].包裝工程，2010，01.

[2]赫巍.國產對位芳綸紙蜂窩性能的研究[J].高科技纖維與應用，2009（6）.

[3]航空非金屬性能檢測人員資格鑒定委員會.復合材料測試[Z].2012.

作者簡介：張麗娜（1978，08-），女，遼寧省本溪市人，高級工程師，畢業于哈爾濱工程大學化學工程系，現任沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司技術中心四級技術專家，從事非金屬材料檢測及研發工作。