蜂窝夹层结构的低温力学性能

1998年第4期低　温　工　程N o .4　1998 总第104期CR YO GEN I CSSum N o .104　 于1998年3月9日收到。

张建可,男,44岁,副研究员。

蜂窝夹层结构的低温力学性能张建可　冀勇夫　李智华(兰州物理研究所　兰州　730000) 摘要　以选定的一种蜂窝夹层结构为例,对其低温力学性能即拉伸、压缩、剪切等进行了各种外界环境包括温度、粒子辐照、紫外辐照、冷热循环等影响前后的性能测试和研究。

在大量试验的基础上,通过理论分析,找出了影响其低温力学性能的主要因素和变化规律,建立了用已知参数或常温参数推算蜂窝夹层结构低温力学性能的数学模型和计算公式。

该模型的建立对于蜂窝夹层结构低温力学性能的设计具有较重要的指导意义。

主题词　蜂窝夹层结构　低温力学性能　计算公式1　前言蜂窝夹层结构具有重量轻、强度高、刚性好等特点,通过改变夹层结构材料、结构尺寸、结构工艺可广泛用于宇航、航空等工程领域。

在常温下,其力学性能及变化规律和影响因素已进行了广泛的研究和讨论[1,2],但对于使用在低温及其它特殊环境下的力学性能及变化规律研究较少。

本文以一种碳纤维网状单层面板铝蜂窝夹芯结构为特例,对其低温力学性能进行测试研究。

由于蜂窝夹芯结构种类繁多,性能受工艺、结构、材料影响较大,加上试验条件有限,只能从中找出一些具有普遍意义的规律性东西,供研究参考。

我们研究的试样结构及试样方向示意图,见图1。

试样两面是M 40碳纤维和环氧648复合的单向排布层板组成的正交网格,网孔尺寸为3mm ×3mm ,面板厚度约为012mm 。

蜂窝芯是美国H EXCEL 公司生产的,采用了5056铝合金,铝箔厚度为010178mm ,孔尺寸为91525mm ,蜂窝等效密度为16kg m 3。

2　测试结果与试样分析试样均采用通常的试验方法[3],试样为60mm ×60mm ×25mm 的正方形,其力学性能与温度的关系见图2～图4。

图1　试样结构及试样方向示意图从试验数据可以看出,对平面拉伸试样来说,温度下降,拉伸强度下降。

分析其原因,主图2　拉伸强度、模量与温度关系曲线图3　剪切强度、模量与温度关系曲线要是因为蜂窝夹芯结构是由胶、面板材料和芯子胶接而成,对于平面拉伸试样来说,受力方向沿结构的T 方向。

芯子和胶的强度起了主要作用。

对于铝箔蜂窝芯子而言,沿T 方向上强度较高,且铝箔蜂窝芯子与面板粘接面积又少,因此,胶的粘接强度起了决定性作用。

大多试验进行后,试样芯子均完好就证明了这一点。

在蜂窝夹芯结构中,都有这一特点。

由于粘接用的这种胶耐低温性能较差,低温下发生了冷脆。

温度越低,强度下降,表现为整个蜂窝结构的平面强度下降。

为了证实这点,对使用的粘接剂进行了低温强度测试。

随温度下降,胶接剂的强度下降,证实了上述分析。

平面拉伸试样的拉伸模量主要取决于铝箔蜂窝芯子的材料和结构,因为它们的变形直接明显的影响模量数值。

随温度下降,变化规律完全符合一般材料变化规律即分子内聚力增加、硬度上升、弹性减少、弹性模量增加。

对于剪切试样来说,剪切力沿试样的W 或L 方向,很显然,受力的主要环节在蜂窝芯子,34第4期蜂窝夹层结构的低温力学性能其抗剪力很小,只要蜂窝芯子变形失稳,试样就认为被破坏了。

因此,铝箔蜂窝芯子的行为代表了试样剪切的行为。

压缩试样也是如此,铝箔蜂窝芯子的受压行为与试样的受压行为相似。

所以,压缩、剪切强度、模量随温度下降而增加。

图4　压缩强度、模量与温度关系曲线3　其它外界环境的影响为了进一步研究其它外界环境对蜂窝夹芯结构力学性能的影响,我们做了大量的试验,其中包括对这些材料进行冷热循环、Co 60粒子辐照、紫外线辐照等,对其力学性能变化进行了测试、比较。

结果见下表1～表3。

表1　蜂窝夹芯结构296K 力学性能力学性能常　规冷热循环(18次)153～353KCo 60辐照103Gy (Si )Co 60辐照105Gy (Si )紫外线辐照6000J c m 2备　注拉伸强度 M Pa 1154611212018600172501616平均值拉伸模量 M Pa 2415825194241782514723180平均值剪切强度 M Pa 0128101241012840128601289平均值剪切模量 M Pa 6109151741611256124151896平均值压缩强度 M Pa 0160201595015900160001596平均值压缩模量 M Pa2616127158271022614923182平均值表2　蜂窝夹芯结构213K 力学性能力学性能常　规冷热循环(18次)153～353KCo 60辐照103Gy (Si )Co 60辐照105Gy (Si )紫外线辐照6000J c m 2备　注拉伸强度 M Pa 1132601919016940157101562平均值拉伸模量 M Pa 2811928141281612716528110平均值剪切强度 M Pa 0136801346013510134201349平均值剪切模量 M Pa 8106781090719438150181045平均值压缩强度 M Pa 0172901716017320171901714平均值压缩模量 M Pa2912630121301033012628109平均值44低　温　工　程1998年表3　蜂窝夹芯结构153K 力学性能力学性能常规冷热循环(18次)153～353KCo 60　辐照103Gy (Si )Co 60　辐照105Gy (Si )紫外线辐照6000J c m 2备　注拉伸强度 M Pa 1110601742016020154301523平均值拉伸模量 M Pa 3416533124331933413734188平均值剪切强度 M Pa 0142001417014280142401416平均值剪切模量 M Pa 9126591517916379149891415平均值压缩强度 M Pa 0183301823018220183101828平均值压缩模量 M Pa3218331181301643019334188平均值 从表中可以看出,对力学性能影响较大的是紫外线辐照和粒子辐照,主要原因是因为,蜂窝夹芯结构的胶粘剂是有机材料,对辐照较敏感,相对较大剂量的辐照使有机材料发生了分子断链,使拉伸强度下降,而同一剂量的辐照对金属材料即铝箔蜂窝芯子影响较小,对于铝箔蜂窝芯子起主要作用的力学性能就影响小些4　蜂窝夹芯结构低温力学性能的估算关于蜂窝夹芯结构力学性能的估算,有关学者已做了大量研究[1,2],但由于蜂窝夹芯结构的不规则性和计算模型的一些假设和近似,纯粹的数学计算其结果偏差较大。

经计算,偏差可大过一二个数量级。

通过试验发现,为了满足设计需求,减少计算偏差,可以采用大量经验公式。

根据上述分析,可以采用以下一些方法来估算蜂窝夹芯结构的低温力学性能。

411　低温平面拉伸强度的估算如前所述,平面拉伸性能主要取决于蜂窝夹芯结构胶粘剂的拉伸强度。

在我们的试验中发现,胶粘剂的拉伸强度与蜂窝夹芯结构的拉伸强度存在一个线性关系即相差一个常数,且在低温下基本不变,即Ρ=Ρ1C(1)式中　Ρ——蜂窝夹芯结构的低温拉伸强度,M Pa ;Ρ1——胶粘剂的低温拉伸强度,M Pa ;C ——常数,由常温数据确定。

只要测出或知道胶粘剂的常温、低温拉伸强度,测出蜂窝夹芯结构的常温拉伸强度,就可计算出常数,从而推算出蜂窝夹芯结构的低温拉伸强度。

表4是一个计算实例,计算结构与测试数据较吻合。

表4　计算实例温度 K测出的胶粘剂拉伸强度 M Pa测出的夹芯结构拉伸强度 M Pa计算的夹芯结构拉伸强度 M Pa偏差 %备注29636.671.546常数为23.721331.171.3261.315-0.815326.441.1061.116+0.9412　其它力学性能的估算蜂窝夹芯结构的其它力学性能,大多与蜂窝芯有关,蜂窝芯的强度、模量直接影响蜂窝54第4期蜂窝夹层结构的低温力学性能64低　温　工　程1998年结构的平面拉伸模量、平面压缩强度、模量和剪切强度、模量。

由于试样破坏以蜂窝芯子失稳或破坏为限,所以蜂窝芯子的力学性能不仅受材料性能影响也受蜂窝尺寸的影响。

在低温下,还要受低温收缩的影响。

如果按常温计算公式(1),仅靠蜂窝芯的性能变化来推算低温性能则会带来较大偏差。

因此,其它低温力学性能的推算,尚待进一步研究。

5　结论(1)在试样破坏时蜂窝芯子首先失稳、破坏的前题下,蜂窝夹芯结构的低温平面拉伸强度主要取决于胶粘剂拉伸强度,其它力学性能主要取决于蜂窝芯子的低温力学行为和胶粘剂、结构尺寸及低温收缩等复杂因素;(2)诸多外界环境对蜂窝夹芯结构力学性能的影响中,除温度影响外,以粒子辐照和紫外辐照影响最大;(3)已知胶粘剂的常温和低温拉伸强度,只要测出蜂窝结构常温拉伸强度,确定出常数,即可推算出蜂窝结构的低温拉伸强度。

参考文献1　尹祥址.蜂窝夹芯结构的设计与工艺.长沙:中国人民解放军国防科技大学出版社,19822　Structural sandw ich compo sites,M I L HDBK23A,19683　M echanical P roperties and T est M ethods,《TBS120M echanical P roperties of H EXCEL Honeycom b M aterials》,H EX2 CEL Co rpo rati on,1992,7～9M ECHAN I CAL PROPERT IES OF HONEYCOM BSANDW I CH STRUCTURE AT LOW TE M PERATUREZhang J ianke　J i　Youngfu　L i Zh ihua(L anzhou Institute of Physics,L anzhou730000)ABSTRACT　T he m echan ical p rop erties of a k ind of honeycom b sandw ich structu re under effects of low tem p eratu re,p article radiati on,u ltravi o let ray and ho t co ld cycles etc.,such as stretch,com p ress and shear,have been m easu red and researched.O n the basis of a lo t of exp eri m en t data,the m ain facto rs and regu larity effecting the m echan ical p rop erties at low tem p eratu re have been found.T he m athem atic m odel and calcu lating fo rm u las po ssessing general sign ificance have been bu ilt and the m echan ical p rop erties of honeycom b sandw ich structu re at low tem p eratu re can be calcu lated by know n p aram eters o r room tem p eratu re p a2 ram eters.T he m odel and fo rm u las are very i m po rtan t fo r gu iding the design of the m echan i2 cal p rop erties of honeycom b sandw ich structu re at low tem p eratu re.KEYWORD S　honeycom b sandw ich structu re;m echan ical p rop erties at low tem p eratu re;calcu lated fo rm u las。