蜂窝夹层结构复合材料

1.1.夹层结构

一种复合构造的板、壳结构，它的两个表面由很薄的板材做成,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。第二次世界大战时,为了充分利用木材资源,英国的“蚊式”轰炸机上就采用了全木质夹层结构。一般夹层结构用于机翼、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。与薄壁结构的薄蒙皮相比，夹层板的厚度大得多，抵抗失稳能力强，重量还可减小，而且表面光滑，气动外形良好。但它的制造工艺复杂，工艺质量又不易检验，所以应用受到限制。夹层结构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纹板夹层或蜂窝型夹层（见蜂窝结构）。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。夹层结构与一般板壳结构受力分析的唯一差别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。夹层结构的两表板之间距离较大，所以夹层结构的弯曲刚度比一般板壳结构大得多，失稳临界应力显著提高。夹层结构自身不用铆钉,免除了钉孔引起的应力集中,提高了疲劳强度。夹层结构与相邻结构的连接较为复杂，夹层本身的局部接触强度较弱,又需承受连接的集中力,因此必须妥善进行接头设计。

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：泡沫夹层结构、波板夹层结构、蜂窝夹层结构等。特点：轻质夹芯

高强度面层

泡沫夹层结构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

蜂窝夹层结构的夹芯材料是蜂窝材料(玻璃布蜂窝、纸蜂窝、棉布蜂窝等)

特点：质量轻、强度大、刚度大

应用：构件尺寸较大、强度要求较高的部件。如图：

波板夹层结构

波板夹层结构的夹芯材料是波纹板(玻璃钢波纹板、纸基波纹板和棉布波纹板)。

特点：制作简单，节省材料，但不适用于曲面形状的制品，质量轻、刚度大。

2 .蜂窝夹层结构

2.1.概念性说明

蜂窝夹层结构是复合材料的一种特殊类型。由于这种轻型结构材料具有最优比强度、比刚度、最大抗疲劳性能、表面平整光滑等特点 ,已在中国航天领域得到较为广泛地应用。蜂窝夹层结构实质上是由3 种基本材料组合而成的复合材料 ,这为结构人员提供了广泛改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 - 铝蜂窝夹层结构、碳纤维面板 -铝蜂窝夹层结构、玻璃钢面板 - 玻璃钢蜂窝夹层结构、芙拉纤维面板 -凯Nomex 蜂窝夹层结构等 ,其特点是结构较为复杂 ,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容易出现各种损伤。文章结合研制生产实践 ,分析了蜂窝夹层结构复合材料的几种主要破坏模式 ,从而可采取相应措施 ,防止各种损伤破坏 ,提高产品质量。

2.2 .蜂窝夹层结构的组成

蜂窝夹层结构由 3 个元件组成：

1) 一对薄而强的面板 ,以承受轴向载荷、弯矩和面内剪力 ;

2) 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;

3) 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蜂窝夹层结构常用面板材料、蜂窝芯材和胶粘剂

2.2.1.面板材料

面板的主要功能是提供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 ,在卫星结构中 ,面板常用预浸树脂石墨纤维单向带或织物 ,也有采用铝合金面板或玻璃钢面板等 ,面板的选择按实际使用要求选定。

2.2.2.蜂窝芯子

蜂窝芯子形状主要采用正六边形。航天结构中的蜂窝芯子材料一般采用铝蜂窝芯子、Nomex 蜂窝芯子及玻璃钢蜂窝芯子。

2.2.

3.胶粘剂

胶粘剂是蜂窝夹层结构复合材料研制生产中的重要材料 ,它对蜂窝夹层结构复合材料的力学性能和制造工艺性能有一定影响。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、使用方便 ,同时在现有储存条件下储存期不低于 6 个月。对于蜂窝夹层结构复合材料不同的使用部位和不同的要求 ,可选用下列各种胶粘剂 :

1) 结构胶粘剂—用于面板和蜂窝芯子胶接 ;

2) 泡沫胶粘剂—用于蜂窝芯子与预埋件胶接、局部填充和加强 ;

3) 拼接胶粘剂—用于大面积蜂窝芯子的拼接 ;

4) 灌注胶粘剂—用于蜂窝夹层结构件成型后镶嵌件的后埋 ;

5) 胶接热管胶粘剂—用于蜂窝夹层结构件中的热管胶接。

2.3.蜂窝夹层结构复合材料力学性能特性

蜂窝夹层结构的主要特点是上、下面板的材料厚度一般情况下均相同 ,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。根据夹层板力学分析基本理论 ,其主要力学性能特征如下 :

1) 弯矩主要由面板承担。蜂窝夹层结构复合材料由面板承担的弯矩要远大于由芯子承担的弯矩 ;

2) 面板中的应力沿厚度接近均匀分布。由于蜂窝夹层结构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 ;

3) 横向剪力主要由芯子承担。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 ,能承担的横向剪力不大 ,横向剪力主要由芯子承担;

4) 通常不能忽略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忽略 ;

5) 芯子具有支持面板避免失稳的作用。蜂窝夹层板的芯子将提供薄面板的横向支承 ,避免面板的局部失稳。

2.4.蜂窝夹层结构应用情况

蜂窝夹层结构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。首先介绍蜂窝夹层结构的基本特性：

（1）质量轻，比强度高，尤其是抗弯刚度高，同质量的蜂窝夹层结构复合材料其抗弯刚度约为铝合金的5倍。

（2）有极高的表面度和高温稳定性，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方便。（3）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，根据需要这类板材可以采用表面喷漆或者表面粘贴防火板处理，达到良好的装饰性、防火性。

（4）独特的回弹性，可吸收震动能量，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。

（5）防火等级高，在遭遇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。

（6）优异的成型制造工艺性，可满足铁道车辆内部零件形状复杂、稳定性高的要求。

3. 蜂窝夹层结构的成型工艺

3.1.窝夹层结构用原材料

（1）蜂窝种类蜂窝的强度与选用原材料和蜂窝几何形状有关，根据平面投影几何形状，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单，用料省，强度也较高，故应用最广。

（2）原材料夹层结构的蒙皮和夹芯材料种类很多，如果用铝、钛合金做蒙皮和芯材，则称为金属夹层结构；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结构。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结构应用最广。①玻璃纤维布（增强材料）生产玻璃钢夹层结构的玻璃布分为面层布和蜂窝布两种：面层布是经过增强处理的中碱和无碱平纹布，其厚度一般为0.1～0.2mm。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背面，减少蜂窝块层间的粘接，有利于蜂窝成孔拉伸。②纸生产蜂窝夹层结构的纸，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）制造蜂窝夹层结构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。根据夹层结构的使用条件，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，通常采用环氧树脂、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，价格便宜，可以室温固化，但用此胶制造的蜂条，不能浸聚酯胶胶液，因为聚酯树脂中的苯乙烯能溶解聚醛酸乙烯，使蜂条开胶、破坏。

（3）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，最后浸胶，固化定型成蜂窝芯材。制造蜂窝夹芯叠块的胶条上胶法，可以采用手械涂胶，也可以使用机械化涂胶。

（4）蜂窝夹层结构制造玻璃布蜂窝夹层结构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结构。为了保证芯材和面板牢固粘接，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结构，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表面光滑，平整，生产过程中每道工序都能及时检查，产品质量容易保证，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（0.01～0.08MPa）、固化，脱模后修整成产品。湿法成型的优点是蜂窝和面板间粘接强度高，生产周期短，最适合于球面、壳体等异形结构产品生产。其缺点是产品表面质量差，生产过程较难控制。

3.2.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，最后浸胶，固化定型成蜂窝芯材。制造蜂窝夹芯叠块的胶条上胶法，可以采用手械涂胶，也可以使用机械化涂胶。

蜂窝夹层结构制造玻璃布蜂窝夹层结构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

层结构。为了保证芯材和面板牢固粘接，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

层结构，蜂芯和面板的粘接强度可提高到3MPa以上。干法成型的优

点主要是产品表面光滑，平整，生产过程中每道工序都能及时检查，

产品质量容易保证，缺点是生产周期长。

②②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（0.01～0.08MPa）、固化，脱模

后修整成产品。湿法成型的优点是蜂窝和面板间粘接强度高，生产周

期短，最适合于球面、壳体等异形结构产品生产。其缺点是产品表面

质量差，生产过程较难控制。