蜂窩夾層結構復合材料

1、1.1.夾層結構一種復合構造的板、殼結構，它的兩個表面由很薄的板材做成，中間火以較輕的夾芯層。前者稱為表板，要求強度高；后者稱為夾層，要求重量輕。第二次世界大戰(zhàn)時，為了充分利用木材資源，英國的“蚊式”轟炸機上就采用了全木質(zhì)夾層結構。一般夾層結構用于機翼、尾翼、機身、箭體、箭頭、減速板、發(fā)動機短艙、隔音裝置、防火隔板等。與薄壁結構的薄蒙皮相比，夾層板的厚度大得多，抵抗失穩(wěn)能力強，重量還可減小，而且表面光滑，氣動外形良好。但它的制造工藝復雜，工藝質(zhì)量又不易檢驗，所以應用受到限制。夾層結構表板的材料有鋁合金、不銹鋼、鈦合金和各種復合材料。夾層材料有輕質(zhì)木材、泡沫塑料等，也可用金屬材料或復合材料制成波

2、紋板夾層或蜂窩型夾層（見蜂窩結構）。夾層與表板一般用膠粘結在一起，也可用熔焊、焊接連接，形成整體。在總體受力分析中，認為上、下兩表板只承受表板面內(nèi)的拉、壓力和剪切力，不能承受彎矩和扭矩，而中間夾層只承受垂直于夾層中面的切力。夾層結構與一般板殼結構受力分析的唯一差別在于撓度計算中除了考慮彎曲力矩產(chǎn)生的撓度外，還要考慮剪力的影響。夾層結構的兩表板之間距離較大，所以夾層結構的彎曲剛度比一般板殼結構大得多，失穩(wěn)臨界應力顯著提高。夾層結構自身不用怫釘，免除了釘孔引起的應力集中，提高了疲勞強度。夾層結構與相鄰結構的連接較為復雜，夾層本身的局部接觸強度較弱，又需承受連接的集中力，因此必須妥善進行接頭設計。1

3、.1.類型、特點及應用類型：按面層分類：玻璃鋼、金屬、絕緣紙、膠合板、塑料板等按芯層分類：泡沫夾層結構、波板夾層結構、蜂窩夾層結構等。特點：泡沫夾層結構的夾芯材料是泡沫塑料其質(zhì)量輕、剛度大、保溫隔熱性能好。但是強度不高蜂窩夾層結構的夾芯材料是蜂窩材料（玻璃布蜂窩、紙蜂窩、棉布蜂窩等）特點：質(zhì)量輕、強度大、剛度大波板夾層結構波板夾層結構的夾芯材料是波紋板（玻璃鋼波紋板、紙基波紋板和棉布波紋板）。特點：制作簡單，節(jié)省材料，但不適用于曲面形狀的制品，質(zhì)量輕、剛度大。2.蜂窩夾層結構2.1 .概念性說明蜂窩夾層結構是復合材料的一種特殊類型。由于這種輕型結構材料具有最優(yōu)比強度、比剛度、最大抗疲勞性能、表

4、面平整光滑等特點，已在中國航天領域得到較為廣泛地應用。蜂窩夾層結構實質(zhì)上是由3種基本材料組合而成的復合材料，這為結構人員提供了廣泛改變參數(shù)以滿足設計技術指標的可能性。目前在型號任務中最常用的為鋁面板-鋁蜂窩夾層結構、碳纖維面板-鋁蜂窩夾層結構、玻璃鋼面板-玻璃鋼蜂窩夾層結構、芙拉纖維面板-凱Nomex蜂窩夾層結構等，其特點是結構較為復雜，外形尺寸精度要求高、工序內(nèi)容多、研制周期長。其輕質(zhì)高強的特點在研制、試驗裝配和搬運過程中容易出現(xiàn)各種損傷。文章結合研制生產(chǎn)實踐，分析了蜂窩夾層結構復合材料的幾種主要破壞模式，從而可采取相應措施，防止各種損傷破壞，提高產(chǎn)品質(zhì)量。2.2 .蜂窩夾層結構的組成蜂窩夾

5、層結構由3個元件組成：1）一對薄而強的面板，以承受軸向載荷、彎矩和面內(nèi)剪力；2）厚而輕的蜂窩芯子，它將上、下面板隔開，以承受由一個面板傳遞到另一個面板的載荷和橫向剪力；3）膠粘劑，它能將剪力傳遞至蜂窩芯子和由蜂窩芯子傳遞只面板2.3蜂窩夾層結構常用面板材料、蜂窩芯材和膠粘劑3 面板材料面板的主要功能是提供要求的軸向彎曲和面內(nèi)剪切剛度，以承受軸向彎曲和面內(nèi)剪切載荷，在衛(wèi)星結構中，面板常用預浸樹脂石墨纖維單向帶或織物，也有采用鋁合金面板或玻璃鋼面板等，面板的選擇按實際使用要求選定。3 蜂窩芯子蜂窩芯子形狀主要采用正六邊形。航天結構中的蜂窩芯子材料一般采用鋁蜂窩芯子、Nomex蜂窩芯子及玻璃鋼蜂窩芯

6、子。3 膠粘齊I膠粘劑是蜂窩夾層結構復合材料研制生產(chǎn)中的重要材料，它對蜂窩夾層結構復合材料的力學性能和制造工藝性能有一定影響。為此對膠粘劑的主要性能提出了各種要求，主要有空間環(huán)境條件下性能穩(wěn)定性、較好的綜合力學性能、工藝性能好、使用方便，同時在現(xiàn)有儲存條件下儲存期不低于6個月。對于蜂窩夾層結構復合材料不同的使用部位和不同的要求，可選用下列各種膠粘劑：1）結構膠粘劑一用于面板和蜂窩芯子膠接；2）泡沫膠粘劑一用于蜂窩芯子與預埋件膠接、局部填充和加強；3）拼接膠粘劑一用于大面積蜂窩芯子的拼接；4）灌注膠粘劑一用于蜂窩夾層結構件成型后鑲嵌件的后埋；5）膠接熱管膠粘劑一用于蜂窩夾層結構件中的熱管膠接。蜂

7、窩夾層結構復合材料力學性能特性蜂窩夾層結構的主要特點是上、下面板的材料厚度一般情況下均相同，而且比蜂窩芯子高度小得多，面板材料的強度和剛度一般均較高。根據(jù)夾層板力學分析基本理論，其主要力學性能特征如下：彎矩主要由面板承擔。蜂窩夾層結構復合材料由面板承擔的彎矩要遠大于由芯子承擔的彎矩；面板中的應力沿厚度接近均勻分布。由于蜂窩夾層結構復合材料的面板很薄，面板中的最大應力與平均應力相差很少，面板中的應力可認為沿厚度接近均勻分布；3）橫向剪力主要由芯子承擔。蜂窩夾層板受載時會產(chǎn)生彎矩和垂直板面的橫向剪力，由于面板很薄，能承擔的橫向剪力不大，橫向剪力主要由芯子承擔；4）通常不能忽略芯子的橫向剪切應變。由

8、于蜂窩夾層的芯子的橫向剪切彈性模量不大，因此橫向剪切應變不能忽略蜂窩夾層板的芯子將提供薄面板的5）芯子具有支持面板避免失穩(wěn)的作用橫向支承，避免面板的局部失穩(wěn)蜂窩夾層結構應用情況蜂窩夾層結構的應用是在我們生活的各個方面，其最多的還是應用于航空航天事業(yè)上。首先介紹蜂窩夾層結構的基本特性：(1)質(zhì)量輕，比強度高，尤其是抗彎剛度高，同質(zhì)量的蜂窩夾層結構復合材料其抗彎剛度約為鋁合金的5倍。(2)有極高的表面度和高溫穩(wěn)定性，易成型且不易變形，它不僅能制造成平面面板而且可以制造成單曲、雙曲面板，制成車輛零部件后拆裝更為方便。(3)優(yōu)良的耐腐蝕性能、絕緣性和環(huán)境適應性，可適應鐵路動車組和客車各種惡劣的運用環(huán)境

9、；另外，根據(jù)需要這類板材可以采用表面噴漆或者表面粘貼防火板處理，達到良好的裝飾性、防火性。(4)獨特的回彈性，可吸收震動能量，具有良好的隔音降噪效果，所以在民用上對于隔音減震有很大幫助。(5)防火等級高，在遭遇火災后煙密度符合高等級的國際鐵路防火標準，具有良好的自熄性；放熱值較低，能夠形成耐火層，能降低釋放出的煙霧和有毒氣體，具有良好的環(huán)保性能。(6)優(yōu)異的成型制造工藝性，可滿足鐵道車輛內(nèi)部零件形狀復雜、穩(wěn)定性高的要求。3.蜂窩夾層結構的成型工藝窩夾層結構用原材料(1)蜂窩種類蜂窩的強度與選用原材料和蜂窩幾何形狀有關，根據(jù)平面投影幾何形狀，蜂窩夾芯材料可分為六邊形、菱形、矩形、正弦曲線形和有加

10、強帶六邊形等。在這些蜂窩夾芯材料中，以加強帶六邊形強度最高，正方形蜂窩次之。由于正六邊形蜂窩制造簡單，用料省，強度也較高，故應用最廣。(2)原材料夾層結構的蒙皮和夾芯材料種類很多，如果用鋁、鈦合金做蒙皮和芯材，則稱為金屬夾層結構；用玻璃鋼薄板，木質(zhì)膠合板和無機復合材料板做蒙皮，用玻璃鋼蜂窩、紙蜂窩及泡沫塑料做夾芯材料，則稱為非金屬材料夾層結構。目前，以玻璃鋼薄板做蒙皮、玻璃鋼蜂窩和泡沫塑料做芯材的夾層結構應用最廣。玻璃纖維布(增強材料)生產(chǎn)玻璃鋼夾層結構的玻璃布分為面層布和蜂窩布兩種：面層布是經(jīng)過增強處理的中堿和無堿平紋布，其厚度一般為0.10.2mm為加強蒙皮和蜂窩之間的粘度強度，常在兩者之

11、間加一層短切玻璃纖維氈。選用含蠟玻璃布做蜂窩材料，可以防止樹脂浸透到玻璃布背面，減少蜂窩塊層間的粘接，有利于蜂窩成孔拉伸。紙生產(chǎn)蜂窩夾層結構的紙，要求有良好的樹脂浸潤性和足夠的拉伸強度。粘接劑(樹脂)制造蜂窩夾層結構用的樹脂分蒙皮用樹脂、蜂窩用樹脂和蜂窩與蒙皮粘接用樹脂。根據(jù)夾層結構的使用條件，可分別選用環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、酚醛樹脂、有機硅樹脂及鄰苯二甲酸二丙烯酯等。制造蜂窩膠條時，通常采用環(huán)氧樹脂、改性酚醛樹脂、聚醋酸乙烯酯膠和聚乙烯醇縮丁醛膠等。在這些膠粘劑中，環(huán)氧樹脂粘接強度高，改性酚醛樹脂價格低，故應用較多。聚醋酸乙烯酯膠無毒，價格便宜，可以室溫固化，但用此膠制造的蜂條，不能浸聚

12、酯膠膠液，因為聚酯樹脂中的苯乙烯能溶解聚醛酸乙烯，使蜂條開膠、破壞。(3)蜂窩夾芯制造生產(chǎn)玻璃布夾芯材料時，主要彩膠接拉伸法。其工藝過程是先在制造蜂窩芯材的玻璃布上涂膠條，然后重疊粘接成蜂窩疊塊，固化后按需要蜂窩高度切成蜂窩條，經(jīng)拉伸預成型，最后浸膠，固化定型成蜂窩芯材。制造蜂窩夾芯疊塊的膠條上膠法，可以采用手械涂膠，也可以使用機械化涂膠。(4)蜂窩夾層結構制造玻璃布蜂窩夾層結構制造技術分濕法和干法兩種。干法成型此法是先將蜂窩夾芯和面板作好，然后再將它們粘接成夾層結構。為了保證芯材和面板牢固粘接，常在面板上鋪一層薄氈(浸過膠)，鋪上蜂窩，加熱加壓，使之固化成一體。這種方法制造的夾層結構，蜂芯和

13、面板的粘接強度可提高到3MPa以上。干法成型的優(yōu)點主要是產(chǎn)品表面光滑，平整，生產(chǎn)過程中每道工序都能及時檢查，產(chǎn)品質(zhì)量容易保證，缺點是生產(chǎn)周期長。濕法成型此法是面板和蜂窩夾芯均處于未固化狀態(tài)，在模具上一次膠接成型。生產(chǎn)時，先在模具上制好上、下面板，然后將蜂窩條浸膠拉開，放到上、下面板之間，加壓(0.010.08MPa)、固化，脫模后修整成產(chǎn)品。濕法成型的優(yōu)點是蜂窩和面板問粘接強度高，生產(chǎn)周期短，最適合于球面、殼體等異形結構產(chǎn)品生產(chǎn)。具缺點是產(chǎn)品表面質(zhì)量差，生產(chǎn)過程較難控制。蜂窩夾芯制造生產(chǎn)玻璃布夾芯材料時，主要彩膠接拉伸法。其工藝過程是先在制造蜂窩芯材的玻璃布上涂膠條，然后重疊粘接成蜂窩疊塊，固化后按需要蜂窩高度切成蜂窩條，經(jīng)拉伸預成型，最后浸膠，固化定型成蜂窩芯材。制造蜂窩夾芯疊塊的膠條上膠法，可以采用手械涂膠，也可以使用機械化涂膠。蜂窩夾層結構制造玻璃布蜂窩夾層結構制造技術分濕法和干法兩種。干法成型此法是先將蜂窩夾芯和面板作好，然后再將它們粘接成夾層結構。為了保證芯材和面板牢固粘接，常在面板上鋪一層薄氈(浸過膠)，鋪上蜂窩，加熱加壓，使之固化成一體。這種方法制造的火層結構，蜂芯和面板的粘接強度可提高到3MPa以上。干法成型