蜂窝夹层结构复合材料

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。

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：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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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