劉艷輝，杜鵬

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016）

1 介紹

蜂窩夾層板是由兩塊極薄的面板夾著一層蜂窩芯組成，又名蜂窩板、蜂窩夾芯板，蜂窩芯的高度通常要比面板高出幾倍甚至幾十倍，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 蜂窩夾層板的結(jié)構(gòu)圖

由于蜂窩芯實(shí)體部分的面積很小所以蜂窩板的整體質(zhì)量很輕，另外，它還具有高比強(qiáng)度和比剛度以及隔熱、隔聲等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在航空航天、列車(chē)及船舶等領(lǐng)域獲得了極其廣泛的應(yīng)用［1-3］。本文主要對(duì)蜂窩夾層板的發(fā)展歷程、制備技術(shù)以及力學(xué)性能研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜合評(píng)述，進(jìn)而提出蜂窩板今后的發(fā)展方向。

2 蜂窩夾層板的發(fā)展歷程

蜂窩夾層板最早是應(yīng)用于航空工業(yè)的。1938年，由德國(guó)制造的四引擎Havilland Albatross飛機(jī)以及后來(lái)二戰(zhàn)期間英國(guó)的蚊式轟炸機(jī)中的圓形機(jī)身外殼部分率先采用此結(jié)構(gòu)，因而在減輕飛機(jī)質(zhì)量的同時(shí)還提高了飛機(jī)的運(yùn)載能力［4］。1940年，英國(guó)的希爾（Hill）教授繼而用巴薩木單片做蜂窩格子，用桃木單片做面板，制成蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，并成功應(yīng)用于英國(guó)“飛翼”型飛機(jī)上。接著美國(guó)又把桃木單片的蜂窩芯粘結(jié)在鋁蒙皮上，制成“鋁木蜂窩夾層結(jié)構(gòu)”。到二次世界大戰(zhàn)快結(jié)束時(shí)，一種全部由金屬制作（主要是鎂鋁合金）的金屬蜂窩已經(jīng)問(wèn)世，并可廣泛應(yīng)用于航天器的室內(nèi)幕墻、隔板、裝飾板以及建筑外墻翻新與室內(nèi)裝修等［5］。到20世紀(jì)50年代，隨著塑料纖維工藝技術(shù)的發(fā)展，玻璃鋼蜂窩結(jié)構(gòu)問(wèn)世［6］。

隨著材料科學(xué)的迅速發(fā)展，人們研制出了更多的新型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。1972年美國(guó)杜邦公司研究開(kāi)發(fā)了芳綸紙蜂窩，即Nomex蜂窩，并大量投入使用。20世紀(jì)90年代初，杜邦公司通過(guò)改變芳綸分子結(jié)構(gòu)和改善浸膠方法，又開(kāi)發(fā)了Korex蜂窩［7］，研究表明，新型高性能 Korex蜂窩芯比Nomex和玻璃布蜂窩芯具有更好的性能，可以滿(mǎn)足航空航天等高技術(shù)發(fā)展對(duì)蜂窩芯的更高要求。1994年，日本的山口進(jìn)吾［8］對(duì)釬焊的鋁蜂窩板進(jìn)行研究。從此，金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)受到越來(lái)越多的重視。

我國(guó)對(duì)蜂窩板的研究起步較晚，而且其研究幾乎全部由與航空航天有關(guān)的研究所、科研院校和飛機(jī)公司等進(jìn)行研制、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。首先，北京航空材料研究所針對(duì)我國(guó)直九機(jī)采用的Nomex蜂窩依賴(lài)進(jìn)口的瓶頸，對(duì)國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的蜂窩制造工藝進(jìn)行改進(jìn)，最終制備了性能更優(yōu)良的蜂窩［9］。隨后，北京航空材料研究所提出可以通過(guò)開(kāi)展新型蜂窩材料及新型蜂窩空格技術(shù)來(lái)提高蜂窩的力學(xué)性能［10］。2002年，方大集團(tuán)在國(guó)際上首創(chuàng)復(fù)合熱熔膠膜粘接技術(shù)，利用平面連續(xù)熱復(fù)合工藝研制出由高性能熱塑性膠粘劑連續(xù)復(fù)合的鋁蜂窩板［11］。近些年來(lái)，一些科研院校對(duì)高性能的金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究:如大連交通大學(xué)的石琳對(duì)制備的鎂合金蜂窩板以及鎂－鋁蜂窩板進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果表明鎂合金蜂窩板在強(qiáng)度和隔聲性能等方面顯示出極強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)［12］;昆明理工大學(xué)的李東田通過(guò)對(duì)釬焊的鋁蜂窩板進(jìn)行平壓試驗(yàn)得到釬焊鋁蜂窩板的平壓強(qiáng)度約為1.9 MPa，且隨釬焊溫度的升高而減小，隨原材料屈服強(qiáng)度、蜂窩密度的增加而增加，隨壁板初撓度的增加而減小［13］;目前，哈爾濱爾工業(yè)大學(xué)針對(duì)飛行器外表皮的高溫特性要求研制出鎳基高溫合金蜂窩夾層板［14］。

總的來(lái)說(shuō)，目前高性能的金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)主要有鎂合金、普碳鋼以及鎳基高溫合金蜂窩板。作者認(rèn)為，耐熱高溫合金具有更廣闊的發(fā)展前景。

3 蜂窩夾層板的制備方法研究

3.1 蜂窩芯的制備

金屬蜂窩芯的形狀有正六邊形、菱形、矩形、等邊三角形、正弦曲線(xiàn)等形狀，因?yàn)檎呅畏涓C用料省、制造簡(jiǎn)單并且結(jié)構(gòu)效率高而應(yīng)用最廣泛。正六邊形蜂窩芯子的制備方法目前主要有拉伸法和成型法。

拉伸法是先在材料上涂膠條，然后將材料疊合膠結(jié)起來(lái)，最后將疊合膠接起來(lái)的材料拉伸成蜂窩再將其切割成所需尺寸即可投入使用，其加工工藝路線(xiàn)如圖2所示。采用此法制備的蜂窩芯會(huì)受施膠寬度、膠水粘接力以及芯材的基本力學(xué)和物理性能等多種因素影響，從而造成拉伸過(guò)程中出現(xiàn)局部拉伸不足或拉伸過(guò)量的缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致制成的蜂窩芯形狀不夠規(guī)則，最終影響產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定性，所以該法主要用于對(duì)尺寸及強(qiáng)度要求不高的建筑領(lǐng)域。

圖2 拉伸法制備蜂窩芯工藝路線(xiàn)

采用成型法制備蜂窩芯通常是將金屬蜂窩箔材軋制或輥壓成波紋狀瓦楞板，然后采用一定的工裝夾具將這些瓦楞板疊合連接起來(lái)，常用的連接方法有膠結(jié)和釬焊，其加工路線(xiàn)如圖3所示。采用此法制備的蜂窩芯子，蜂格尺寸準(zhǔn)確，并且可以制備任何規(guī)格的蜂窩芯。但若采用膠結(jié)劑連接各個(gè)蜂窩芯，其芯層之間的連接強(qiáng)度會(huì)直接受到膠結(jié)劑強(qiáng)度的影響，所以膠結(jié)連接已慢慢被釬焊法所代替。因?yàn)殁F焊能夠使芯層之間形成牢固的冶金結(jié)合，接頭強(qiáng)度高，加工效率也高，所以非常適用于金屬蜂窩芯的成形與加工，因而近年來(lái)得到了廣泛應(yīng)用。

圖3 成型法制備蜂窩芯的工藝路線(xiàn)

3.2 蜂窩芯和面板的連接

蜂窩芯和面板的連接方法也有膠結(jié)和焊接2種［15］。膠接法是把面板和芯子用熱固化膠在連續(xù)成形機(jī)內(nèi)加熱加壓然后復(fù)合而成。采用此法連接，蜂窩板不承受外部加熱循環(huán)，但連接前需進(jìn)行表面預(yù)處理。另外，膠粘蜂窩板的強(qiáng)度、使用壽命以及允許的工作環(huán)境在很大程度上受膠粘劑的性能所影響。例如:由于高空輻照強(qiáng)和溫度低，航天領(lǐng)域所用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中的有機(jī)膠粘劑很容易發(fā)生分子斷鏈和冷脆，進(jìn)而使蜂窩板的平直拉伸強(qiáng)度下降約50%［16］。所以此法在對(duì)蜂窩性能要求越來(lái)越高的今天已較少使用。

焊接法又分為釬焊、縫焊、激光焊接和瞬間液相連接。由于縫焊的過(guò)程比較復(fù)雜，而且由于縫焊過(guò)程中焊輪在每一焊點(diǎn)上停留時(shí)間短，所以焊件表面的散熱條件差，很容易發(fā)生過(guò)熱［17］，從而影響所制備蜂窩板的整體力學(xué)性能;而瞬間液相擴(kuò)散連接大多用于多合金系統(tǒng);激光焊接的設(shè)備投資成本大，所以目前以釬焊法應(yīng)用最廣。蜂窩板釬焊前的裝配和夾緊方法如圖4所示，即先將蜂窩芯用裝配夾具逐一裝配，然后將上下面板夾緊蜂窩芯，最后采用五點(diǎn)夾緊法用平整的薄鋼板將整個(gè)金屬蜂窩板夾緊。

圖4 蜂窩板釬焊加工裝配圖

總的來(lái)說(shuō)，無(wú)論是蜂窩芯的連接還是蜂窩芯和面板的連接，采用焊接法將其連接，可以使接頭之間形成牢固的冶金結(jié)合，其整體力學(xué)性能要比膠結(jié)制備的蜂窩夾層板優(yōu)越很多，所以為了獲得高性能的金屬蜂窩夾層板，釬焊法有廣闊的發(fā)展前景。

4 蜂窩板的力學(xué)性能研究概況

在蜂窩夾層板的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)中，其面外壓縮性能和彎曲性能是尤其重要的。

4.1 蜂窩板的平壓性能

許多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)蜂窩板的平壓性能進(jìn)行了分析與研究后得出結(jié)論:蜂窩板的壓縮變形主要由蜂窩壁板的軸向變形來(lái)承擔(dān)，其壓縮過(guò)程都會(huì)經(jīng)歷彈性變形、彈性屈曲、塑性屈曲、蜂窩芯大變形（也稱(chēng)密實(shí)強(qiáng)化或折疊）階段，但是壓縮過(guò)程的各階段又因蜂窩材料和制造工藝不同而有所不同。若蜂窩板采用膠結(jié)法制備，則在彈性變形階段會(huì)發(fā)生蜂窩芯-面板膠的彈性失穩(wěn)，采用釬焊法制備則只有蜂窩芯的彈性變形。經(jīng)歷彈性變形階段后，若蜂窩結(jié)構(gòu)由合成橡膠等彈性材料制成，則其孔壁產(chǎn)生彈性屈曲，在應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)上出現(xiàn)一個(gè)長(zhǎng)的、幾乎是平坦的平臺(tái);若蜂窩結(jié)構(gòu)由鋁合金等塑性材料制成，蜂窩壁板則產(chǎn)生塑性屈曲或軸向屈服;若孔壁由蠕變材料制成，則蜂窩結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生蠕變;而若其由脆性材料制成，則它會(huì)以脆性方式發(fā)生壓碎和斷裂［18］。大連交通大學(xué)的迎春分別對(duì)鎂芯蜂窩板和鋁芯蜂窩板的承壓力學(xué)性能進(jìn)行研究［19］，結(jié)果表明:蜂窩板的壓縮強(qiáng)度主要取決于蜂窩芯的壓縮強(qiáng)度，通過(guò)增加芯材的厚度或提高其材料特性可提高蜂窩板的壓縮強(qiáng)度。另外，井玉安通過(guò)對(duì)Q215普碳鋼蜂窩夾芯板的面外壓縮實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)［20］，在影響蜂窩力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)中，以胞壁厚度對(duì)初始?jí)嚎s強(qiáng)度和峰值抗壓強(qiáng)度的影響最大，胞壁邊長(zhǎng)的影響次之，而面板和夾芯厚度的影響最小。

4.2 蜂窩板的彎曲性能

蜂窩板在很多情況下要承受彎曲載荷，且由于壁板在彎曲載荷下，有受壓區(qū)，也有受拉區(qū)，受力情況較為復(fù)雜，所以研究蜂窩板在彎曲載荷下的響應(yīng)也是很有必要的。徐朝陽(yáng)對(duì)木質(zhì)蜂窩夾芯材料的力學(xué)性能進(jìn)行研究［21］后指出蜂窩板彎曲時(shí)往往出現(xiàn)芯部剪切屈曲、芯部剪切破壞、面板屈曲和面板屈服這四種典型的破壞模式，但迎春對(duì)膠結(jié)鎂芯蜂窩板的彎曲性能進(jìn)行研究［19］卻發(fā)現(xiàn)鎂芯蜂窩板在面板膠層脫膠后便無(wú)法繼續(xù)承載，而沒(méi)有出現(xiàn)木質(zhì)蜂窩夾層板的面板屈曲和屈服，這主要是由于蜂窩面板用膠的膠結(jié)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于鎂蜂窩芯的剪切極限程度造成的。所以，通過(guò)提高膠結(jié)劑的性能也能夠在一定程度上提高蜂窩板的彎曲承載性能，但是畢竟膠結(jié)劑性能的提高有一定限度，遠(yuǎn)不如釬焊形成的牢固的冶金結(jié)合強(qiáng)度高。另外，蜂窩板的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其彎曲性能也有明顯影響，蜂窩芯壁厚和蜂窩孔邊長(zhǎng)的比值對(duì)彎曲性能有明顯影響，隨著此比值增大，彎曲強(qiáng)度和剛度都增大，且彎曲強(qiáng)度的增加更加顯著;蜂窩芯高度對(duì)壓縮性能和彎曲性能影響相反，蜂窩芯越高，彎曲性能越好但壓縮性能較差。所以，可以通過(guò)選擇合適的蜂窩結(jié)構(gòu)尺寸和利用釬焊代替膠結(jié)來(lái)提高其承彎特性。

4.3 蜂窩板的其他力學(xué)性能

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)值仿真技術(shù)的快速發(fā)展，專(zhuān)家對(duì)蜂窩板的側(cè)壓、沖擊力學(xué)性能以及其在有限元仿真時(shí)的靜力和動(dòng)力分析模型的建立等方面［22-23］的研究有所關(guān)注?？偠灾窈髮?duì)金屬蜂窩夾層板的研究范圍會(huì)越來(lái)越廣泛，從而研制出應(yīng)用范圍更廣、整體性能更優(yōu)的蜂窩板。

5 結(jié)語(yǔ)

蜂窩結(jié)構(gòu)作為一種輕質(zhì)高效結(jié)構(gòu)已經(jīng)在航空航天、交通運(yùn)輸、建筑等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。而蜂窩板所用材料的力學(xué)性能和蜂窩夾層板的結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)直接影響所制造的蜂窩板的整體力學(xué)性能，所以作者提出金屬蜂窩板今后的兩個(gè)發(fā)展方向:

1）至于制備蜂窩板的材料，作者認(rèn)為耐熱高溫合金是今后的發(fā)展方向。

2）至于影響蜂窩夾層板力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)，因?yàn)椴煌慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)影響不同的力學(xué)性能，而且影響的程度也不盡相同，所以應(yīng)該通過(guò)綜合考量這些結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)蜂窩夾層板力學(xué)性能影響的程度以進(jìn)行折中，最終獲得高能效比的金屬蜂窩板。而且數(shù)值仿真也會(huì)在評(píng)定蜂窩板力學(xué)性能方面產(chǎn)生重大影響，因?yàn)閿?shù)值仿真較實(shí)際的實(shí)驗(yàn)成本降低很多，而且同樣具有指導(dǎo)意義。

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