蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料

.夾層結(jié)構(gòu)一種復(fù)合構(gòu)造的板、殼結(jié)構(gòu)，它的兩個表面由很薄的板材做成，中間夾以較輕的夾芯層。前者稱為表板,要求強(qiáng)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(jī)上就采納了全木質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)。一樣夾層結(jié)構(gòu)用于機(jī)翼、尾翼、機(jī)身、箭體、箭頭、減速板、發(fā)動機(jī)短艙、隔音裝置、防火隔板等。與薄壁結(jié)構(gòu)的薄蒙皮相較，夾層板的厚度大得多，抗擊失穩(wěn)能力強(qiáng)，重量還可減小，而且表面滑膩，氣動外形良好。但它的制造工藝復(fù)雜，工藝質(zhì)量又不易查驗(yàn)，因此應(yīng)用受到限制。夾層結(jié)構(gòu)表板的材料有、不銹鋼、和各類。夾層材料有輕質(zhì)木材、泡沫塑料等，也可用金屬材料或復(fù)合材料制成波紋板夾層或蜂窩型夾層（見）。夾層與表板一樣用膠粘結(jié)在一路,也可用熔焊、焊接連接，形成整體。在整體受力分析中，以為上、下兩表板只經(jīng)受表板面內(nèi)的拉、壓力和剪切力,不能經(jīng)受彎矩和扭矩,而中間夾層只經(jīng)受垂直于夾層中面的切力。夾層結(jié)構(gòu)與一樣板殼結(jié)構(gòu)受力分析的唯一不同在于撓度計(jì)算中除考慮彎曲力矩產(chǎn)生的撓度外，還要考慮剪力的阻礙。夾層結(jié)構(gòu)的兩表板之間距離較大，因此夾層結(jié)構(gòu)的彎曲剛度比一樣板殼結(jié)構(gòu)大得多，失穩(wěn)臨界應(yīng)力顯著提高。夾層結(jié)構(gòu)自身不用鉚釘,免去釘孔引發(fā)的應(yīng)力集中，提高了疲勞強(qiáng)度。夾層結(jié)構(gòu)與相鄰結(jié)構(gòu)的連接較為復(fù)雜，夾層本身的局部接觸強(qiáng)度較弱,又需經(jīng)受連接的集中力，因此必需妥帖進(jìn)行接頭設(shè)計(jì)。.類型、特點(diǎn)及應(yīng)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(jié)構(gòu)、波板夾層結(jié)構(gòu)、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)等。特點(diǎn)：泡沫夾層結(jié)構(gòu)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。可是強(qiáng)度不高蜂窩夾層結(jié)構(gòu)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(diǎn)：質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、剛度大應(yīng)用：構(gòu)件尺寸較大、強(qiáng)度要求較高的部件。如圖：波板夾層結(jié)構(gòu)波板夾層結(jié)構(gòu)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(diǎn)：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。.概念性說明蜂窩夾層結(jié)構(gòu)是復(fù)合材料的一種特殊類型。由于這種輕型結(jié)構(gòu)材料具有最優(yōu)比強(qiáng)度、比剛度、最大抗疲勞性能、表面平整滑膩等特點(diǎn)，已在中國航天領(lǐng)域取得較為普遍地應(yīng)用。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是由3種大體材料組合而成的復(fù)合材料，這為結(jié)構(gòu)人員提供了普遍改變參數(shù)以知足設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)的可能性。目前在型號任務(wù)中最經(jīng)常使用的為鋁面板-鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、碳纖維面板-鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、玻璃鋼面板-玻璃鋼蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、芙拉纖維面板-凱Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)等，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較為復(fù)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(qiáng)的特點(diǎn)在研制、、實(shí)驗(yàn)裝配和搬運(yùn)進(jìn)程中容易顯現(xiàn)各類損傷。文章結(jié)合研制生產(chǎn)實(shí)踐，分析了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的幾種要緊破壞模式，從而可采取相應(yīng)方法，避免各類損傷破壞，提高產(chǎn)品質(zhì)量。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)由3個元件組成：1)一對薄而強(qiáng)的面板，以經(jīng)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，以經(jīng)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蜂窩夾層結(jié)構(gòu)經(jīng)常使用面板材料、蜂窩芯材和膠粘劑面板材料面板的要緊功能是提供要求的軸向彎曲和面內(nèi)剪切剛度，以經(jīng)受軸向彎曲和面內(nèi)剪切載荷，在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中，面板經(jīng)常使用預(yù)浸樹脂石墨纖維單向帶或織物，也有采納鋁合金面板或玻璃鋼面板等，面板的選擇按實(shí)際利用要求選定。蜂窩芯子蜂窩芯子形狀要緊采納正六邊形。航天結(jié)構(gòu)中的蜂窩芯子材料一樣采納鋁蜂窩芯子、Nomex蜂窩芯子及玻璃鋼蜂窩芯子。膠粘劑膠粘劑是蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料研制生產(chǎn)中的重要材料，它對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的力學(xué)性能和制造工藝性能有必然阻礙。為此對膠粘劑的要緊性能提出了各類要求，要緊有空間環(huán)境條件下性能穩(wěn)固性、較好的綜合力學(xué)性能、工藝性能好、利用方便，同時在現(xiàn)有貯存條件下貯存期不低于6個月。關(guān)于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料不同的利用部位和不同的要求，可選用以下各類膠粘劑：1）結(jié)構(gòu)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(yù)埋件膠接、局部填充和增強(qiáng)；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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)件中的熱管膠接。.蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料力學(xué)性能特性蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的要緊特點(diǎn)是上、下面板的材料厚度一樣情形下均相同，而且比蜂窩芯子高度小得多，面板材料的強(qiáng)度和剛度一樣均較高。依照夾層板力學(xué)分析大體理論，其要緊力學(xué)性能特點(diǎn)如下：1）彎矩要緊由面板承擔(dān)。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由面板承擔(dān)的彎矩要遠(yuǎn)大于由芯子承擔(dān)的彎矩；2）面板中的應(yīng)力沿厚度接近均勻散布。由于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的面板很薄，面板中的最大應(yīng)力與平均應(yīng)力相差很少，面板中的應(yīng)力能夠?yàn)檠睾穸冉咏鶆蛏⒉迹?）橫向剪力要緊由芯子承擔(dān)。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(dān)的橫向剪力不大，橫向剪力要緊由芯子承擔(dān)；4）通常不能忽略芯子的橫向剪切應(yīng)變。由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(yīng)變不能忽略；5）芯子具有支持面板幸免失穩(wěn)的作用。蜂窩夾層板的芯子將提供薄面板的橫向支承，幸免面板的局部失穩(wěn)。.蜂窩夾層結(jié)構(gòu)應(yīng)用情形蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用是在咱們生活的方方面面，其最多的仍是應(yīng)用于航空航天事業(yè)上。第一介紹蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的大體特性：（1）質(zhì)量輕，比強(qiáng)度高，尤其是抗彎剛度高，同質(zhì)量的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)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)固性，易成型且不易變形，它不僅能制造成平面面板而且能夠制造成單曲、雙曲面板，制成車輛零部件后拆裝更為方便。（3）優(yōu)良的耐侵蝕性能、絕緣性和環(huán)境適應(yīng)性，可適應(yīng)鐵路動車組和客車各類惡劣的運(yùn)用環(huán)境；另外，依照需要這種板材能夠采納表面噴漆或表面粘貼防火板處置，達(dá)到良好的裝飾性、防火性。（4）獨(dú)特的回彈性，可吸收震動能量，具有良好的隔音降噪成效，因此在民用上關(guān)于隔音減震有專門大幫忙。（5）防火品級高，在遭遇火災(zāi)后煙密度符合高品級的國際鐵路防火標(biāo)準(zhǔn)，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)良的成型制造工藝性，可知足鐵道車輛內(nèi)部零件形狀復(fù)雜、穩(wěn)固性高的要求。3.蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的成型工藝.窩夾層結(jié)構(gòu)用原材料（1）蜂窩種類蜂窩的強(qiáng)度與選用原材料和蜂窩幾何形狀有關(guān)，依照平面投影幾何形狀，蜂窩夾芯材料可分為六邊形、菱形、矩形、正弦曲線形和有增強(qiáng)帶六邊形等。在這些蜂窩夾芯材料中，以增強(qiáng)帶六邊形強(qiáng)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(qiáng)度也較高，故應(yīng)用最廣。（2）原材料夾層結(jié)構(gòu)的蒙皮和夾芯材料種類很多，若是用鋁、鈦合金做蒙皮和芯材，那么稱為金屬夾層結(jié)構(gòu)；用玻璃鋼薄板，木質(zhì)膠合板和無機(jī)復(fù)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，那么稱為非金屬材料夾層結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)應(yīng)用最廣。①玻璃纖維布（增強(qiáng)材料）生產(chǎn)玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)的玻璃布分為面層布和蜂窩布兩種：面層布是通過增強(qiáng)處置的中堿和無堿平紋布，其厚度一樣為?0.2mm。為增強(qiáng)蒙皮和蜂窩之間的粘度強(qiáng)度，常在二者之間加一層短切玻璃纖維氈。選用含蠟玻璃布做蜂窩材料，能夠避免樹脂滲透到玻璃布反面，減少蜂窩塊層間的粘接，有利于蜂窩成孔拉伸。②紙生產(chǎn)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的紙，要求有良好的樹脂浸潤性和足夠的拉伸強(qiáng)度。③粘接劑（樹脂）制造蜂窩夾層結(jié)構(gòu)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。依照夾層結(jié)構(gòu)的利用條件，可別離選用環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、酚醛樹脂、有機(jī)硅樹脂及鄰苯二甲酸二丙烯酯等。制造蜂窩膠條時，通常采納環(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(qiáng)度高，改性酚醛樹脂價錢低，故應(yīng)用較多。聚醋酸乙烯酯膠無毒，價錢廉價，能夠室溫固化，但用此膠制造的蜂條，不能浸聚酯膠膠液，因?yàn)榫埘渲械谋揭蚁┠苋芙饩廴┧嵋蚁?，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，要緊彩膠接拉伸法。其工藝進(jìn)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(yù)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，能夠采納手械涂膠，也能夠利用機(jī)械化涂膠。（4）蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造玻璃布蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造技術(shù)分濕法和干法兩種。①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(jié)構(gòu)。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。這種方式制造的夾層結(jié)構(gòu)，蜂芯和面板的粘接強(qiáng)度可提高到3MPa以上。干法成型的優(yōu)勢主若是產(chǎn)品表面滑膩，平整，生產(chǎn)進(jìn)程中每道工序都能及時檢查，產(chǎn)品質(zhì)量容易保證，缺點(diǎn)是生產(chǎn)周期長。②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（?）、固化，脫模后修整成產(chǎn)品。濕法成型的優(yōu)勢是蜂窩和面板間粘接強(qiáng)度高，生產(chǎn)周期短，最適合于球面、殼體等異形結(jié)構(gòu)產(chǎn)品生產(chǎn)。其缺點(diǎn)是產(chǎn)品表面質(zhì)量差，生產(chǎn)進(jìn)程較難操縱。腐夾芯制造生產(chǎn)玻璃布夾芯材料時，要緊彩膠接拉伸法。其工藝進(jìn)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(yù)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，能夠采納手械涂膠，也能夠利用機(jī)械化涂膠。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造玻璃布蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造技術(shù)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(jié)構(gòu)。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。這種方式制造的夾層結(jié)構(gòu)，蜂芯和面板的粘接強(qiáng)度可提高到3MPa