金屬蜂窩夾層板的研究進展

劉艷輝，杜鵬

（南京航空航天大學機電學院，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，其結構如圖1所示。

圖1 蜂窩夾層板的結構圖

由于蜂窩芯實體部分的面積很小所以蜂窩板的整體質量很輕，另外，它還具有高比強度和比剛度以及隔熱、隔聲等諸多優(yōu)點，因而在航空航天、列車及船舶等領域獲得了極其廣泛的應用［1-3］。本文主要對蜂窩夾層板的發(fā)展歷程、制備技術以及力學性能研究現(xiàn)狀進行了綜合評述，進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用于航空工業(yè)的。1938年，由德國制造的四引擎Havilland Albatross飛機以及后來二戰(zhàn)期間英國的蚊式轟炸機中的圓形機身外殼部分率先采用此結構，因而在減輕飛機質量的同時還提高了飛機的運載能力［4］。1940年，英國的希爾（Hill）教授繼而用巴薩木單片做蜂窩格子，用桃木單片做面板，制成蜂窩夾層結構，并成功應用于英國“飛翼”型飛機上。接著美國又把桃木單片的蜂窩芯粘結在鋁蒙皮上，制成“鋁木蜂窩夾層結構”。到二次世界大戰(zhàn)快結束時，一種全部由金屬制作（主要是鎂鋁合金）的金屬蜂窩已經問世，并可廣泛應用于航天器的室內幕墻、隔板、裝飾板以及建筑外墻翻新與室內裝修等［5］。到20世紀50年代，隨著塑料纖維工藝技術的發(fā)展，玻璃鋼蜂窩結構問世［6］。

隨著材料科學的迅速發(fā)展，人們研制出了更多的新型蜂窩夾層結構。1972年美國杜邦公司研究開發(fā)了芳綸紙蜂窩，即Nomex蜂窩，并大量投入使用。20世紀90年代初，杜邦公司通過改變芳綸分子結構和改善浸膠方法，又開發(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，可以滿足航空航天等高技術發(fā)展對蜂窩芯的更高要求。1994年，日本的山口進吾［8］對釬焊的鋁蜂窩板進行研究。從此，金屬蜂窩夾層結構受到越來越多的重視。

我國對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的研究所、科研院校和飛機公司等進行研制、開發(fā)和應用。首先，北京航空材料研究所針對我國直九機采用的Nomex蜂窩依賴進口的瓶頸，對國內傳統(tǒng)的蜂窩制造工藝進行改進，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開展新型蜂窩材料及新型蜂窩空格技術來提高蜂窩的力學性能［10］。2002年，方大集團在國際上首創(chuàng)復合熱熔膠膜粘接技術，利用平面連續(xù)熱復合工藝研制出由高性能熱塑性膠粘劑連續(xù)復合的鋁蜂窩板［11］。近些年來，一些科研院校對高性能的金屬蜂窩夾層結構進行了深入研究:如大連交通大學的石琳對制備的鎂合金蜂窩板以及鎂－鋁蜂窩板進行了力學性能測試，結果表明鎂合金蜂窩板在強度和隔聲性能等方面顯示出極強的優(yōu)勢［12］;昆明理工大學的李東田通過對釬焊的鋁蜂窩板進行平壓試驗得到釬焊鋁蜂窩板的平壓強度約為1.9 MPa，且隨釬焊溫度的升高而減小，隨原材料屈服強度、蜂窩密度的增加而增加，隨壁板初撓度的增加而減?。?3］;目前，哈爾濱爾工業(yè)大學針對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］。

總的來說，目前高性能的金屬蜂窩夾層結構主要有鎂合金、普碳鋼以及鎳基高溫合金蜂窩板。作者認為，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、正弦曲線等形狀，因為正六邊形蜂窩用料省、制造簡單并且結構效率高而應用最廣泛。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起來，最后將疊合膠接起來的材料拉伸成蜂窩再將其切割成所需尺寸即可投入使用，其加工工藝路線如圖2所示。采用此法制備的蜂窩芯會受施膠寬度、膠水粘接力以及芯材的基本力學和物理性能等多種因素影響，從而造成拉伸過程中出現(xiàn)局部拉伸不足或拉伸過量的缺陷，進而導致制成的蜂窩芯形狀不夠規(guī)則，最終影響產品品質的穩(wěn)定性，所以該法主要用于對尺寸及強度要求不高的建筑領域。

圖2 拉伸法制備蜂窩芯工藝路線

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，常用的連接方法有膠結和釬焊，其加工路線如圖3所示。采用此法制備的蜂窩芯子，蜂格尺寸準確，并且可以制備任何規(guī)格的蜂窩芯。但若采用膠結劑連接各個蜂窩芯，其芯層之間的連接強度會直接受到膠結劑強度的影響，所以膠結連接已慢慢被釬焊法所代替。因為釬焊能夠使芯層之間形成牢固的冶金結合，接頭強度高，加工效率也高，所以非常適用于金屬蜂窩芯的成形與加工，因而近年來得到了廣泛應用。

圖3 成型法制備蜂窩芯的工藝路線

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)成形機內加熱加壓然后復合而成。采用此法連接，蜂窩板不承受外部加熱循環(huán)，但連接前需進行表面預處理。另外，膠粘蜂窩板的強度、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:由于高空輻照強和溫度低，航天領域所用蜂窩夾層結構中的有機膠粘劑很容易發(fā)生分子斷鏈和冷脆，進而使蜂窩板的平直拉伸強度下降約50%［16］。所以此法在對蜂窩性能要求越來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。由于縫焊的過程比較復雜，而且由于縫焊過程中焊輪在每一焊點上停留時間短，所以焊件表面的散熱條件差，很容易發(fā)生過熱［17］，從而影響所制備蜂窩板的整體力學性能;而瞬間液相擴散連接大多用于多合金系統(tǒng);激光焊接的設備投資成本大，所以目前以釬焊法應用最廣。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，最后采用五點夾緊法用平整的薄鋼板將整個金屬蜂窩板夾緊。

圖4 蜂窩板釬焊加工裝配圖

總的來說，無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合，其整體力學性能要比膠結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 蜂窩板的力學性能研究概況

在蜂窩夾層板的各項力學性能指標中，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

許多專家學者對蜂窩板的平壓性能進行了分析與研究后得出結論:蜂窩板的壓縮變形主要由蜂窩壁板的軸向變形來承擔，其壓縮過程都會經歷彈性變形、彈性屈曲、塑性屈曲、蜂窩芯大變形（也稱密實強化或折疊）階段，但是壓縮過程的各階段又因蜂窩材料和制造工藝不同而有所不同。若蜂窩板采用膠結法制備，則在彈性變形階段會發(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。經歷彈性變形階段后，若蜂窩結構由合成橡膠等彈性材料制成，則其孔壁產生彈性屈曲，在應力－應變曲線上出現(xiàn)一個長的、幾乎是平坦的平臺;若蜂窩結構由鋁合金等塑性材料制成，蜂窩壁板則產生塑性屈曲或軸向屈服;若孔壁由蠕變材料制成，則蜂窩結構會產生蠕變;而若其由脆性材料制成，則它會以脆性方式發(fā)生壓碎和斷裂［18］。大連交通大學的迎春分別對鎂芯蜂窩板和鋁芯蜂窩板的承壓力學性能進行研究［19］，結果表明:蜂窩板的壓縮強度主要取決于蜂窩芯的壓縮強度，通過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度。另外，井玉安通過對Q215普碳鋼蜂窩夾芯板的面外壓縮實驗進行研究發(fā)現(xiàn)［20］，在影響蜂窩力學性能的結構參數(shù)中，以胞壁厚度對初始壓縮強度和峰值抗壓強度的影響最大，胞壁邊長的影響次之，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)，受力情況較為復雜，所以研究蜂窩板在彎曲載荷下的響應也是很有必要的。徐朝陽對木質蜂窩夾芯材料的力學性能進行研究［21］后指出蜂窩板彎曲時往往出現(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，但迎春對膠結鎂芯蜂窩板的彎曲性能進行研究［19］卻發(fā)現(xiàn)鎂芯蜂窩板在面板膠層脫膠后便無法繼續(xù)承載，而沒有出現(xiàn)木質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強度遠低于鎂蜂窩芯的剪切極限程度造成的。所以，通過提高膠結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，但是畢竟膠結劑性能的提高有一定限度，遠不如釬焊形成的牢固的冶金結合強度高。另外，蜂窩板的結構參數(shù)對其彎曲性能也有明顯影響，蜂窩芯壁厚和蜂窩孔邊長的比值對彎曲性能有明顯影響，隨著此比值增大，彎曲強度和剛度都增大，且彎曲強度的增加更加顯著;蜂窩芯高度對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，可以通過選擇合適的蜂窩結構尺寸和利用釬焊代替膠結來提高其承彎特性。

4.3 蜂窩板的其他力學性能

隨著科學技術的發(fā)展以及數(shù)值仿真技術的快速發(fā)展，專家對蜂窩板的側壓、沖擊力學性能以及其在有限元仿真時的靜力和動力分析模型的建立等方面［22-23］的研究有所關注?？偠灾?，今后對金屬蜂窩夾層板的研究范圍會越來越廣泛，從而研制出應用范圍更廣、整體性能更優(yōu)的蜂窩板。

5 結語

蜂窩結構作為一種輕質高效結構已經在航空航天、交通運輸、建筑等領域得到了廣泛應用。而蜂窩板所用材料的力學性能和蜂窩夾層板的結構參數(shù)會直接影響所制造的蜂窩板的整體力學性能，所以作者提出金屬蜂窩板今后的兩個發(fā)展方向:

1）至于制備蜂窩板的材料，作者認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性能的結構參數(shù)，因為不同的結構參數(shù)影響不同的力學性能，而且影響的程度也不盡相同，所以應該通過綜合考量這些結構參數(shù)對蜂窩夾層板力學性能影響的程度以進行折中，最終獲得高能效比的金屬蜂窩板。而且數(shù)值仿真也會在評定蜂窩板力學性能方面產生重大影響，因為數(shù)值仿真較實際的實驗成本降低很多，而且同樣具有指導意義。

［1］李勇.直九機用 Nomex蜂窩研究［J］.航空材料學報，1996，3（1）:47-54.

［2］伊藤泰永.鋁合金釬焊蜂窩板及其應用［J］.國外機車車輛工藝，2000，（9）:21-25.

［3］石丸靖男，等.高速鐵道車輛用釬焊鋁蜂窩板及其加工［J］.國外機車車輛工藝，2001，（3）:11-17.

［4］孫佳.蜂窩夾層板的非線性動力學研究［D］.北京:北京工業(yè)大學碩士學位論文，2008.

［5］陳勇軍，等.金屬蜂窩的開發(fā)、發(fā)展及應用［J］.材料導報，2003，17（12）:32-33.

［6］范秋習.蜂窩夾層復合材料［J］.北京輕工業(yè)學院學報，1998，16（2）:77-78.

［7］趙稼祥.新型高性能蜂窩芯 KOREX［J］.宇航材料工藝，1996，（5）:58-59.

［8］山口進吾，等.蜂窩狀焊接構件的設計制造［J］.國外機車車輛工藝，1994，（5）:11.

［9］李勇.直九機用 Nomex蜂窩研究［J］.航空材料學報，1996，3（1）:47-54.

［10］王玉瑛，吳榮煌.蜂窩材料及孔格結構技術的發(fā)展［J］.航空材料學報，2000，20（3）:172-177.

［11］郭建明，等.蜂窩鋁板剝離強度的研究［J］.裝飾裝修材料，2003，（8）:53-54.

［12］石琳.鎂合金蜂窩板和鎂－鋁蜂窩板的制備與性能研究［D］.大連:大連交通大學碩士學位論文，2010.

［13］李東田.釬焊鋁蜂窩板的研制與力學性能研究［D］.昆明:昆明理工大學碩士學位論文，2005.

［14］黃麟.鎳基高溫合金蜂窩結構釬焊工藝及熔蝕行為研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學碩士學位論文，2008.

［15］張敏，于九明.金屬夾芯復合板及其制備技術的發(fā)展［J］.工藝與新技術，2003，32（6）:21-25.

［16］張建可，冀勇夫.輻照對蜂窩夾層結構力學性能的影響［J］.中國空間科學技術，2000，10（5）:43-47.

［17］鄒家生.材料連接原理與工藝［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社.

［18］ Gibson L J，Ashby M.Cellular Solids structure and properties（Zn Edition）［M］.劉培生譯，北京:清華大學出版社，2003.

［19］迎春.鎂合金蜂窩板的制備及力學性能研究［D］.大連:大連交通大學碩士學位論文，2009.

［20］井玉安，等.普碳鋼蜂窩夾芯板的面外壓縮性能［J］.北京科技大學學報，2009，29（12）:1234-1239.

［21］徐朝陽.木質復合蜂窩夾芯材料性能的研究［D］.南京:南京林業(yè)大學博士學位論文，2007:54-58.

［22］張旭紅，等.爆炸載荷下鋁蜂窩夾芯板的動力響應［J］.爆炸與沖擊，2009，29（4）:356-360.

［23］Nurick G N，Langdon G S，Chi Y，Jacob N.Behaviour of sandwich panels subjected to intense air blast－ Part 1:Experiments［J］.Composite Structures，2009，91:433-44.