刘艳辉，杜鹏

（南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016）

1 介绍

蜂窝夹层板是由两块极薄的面板夹着一层蜂窝芯组成，又名蜂窝板、蜂窝夹芯板，蜂窝芯的高度通常要比面板高出几倍甚至几十倍，其结构如图1所示。

图1 蜂窝夹层板的结构图

由于蜂窝芯实体部分的面积很小所以蜂窝板的整体质量很轻，另外，它还具有高比强度和比刚度以及隔热、隔声等诸多优点，因而在航空航天、列车及船舶等领域获得了极其广泛的应用［1-3］。本文主要对蜂窝夹层板的发展历程、制备技术以及力学性能研究现状进行了综合评述，进而提出蜂窝板今后的发展方向。

2 蜂窝夹层板的发展历程

蜂窝夹层板最早是应用于航空工业的。1938年，由德国制造的四引擎Havilland Albatross飞机以及后来二战期间英国的蚊式轰炸机中的圆形机身外壳部分率先采用此结构，因而在减轻飞机质量的同时还提高了飞机的运载能力［4］。1940年，英国的希尔（Hill）教授继而用巴萨木单片做蜂窝格子，用桃木单片做面板，制成蜂窝夹层结构，并成功应用于英国“飞翼”型飞机上。接着美国又把桃木单片的蜂窝芯粘结在铝蒙皮上，制成“铝木蜂窝夹层结构”。到二次世界大战快结束时，一种全部由金属制作（主要是镁铝合金）的金属蜂窝已经问世，并可广泛应用于航天器的室内幕墙、隔板、装饰板以及建筑外墙翻新与室内装修等［5］。到20世纪50年代，随着塑料纤维工艺技术的发展，玻璃钢蜂窝结构问世［6］。

随着材料科学的迅速发展，人们研制出了更多的新型蜂窝夹层结构。1972年美国杜邦公司研究开发了芳纶纸蜂窝，即Nomex蜂窝，并大量投入使用。20世纪90年代初，杜邦公司通过改变芳纶分子结构和改善浸胶方法，又开发了Korex蜂窝［7］，研究表明，新型高性能 Korex蜂窝芯比Nomex和玻璃布蜂窝芯具有更好的性能，可以满足航空航天等高技术发展对蜂窝芯的更高要求。1994年，日本的山口进吾［8］对钎焊的铝蜂窝板进行研究。从此，金属蜂窝夹层结构受到越来越多的重视。

我国对蜂窝板的研究起步较晚，而且其研究几乎全部由与航空航天有关的研究所、科研院校和飞机公司等进行研制、开发和应用。首先，北京航空材料研究所针对我国直九机采用的Nomex蜂窝依赖进口的瓶颈，对国内传统的蜂窝制造工艺进行改进，最终制备了性能更优良的蜂窝［9］。随后，北京航空材料研究所提出可以通过开展新型蜂窝材料及新型蜂窝空格技术来提高蜂窝的力学性能［10］。2002年，方大集团在国际上首创复合热熔胶膜粘接技术，利用平面连续热复合工艺研制出由高性能热塑性胶粘剂连续复合的铝蜂窝板［11］。近些年来，一些科研院校对高性能的金属蜂窝夹层结构进行了深入研究:如大连交通大学的石琳对制备的镁合金蜂窝板以及镁－铝蜂窝板进行了力学性能测试，结果表明镁合金蜂窝板在强度和隔声性能等方面显示出极强的优势［12］;昆明理工大学的李东田通过对钎焊的铝蜂窝板进行平压试验得到钎焊铝蜂窝板的平压强度约为1.9 MPa，且随钎焊温度的升高而减小，随原材料屈服强度、蜂窝密度的增加而增加，随壁板初挠度的增加而减小［13］;目前，哈尔滨尔工业大学针对飞行器外表皮的高温特性要求研制出镍基高温合金蜂窝夹层板［14］。

总的来说，目前高性能的金属蜂窝夹层结构主要有镁合金、普碳钢以及镍基高温合金蜂窝板。作者认为，耐热高温合金具有更广阔的发展前景。

3 蜂窝夹层板的制备方法研究

3.1 蜂窝芯的制备

金属蜂窝芯的形状有正六边形、菱形、矩形、等边三角形、正弦曲线等形状，因为正六边形蜂窝用料省、制造简单并且结构效率高而应用最广泛。正六边形蜂窝芯子的制备方法目前主要有拉伸法和成型法。

拉伸法是先在材料上涂胶条，然后将材料叠合胶结起来，最后将叠合胶接起来的材料拉伸成蜂窝再将其切割成所需尺寸即可投入使用，其加工工艺路线如图2所示。采用此法制备的蜂窝芯会受施胶宽度、胶水粘接力以及芯材的基本力学和物理性能等多种因素影响，从而造成拉伸过程中出现局部拉伸不足或拉伸过量的缺陷，进而导致制成的蜂窝芯形状不够规则，最终影响产品品质的稳定性，所以该法主要用于对尺寸及强度要求不高的建筑领域。

图2 拉伸法制备蜂窝芯工艺路线

采用成型法制备蜂窝芯通常是将金属蜂窝箔材轧制或辊压成波纹状瓦楞板，然后采用一定的工装夹具将这些瓦楞板叠合连接起来，常用的连接方法有胶结和钎焊，其加工路线如图3所示。采用此法制备的蜂窝芯子，蜂格尺寸准确，并且可以制备任何规格的蜂窝芯。但若采用胶结剂连接各个蜂窝芯，其芯层之间的连接强度会直接受到胶结剂强度的影响，所以胶结连接已慢慢被钎焊法所代替。因为钎焊能够使芯层之间形成牢固的冶金结合，接头强度高，加工效率也高，所以非常适用于金属蜂窝芯的成形与加工，因而近年来得到了广泛应用。

图3 成型法制备蜂窝芯的工艺路线

3.2 蜂窝芯和面板的连接

蜂窝芯和面板的连接方法也有胶结和焊接2种［15］。胶接法是把面板和芯子用热固化胶在连续成形机内加热加压然后复合而成。采用此法连接，蜂窝板不承受外部加热循环，但连接前需进行表面预处理。另外，胶粘蜂窝板的强度、使用寿命以及允许的工作环境在很大程度上受胶粘剂的性能所影响。例如:由于高空辐照强和温度低，航天领域所用蜂窝夹层结构中的有机胶粘剂很容易发生分子断链和冷脆，进而使蜂窝板的平直拉伸强度下降约50%［16］。所以此法在对蜂窝性能要求越来越高的今天已较少使用。

焊接法又分为钎焊、缝焊、激光焊接和瞬间液相连接。由于缝焊的过程比较复杂，而且由于缝焊过程中焊轮在每一焊点上停留时间短，所以焊件表面的散热条件差，很容易发生过热［17］，从而影响所制备蜂窝板的整体力学性能;而瞬间液相扩散连接大多用于多合金系统;激光焊接的设备投资成本大，所以目前以钎焊法应用最广。蜂窝板钎焊前的装配和夹紧方法如图4所示，即先将蜂窝芯用装配夹具逐一装配，然后将上下面板夹紧蜂窝芯，最后采用五点夹紧法用平整的薄钢板将整个金属蜂窝板夹紧。

图4 蜂窝板钎焊加工装配图

总的来说，无论是蜂窝芯的连接还是蜂窝芯和面板的连接，采用焊接法将其连接，可以使接头之间形成牢固的冶金结合，其整体力学性能要比胶结制备的蜂窝夹层板优越很多，所以为了获得高性能的金属蜂窝夹层板，钎焊法有广阔的发展前景。

4 蜂窝板的力学性能研究概况

在蜂窝夹层板的各项力学性能指标中，其面外压缩性能和弯曲性能是尤其重要的。

4.1 蜂窝板的平压性能

许多专家学者对蜂窝板的平压性能进行了分析与研究后得出结论:蜂窝板的压缩变形主要由蜂窝壁板的轴向变形来承担，其压缩过程都会经历弹性变形、弹性屈曲、塑性屈曲、蜂窝芯大变形（也称密实强化或折叠）阶段，但是压缩过程的各阶段又因蜂窝材料和制造工艺不同而有所不同。若蜂窝板采用胶结法制备，则在弹性变形阶段会发生蜂窝芯-面板胶的弹性失稳，采用钎焊法制备则只有蜂窝芯的弹性变形。经历弹性变形阶段后，若蜂窝结构由合成橡胶等弹性材料制成，则其孔壁产生弹性屈曲，在应力－应变曲线上出现一个长的、几乎是平坦的平台;若蜂窝结构由铝合金等塑性材料制成，蜂窝壁板则产生塑性屈曲或轴向屈服;若孔壁由蠕变材料制成，则蜂窝结构会产生蠕变;而若其由脆性材料制成，则它会以脆性方式发生压碎和断裂［18］。大连交通大学的迎春分别对镁芯蜂窝板和铝芯蜂窝板的承压力学性能进行研究［19］，结果表明:蜂窝板的压缩强度主要取决于蜂窝芯的压缩强度，通过增加芯材的厚度或提高其材料特性可提高蜂窝板的压缩强度。另外，井玉安通过对Q215普碳钢蜂窝夹芯板的面外压缩实验进行研究发现［20］，在影响蜂窝力学性能的结构参数中，以胞壁厚度对初始压缩强度和峰值抗压强度的影响最大，胞壁边长的影响次之，而面板和夹芯厚度的影响最小。

4.2 蜂窝板的弯曲性能

蜂窝板在很多情况下要承受弯曲载荷，且由于壁板在弯曲载荷下，有受压区，也有受拉区，受力情况较为复杂，所以研究蜂窝板在弯曲载荷下的响应也是很有必要的。徐朝阳对木质蜂窝夹芯材料的力学性能进行研究［21］后指出蜂窝板弯曲时往往出现芯部剪切屈曲、芯部剪切破坏、面板屈曲和面板屈服这四种典型的破坏模式，但迎春对胶结镁芯蜂窝板的弯曲性能进行研究［19］却发现镁芯蜂窝板在面板胶层脱胶后便无法继续承载，而没有出现木质蜂窝夹层板的面板屈曲和屈服，这主要是由于蜂窝面板用胶的胶结强度远低于镁蜂窝芯的剪切极限程度造成的。所以，通过提高胶结剂的性能也能够在一定程度上提高蜂窝板的弯曲承载性能，但是毕竟胶结剂性能的提高有一定限度，远不如钎焊形成的牢固的冶金结合强度高。另外，蜂窝板的结构参数对其弯曲性能也有明显影响，蜂窝芯壁厚和蜂窝孔边长的比值对弯曲性能有明显影响，随着此比值增大，弯曲强度和刚度都增大，且弯曲强度的增加更加显著;蜂窝芯高度对压缩性能和弯曲性能影响相反，蜂窝芯越高，弯曲性能越好但压缩性能较差。所以，可以通过选择合适的蜂窝结构尺寸和利用钎焊代替胶结来提高其承弯特性。

4.3 蜂窝板的其他力学性能

随着科学技术的发展以及数值仿真技术的快速发展，专家对蜂窝板的侧压、冲击力学性能以及其在有限元仿真时的静力和动力分析模型的建立等方面［22-23］的研究有所关注。总而言之，今后对金属蜂窝夹层板的研究范围会越来越广泛，从而研制出应用范围更广、整体性能更优的蜂窝板。

5 结语

蜂窝结构作为一种轻质高效结构已经在航空航天、交通运输、建筑等领域得到了广泛应用。而蜂窝板所用材料的力学性能和蜂窝夹层板的结构参数会直接影响所制造的蜂窝板的整体力学性能，所以作者提出金属蜂窝板今后的两个发展方向:

1）至于制备蜂窝板的材料，作者认为耐热高温合金是今后的发展方向。

2）至于影响蜂窝夹层板力学性能的结构参数，因为不同的结构参数影响不同的力学性能，而且影响的程度也不尽相同，所以应该通过综合考量这些结构参数对蜂窝夹层板力学性能影响的程度以进行折中，最终获得高能效比的金属蜂窝板。而且数值仿真也会在评定蜂窝板力学性能方面产生重大影响，因为数值仿真较实际的实验成本降低很多，而且同样具有指导意义。

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