[科普中國]-蜂窩芯材

蜂窩芯材（ honeycomb core） 一種低密度蜂窩狀材料，用作夾層結(jié)構(gòu)的芯材。可以使用500多種不同的材料制造，主要的蜂窩芯材材料有鋁合金、用樹脂浸漬的玻璃纖維織物、芳族纖維紙、牛皮紙、石墨纖維和凱夫拉纖維等，樹脂含量約50%。蜂窩孔有多種不同形狀，如六邊形、矩形、增強(qiáng)形等。其性能取決于材料、孔格形狀和尺寸等，各向異性，正六邊形蜂窩芯材沿L方向的剪切強(qiáng)度約為W方向的兩倍。主要用作飛機(jī)雷達(dá)罩、天線罩、飛機(jī)地板、方向舵等。

簡(jiǎn)介蜂窩芯材（honeycomb core），簡(jiǎn)稱蜂窩芯。夾于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)兩塊面板中間的蜂窩狀芯材。在夾層結(jié)構(gòu)中主要承受剪切應(yīng)力，使夾層結(jié)構(gòu)具有高抗彎剛度。有兩種分類方法：按制作蜂窩材料分芳綸紙蜂窩（Nomex蜂窩）、玻璃布蜂窩、鋁蜂窩、石墨蜂窩、普通紙蜂窩、牛皮紙蜂窩、不銹鋼蜂窩、塑料蜂窩、棉布蜂窩等，常用的有Nomex、玻璃布、鋁蜂窩三種；按蜂窩孔格外形分六邊形、長方形、正方形、鈴形、正弦曲線形、菱形．雙鈴形、管狀蜂窩等，最長用的為六邊形蜂窩。蜂窩芯為輕質(zhì)材料，密度因材料類型、厚薄、孔格大小、浸漬樹脂含量不同而異，如Nomex蜂窩密度為24～144kg/m3，玻璃布蜂窩為32～192kg/m3，鋁蜂窩為16～192kg/m3。同種材料蜂窩力學(xué)性能隨密度增加而提高；同一密度范圍內(nèi)，孔格愈小、孔壁愈厚，力學(xué)性能愈高。相同密度下的Nomex、玻璃布和鋁蜂窩的壓縮強(qiáng)度基本相當(dāng)，但玻璃布和鋁蜂窩的剪切強(qiáng)度高于Nomex蜂窩。同密度的蜂窩中，以石墨蜂窩的強(qiáng)度、模量為最高。蜂窩芯屬各向異性材料，L向（垂直于孔格展開方向W向）的剪切強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度比W向大得多。鋁蜂窩力學(xué)性能、耐久性好，能導(dǎo)熱，制作工藝簡(jiǎn)單，但耐疲勞、抗沖擊性能差。與復(fù)合材料面板接觸產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕；玻璃布蜂窩強(qiáng)度、剛度好，介電性、耐腐蝕性優(yōu)良，但脆性大、韌性差，加工精度較低；Nomex蜂窩容重輕、 比強(qiáng)度比剛度大、抗沖擊、抗疲勞、耐腐蝕性能優(yōu)良，能耐高溫（在160℃下長期工作），加工精度高，但制作工藝復(fù)雜，剪切模量較低，成本較高；紙蜂窩制造簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉，但力學(xué)性能和耐水性較差。各類蜂窩按性能和價(jià)位不同廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域，如航空、造船、建筑、電信、汽車、列車、體育器材等。1

蜂窩芯材分類蜂窩芯材有金屬蜂窩芯材和非金屬蜂窩芯材兩大類。金屬蜂窩芯材主要是鋁合金蜂窩芯材。非金屬蜂窩芯材有玻璃布蜂窩芯材、紙蜂窩芯材和Nomex蜂窩芯材等。紙蜂窩芯材由于其性能較低，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中基本不用。

蜂窩芯材的孔格形狀以六角形為主，也有經(jīng)過過拉伸處理的蜂窩芯材，其孔格形狀則呈長方形，見圖（b）。在實(shí)際應(yīng)用中，大部分是六角形蜂窩芯材，過拉伸蜂窩芯材主要應(yīng)用于具有單曲面的夾層結(jié)構(gòu)制件中。2

蜂窩芯材的制造蜂窩芯材的制造（以玻璃布蜂窩為例）

一、玻璃布的選擇

由于玻璃布厚度大，用其制得的蜂窩芯材孔格壁卑、強(qiáng)度高，但容重也增大（見下表圖）。

一般選用未脫蠟的無堿平紋布，有利于其經(jīng)緯紗相對(duì)位置的穩(wěn)定，并且可以避免在涂芯條皎時(shí)膠液滲到玻璃布背面而影響孔格的規(guī)整。

二，膠粘劑

制備蜂窩芯材用膠有芯條膠和浸漬膠兩種。如圖所示， “A”為芯條膠粘結(jié)處。浸漬膠為芯材固化成型用膠。

芯條膠應(yīng)有足夠韌性和一定耐熱性，使蜂窩芯能有足夠的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，以免在夾層固化成型時(shí)，由于內(nèi)部增壓而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)開裂。一般要求節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度不低于0.1MPa。芯條膠還應(yīng)有相當(dāng)?shù)募羟袕?qiáng)度，以防在壓力作用下固化時(shí)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，此外還要求有良好的耐工藝介質(zhì)性能（在工藝過程中可能接觸的溶劑、化學(xué)試劑）。

作為蜂窩芯，一般可以選用環(huán)氧樹脂膠液（室溫或熱壓固化）、聚乙烯醇縮醛（熱壓）或聚醋酸乙烯酯。聚醋酸乙烯酯無毒、價(jià)廉、可在室溫下固化，加熱時(shí)也能加速固化，但因本身易溶于苯乙烯，故不能用于聚酯樹脂膠爪浸漬的蜂窩芯。對(duì)Noraex蜂窩芯通常用環(huán)氧膠。

用紙、布、玻璃布、Nomex紙制成的蜂窩疊塊，按要求的芯層高度加工成一定寬度的蜂窩條材并拉伸成孔格形狀盾，必須浸漬樹脂膠液，達(dá)到增強(qiáng)、固定的作用。這種樹脂膠液，一般用溶劑稀釋成便于浸湞施工的濃度，并通過控制浸漬次數(shù)及每次浸漬的時(shí)間來調(diào)節(jié)蜂萬芯的容重及其最終性能。根據(jù)使用性能要求，可選擇酚醛、耐熱環(huán)氧、聚酯樹脂膠液。3

三、蜂窩芯材的制造設(shè)備

目前生產(chǎn)蜂窩芯材廣泛使用膠接拉伸法，其工藝流程如下圖。

涂芯條膠可用手工法或印膠式自動(dòng)涂膠機(jī)和雙槽輥式蜂窩芯制造機(jī)。

印膠式自動(dòng)涂膠機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖所示。工作原理是：玻璃市從放布簡(jiǎn)l引出后，經(jīng)過張緊輥2，到印膠輥3，在布的一面涂膠，蘭導(dǎo)向輥后到第二道涂膠輥，并在布的另一面涂膠，然后經(jīng)過加熱器7，在水平導(dǎo)向輥6處與未涂膠玻璃布迭合，一起卷繞到收布卷筒8上，當(dāng)收卷到要求數(shù)量時(shí)取下，經(jīng)熱壓固化后，切成蜂窩條備用。

印膠輥的構(gòu)造見圖。膠液通過帶膠輥和遞膠輥傳到印膠輥的凸環(huán)上而留在玻璃布上。若膠條寬度為a，則相鄰兩膠條的間距為4a，兩道印膠輥的凸環(huán)錯(cuò)位2a。圖中，凸環(huán)的設(shè)計(jì)寬度一般略小于孔格邊長。

玻璃布的運(yùn)動(dòng)方向與印膠輥轉(zhuǎn)向一致者稱為印膠法，苦相反則稱為擦膠法，后者膠八對(duì)玻璃布的壓力小，不易透膠。

印膠式自動(dòng)涂膠機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量易于控制，常用于大規(guī)模生產(chǎn)。

雙槽輥式蜂窩芯制造機(jī)的工作原理見圖。帶膠的印輥轉(zhuǎn)動(dòng)后，依靠壓輥的壓緊，使連續(xù)帶膠的印膠輥在玻璃布下面印上膠條。上下兩個(gè)印膠輥的軸線平行，并在水平位置上錯(cuò)位2a，如前所述。

四、工藝質(zhì)量控制

涂膠過程中要注意控制膠條的寬度、厚度和膠條間的平行度。如果玻璃布運(yùn)行不穩(wěn)，涂膠輥對(duì)玻璃布的接觸壓力不足或過大，以及膠液粘度過高或過低，都會(huì)造成膠條的漏涂或透膠而影響蜂窩質(zhì)量。

玻璃布的收卷必須松緊一致，平面無皺，以保持膠條平行，減少錯(cuò)位誤差，從而保證蜂窩格孔的規(guī)整性。

固化時(shí)，壓力過大會(huì)產(chǎn)生透膠，溫度過高或壓力偏低會(huì)影響膠接質(zhì)量，這都會(huì)在拉伸蜂窩條時(shí)出現(xiàn)拉不開或粘接不牢的問題而影響蜂窩質(zhì)量。3

蜂窩芯材的浸漬與拼接壓制好的蜂窩芯材在用于夾層結(jié)構(gòu)前，用切紙機(jī)按所需芯材的高度切成一定寬度的條材，然后將其拉伸呈蜂窩孔格形狀，置于浸膠槽內(nèi)，用合適濃度的浸漬膠浸漬1～2分鐘。蜂窩壁材料須浸透，可以采用多次浸漬以控制一定的容重和強(qiáng)度。

浸漬后，根據(jù)需要在平板或成型模上加熱固化定形后，即可用于夾層結(jié)構(gòu)的干法成型。對(duì)于聚酯樹脂體系浸漬的芯材，在浸漬固化后即可直接用于夾層結(jié)構(gòu)（濕法成型）。

制造大面積或異形產(chǎn)品時(shí)，為滿足外廓尺寸的要求，有時(shí)需進(jìn)行拼接?？扇∩倭磕z液涂在拼接處，用夾子（加熱或無需加熱）固定以施加壓力，膠液固化后即可（見右圖）。3

影響蜂窩芯材性能的因素玻璃布蜂窩芯材的樹脂含量越大，則容重越大，壓縮強(qiáng)度也會(huì)提高。

蜂窩孔格尺寸越大，強(qiáng)度越低，容重越小。

蜂窩高度增加時(shí)，芯材容重降低，壓縮強(qiáng)度降低，但彎曲剛度增加。應(yīng)根據(jù)制件的要求選定蜂窩的高度，一般采用的高度為15～20毫米。下料時(shí)，考慮到成型時(shí)的加壓及其他因素的影響，常選取比設(shè)計(jì)高度高出1～1.5毫米。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

張靜 - 副教授 - 西南大學(xué)