蜂窝材料

一种复合材料

蜂窝材料是一种复合材料，在航空航天领域通常称其为蜂窝结构。1945年试制成最早的蜂窝夹层结构。在航空航天工业中，蜂窝夹层结构常被用于制作各种壁板、翼面、舱面、舱盖、地板、发动机护罩、尾喷管、消音板、隔热板、卫星星体外壳等。

研究背景

蜜蜂的蜂窝具有棱柱形六边形孔穴的规则排列，它集中体现了二维结构的多孔固体。这里，在广泛的意义上使用“蜂窝”一词，来描述由相同柱状孔穴堆叠在一起填充平面的任何排列。通常这些孔穴的截面为六边形，如同蜜蜂的蜂窝孔穴，但它们也可为三角形、正方形或菱形。

人造聚合物、金属和陶瓷的蜂窝材料早已面世，已可得其标准产品。它们有多种多样的应用：聚合物和金属的可用于所有夹层板芯，从价格低廉的门到先进的航天部件；金属的还可用于能量吸收装置（阿波罗Ⅱ号着陆舱的底座使用可压扁的铝蜂窝体作为吸振器；陶瓷的用于高温处理（如作为催化剂载体和热交换器）。许多天然材料-木材即其中的一种，都可进行理想化处理而当作蜂窝体来分析。如果这种材料要用作承载结构，那么对其力学性能的了解是重要的。

研究蜂窝材料还有第二个充分的理由，那就是：其研究结果可展示出复杂得多的三维泡沫材料的力学性能。分析泡沫材料是一件困难的事情：其孔壁形成交错的三维网络，在变形时产生难于确定的扭曲。蜂窝体则简单得多。大型模型可由橡胶、金属或陶瓷制得，其变形方式也可观察到并能分类。另外，因为蜂窝材料具有规则的几何结构，故其形变可在不同程度上进行精确的分析，给出描述其性能的方程式。最后，分析结果可由裁制模型的实验来检验。

蜂窝材料制备

一种含高温塑料聚苯乙烯的封闭蜂窝材料的新制造方法如下：

通过化学镀的方法在高分子粉末上镀覆一层镍磷合金，并进行高温烧结，得到了含高分子聚合物的金属封闭蜂窝材料。SEM和EDS （能量色散谱）分析表明经热处理后聚合物仍处于封闭空间里。这种材料具有低的弹性模量和高的能量吸收性能、高的衰减系数。

封闭蜂窝材料制造过程如下：

1、在10μm聚苯乙烯上化学镀0.46μm厚的镍。

2、将聚苯乙烯粉末放置在8mm或16mm的小球内，进行90℃衡压200MPa压缩。

3、进行真空8000℃高温烧结1h。

封闭蜂窝材料的抗压应力与压应变的关系如图1所示，应力与应变关系具有良好的线性关系。这对应了高能吸收性能，表明这种材料具有高能吸收特性可以用于冲击能量的吸收。

蜂窝材料变形机制

图2表示出了六边形的蜂窝体，这是最普遍的一种。共面刚度和强度是最低的，因为该平面内的应力使孔壁产生弯曲。而异面刚度和强度则要大得多，因为它们需要孔壁的轴向伸长或压缩。

共面变形

图3示出了弹性蜂窝材料（橡胶）、弹塑性蜂窝材料（金属）及弹脆性蜂窝材料（陶瓷）的压缩和拉伸的应力-应变曲线。

它们的形状有着广泛的相似性，但是原因各不相同。在压缩时，开始全都表现出一个线弹性区，后面接着一个应力近乎恒定的平台，最后进入一个应力陡然升高区。每个区域都联系着一个变形机制，这些机制可由对模型蜂窝体的加载和照相而得以确认。在开始加载时，孔壁就弯曲，产生线弹性（当然，只要孔壁材料本身是线弹性的）。但当达到临界应力时，孔穴开始坍塌：对于弹性体材料，坍塌由孔壁的弹性屈曲所造成，故它可以恢复；对于具有塑性屈服点的材料，坍塌由弯曲边的最大力矩截面处形成塑性铰所造成；而对于脆性材料，则是由孔壁的脆性断裂所造成；当然，后两者是不可恢复的。最终，当处于高应变时，孔穴充分坍塌以至相对孔壁发生接触（或它们断裂的片段堆积在一起），且进一步的变形即压缩到孔壁材料本身。这导致了应力-应变曲线的最后陡然上升部分，标志着致密化的出现。

蜂窝材料相对密度的加大，增加了孔壁的相对厚度。故而，孔壁的弯曲抗力和孔穴的坍塌抗力均提高，造成较高的模量和坪应力；且孔壁触及较快，这就减小了致密化开始的应变。

拉伸变形可以是不同的。孔壁一开始就出现弯曲，以与压缩时同样的斜率（故亦为同样的模量）发生线弹性变形。但在拉伸时弹性蜂窝材料不会产生屈曲；而是孔壁转向拉伸轴，刚性提高。塑性蜂窝体的表现方式则几乎与其在压缩时的一样：形成塑性铰，在一个近乎常数的“坪”应力作用下，允许大的变形；仅仅是几何上的改变引起差异，这通常是将拉伸曲线推至压缩曲线的位置之上。脆性蜂窝体在拉伸时是猝然破坏的，这时的应力值通常低于真正的抗压强度。对于任何脆性固体，在拉伸时的断裂场都是由最主要的缺陷（裂纹、刻痕或损坏的孔壁群等）所控制，这种缺陷的扩展方式可由断裂机制的方法进行计算。增加相对密度具有与压缩时相似的效果：弹性模量、多孔固体结构与性能塑性屈服应力和脆性断裂应力都会相应增大。

异面变形

当沿着孔穴轴向加载时，蜂窝材料的刚性更大得多，强度也更高得多。对于异面剪切加载的蜂窝材料（像夹层镶板中蜂窝体的弯曲加载）同样如此。在这些情况下，初始的线弹性变形包含了孔壁本身巨大的轴向或剪切变形。在压缩过程中，线弹性区域被屈曲（对合成橡胶是弹性的，而对金属或刚性聚合物是塑性的）所截短，最终破坏由撕裂或挤压造成。在拉伸过程中，直到撕裂、塑性屈服或断裂为止，蜂窝材料都是弹性的。具有一个相对密度范围的蜂窝材料的应力-应变曲线，形成了如图4所示的一个族谱。

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