蜂窝夹层结构复合材料的制备及应用

田　旭，白　燕，蒙月珍，邓寿南，俞　越

(上海工程技术大学, 上海 201620)



蜂窝夹层结构复合材料的制备及应用

田旭，白燕，蒙月珍，邓寿南，俞越

(上海工程技术大学, 上海 201620)

摘要：文章从面材、芯材、胶粘剂三个方面对夹层结构复合材料制备进行了综述；列举了以玻纤面材、纸蜂窝芯、聚氨酯胶粘剂等为原料，采用喷涂工艺以及模压工艺进行蜂窝夹层结构复合材料的制备方法；介绍了蜂窝夹层结构复合材料在汽车产业的应用以及一些其它领域的应用前景。

关键词：复合材料；蜂窝夹层结构；制备；应用

汽车在给人们的出行带来诸多方便的同时，也产生了油耗、安全和环保等一系列问题，而轻量化是汽车节能减排的重要途径之一。随着材料与制造技术的发展，夹层结构所具有的刚度大、高强度、重量轻等性能逐渐得到了充分实现，并广泛应用在航空航天及汽车等多个领域。

1　夹层结构复合材料制备现状

夹层结构复合材料通常是由比较薄的面板和比较厚的芯子胶接而成，在夹层结构中,面板作为主要承力部分和填充在其中间的芯子共同发挥作用。当承受弯曲载荷时,面板主要承受拉伸或压缩载荷,而芯子则传递剪切力，因此在夹层结构的设计中,面板需选用面内刚度和强度大的材料或结构，芯子则需选用面外剪切强度和剪切刚度大的材料或结构。

1.1面板材料选择

从材料角度看,面板的发展经历了从金属材料到非金属材料的演化过程；从结构角度看,面板的发展则经历了从单一结构(合金面板)到层合结构(层合面板)的过程，目前得到广泛应用的面板多为非金属层合面板。在夹层结构中,面板作为主要承力部分，相对于芯子材料,面板材料具有密度大、模量高和强度高等特点。目前，纤维增强复合材料中应用较多的增强纤维有芳纶纤维、硼纤维、玻璃纤维和碳纤维等，芳纶纤维具有拉伸强度高、弹性模量高和密度低等优异性能，但芳纶复合材料的压缩强度低；虽然硼纤维具有优异的强度和模量，但因价格昂贵，且仅限于同碳纤维混杂使用，逐渐被碳纤维取代。为了提高力学性能，应该选择比强度和比模量高的碳纤维作为原材料，但碳纤维的价格较高，应用中需要大量的原料，因此，廉价的玻璃纤维仍然是最常用的增强材料，遗憾的是其弹性模量比较低。

当设计一个有刚度要求的产品时,可以利用复合材料结构形式的局限性较小、易成型的优点,通过改变截面尺寸,设计高刚度的变截面的结构形式和布置,以弥补低弹性模量这一弱点。面板制备多采用预浸料,包括单向纤维预浸料和纤维织物预浸料，根据纤维的不同,可以分为玻璃纤维预浸料、芳纶纤维预浸料和碳纤维预浸料等。玻璃纤维短切毡作为主要的玻璃纤维增强材料，是将连续玻璃纤维经短切后无定向地随机均匀分布，再由乳液或粉末粘结剂粘结而成，除了保留玻璃纤维固有特性外，玻璃纤维短切毡还具有许多其它优异的特性。玻璃纤维短切毡易吸附树脂、覆膜性能好、易裁剪、施工方便，生产效率高，且不像玻纤织物那样致密，因而易增厚，其制作工序比玻纤织物少，成本也较低；短切毡表面粗糙，因而制品的层间粘结性好，不易分层；纤维无方向性，制品的强度各向同性，纤维不连续，制成的制品受损伤后，损伤面积小。目前，玻璃纤维短切毡已广泛应用于国内外一些著名的汽车公司的汽车内饰中，如在广州本田、广州丰田、上海大众、通用宝马等车型的汽车内饰均有采用。

1.2芯子结构分类

夹层结构中,根据芯子材料与结构形式的不同,可以分为泡沫夹芯结构、蜂窝夹芯结构、以及基于编织工艺的三维整体夹芯结构，以泡沫夹芯结构和蜂窝夹芯结构的应用最为广泛和成熟。

泡沫夹芯结构的芯子材料多为泡沫塑料,其种类繁多，根据泡沫的硬度可以分为硬质泡沫、半硬质泡沫和软质泡沫3种。由于泡沫塑料具有很好的防寒、绝热和隔音性能,泡沫夹芯结构目前被广泛地应用于航空航天工业中,例如导弹弹翼、直升机侧壁板和风轮叶片等。蜂窝夹芯结构是目前应用最为广泛的夹芯结构，蜂窝芯子的力学性能不仅与芯子材料有关,而且与芯子的几何形状密切相关，根据芯子的几何形状,蜂窝芯子可以分为六边形蜂窝、菱形蜂窝、矩形蜂窝、五角形蜂窝等。目前,应用最为广泛的蜂窝芯子为六边形蜂窝芯子。根据蜂窝芯子的材料,蜂窝可以分为纸蜂窝、金属蜂窝、聚合物蜂窝、陶瓷蜂窝等。蜂窝夹芯结构自问世以来,由于其具有比刚度大、比强度高等优异的力学性能,因而在火箭、导弹、飞机、飞船、卫星、汽车、船舶等领域得到了较为广泛的应用。由芳纶纸制备的蜂窝芯以其高强度、高刚度、低密度、较好的绝缘性能以及良好的化学惰性等诸多优点，已广泛应用到了航空航天结构以及其他具有特殊要求的领域中。比芳纶纸蜂窝芯价格低廉的是再生纸制作的蜂窝芯，普通纸质材料的蜂窝芯质量轻、密度小、比强度和比刚度高，而且价格便宜，材料来源广，对环境无污染，可替代木材、塑料等。目前，纸蜂窝芯的生产加工已有了半自动化、自动化的生产线。

1.3胶粘剂

作为夹层结构复合材料重要组成部分，胶粘剂要求具有较高的胶接强度，通常使用热固性树脂为基料，并以热塑性树脂或弹性体为增韧剂或配以固化剂等组成结构胶。聚氨酯胶粘剂是由异氰酸酯(黑料)与聚醚或聚酯(白料)等组分组成，聚氨酯胶粘剂容重小、强度高、导热系数低、防震和隔音，且对各种金属、非金属材料均具有很高的胶接强度。聚氨酯复合材料由热固性聚氨酯制造，具有优异的拉伸特性、抗冲击性、耐腐蚀性以及优异的韧性(利于后道机械加工和装配等)，且与传统的热固性复合材料相比，聚氨酯复合材料在加工和冲切过程中极少有微裂纹出现。

1.4纸蜂窝夹层结构复合材料制备

纸蜂窝夹层结构复合材料是由一个具有蜂窝形状的纸芯子和上下两层面板，通过粘合剂经高温模压而成的复合材料。实验设计包括玻璃纤维短切毡、平纹组织、斜纹组织三种玻纤面材，总单位面积质量控制在280～290 g/m2之间，面板大小为1.2×0.8 m2。

聚氨酯喷涂蜂窝夹层结构复合材料的制备工艺，是将材料按照设计好的铺叠方式在工作台上进行铺叠，由机器人夹持送入喷涂室进行喷涂，喷涂室内有一台机器人配合进行喷涂工作，而后由负责夹持的机器人送入模压机平台进行模压工作。将铺层好并充分喷涂浸渍的蜂窝芯及玻纤面材夹持于被加热的模压成型模具的模腔内，模具在模压机的作用下闭合并进行加压作用，模腔内的聚氨酯喷涂蜂窝夹层结构复合材料在高温和压力的作用下成型为制品。

图1　纸蜂窝夹层复合板结构

2　蜂窝夹层结构复合材料的应用

蜂窝夹层结构复合材料现具有以下基本性能:(1) 质量轻,比强度高,尤其是抗弯刚度高。(2)有极高的表面平面度和高温稳定性, 易成型且不易变形。(3)优良的耐腐蚀性、绝缘性。(4)具有良好的自熄性; 放热值较低, 能够形成耐火层。(5)优异的成型制造工艺性：可以满足车辆内部零部件形状复杂、稳定性要求高的要求。(6)环境适应性：蜂窝夹层结构复合材料能够长时间地适应温度、湿度不断变化的运用环境条件, 而不发生承载能力下降、变形、开裂、腐朽、老化等现象。(7)隔声减振性。在汽车工业中纸蜂窝夹芯结构复合板可被应用于行李箱底板、车内地板、备用胎隔板、车内隔板、搁物板、座椅以及天窗板等处,见图2制得的板材质量轻，比强度、比刚度高，抗震，导热系数低以及隔热，隔音等优点，它的应用对汽车轻量化设计可以起到重要的作用，使汽车质量更轻，抗撞击性能更好，安全性、舒适性得到较好的保证，是当前的发展方向之一。

图2　汽车蜂窝夹层结构复合板的应用

蜂窝夹层结构复合材料也可广泛应用于家具行业，它密封性好，可直接成型为异型，家具形式多样、价格低廉、耐用度好，具有很好的发展空间。同时在交通行业也可采用蜂窝夹层结构复合材料板制造高速列车车厢的侧板、顶板和行李间等，从而使车厢结构最佳化，降低车厢的重心以及车轴、轨道的负荷，使列车的的速度大大提高，降低钢铁材料的需求，既能节约钢铁资源，又能在减少动力消耗及维修费用方面得到提升。还能将其应用于航天航空产业，用于作为直升机，战斗机，客机的生产材料等，也可以作为建筑材料应用于建筑领域。

3　结论

蜂窝夹层结构复合材料具有优越的性能，同时对减少固体废物排放量、保护生态环境等都非常有益，它不仅具有良好的经济和社会效益，尤其在“低碳经济”理念环境下，其产业化应用前景和发展空间更为广阔。

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收稿日期：2015-12-14

基金项目：上海工程技术大学创新项目(CZ1509016)

作者简介：田旭(1995—)，女,贵州铜仁人，学士。

中图分类号：TS176.+5

文献标识码：B

文章编号：1009-3028(2016)01-0007-03

Preparation and Application of Honeycomb Sandwich Composites

Tian Xu, Bai Yan, Meng Yuezhen,Deng Shounan,Yu Yue

(Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620，China)

Abstract:The Preparation of Sandwich Composites was described from three aspects of the panel ,core materal and adhesives.Fiberglass material,paper hongeycomb core,polyurethane adhesives were listed as raw material.The preparation method of honeycomb sandwich structure composite were achieved by spraying technology and molding process.The honeycomb sandwich structure composites applied in the automobile industry and the application prospect of some other areas were introduced.

Key words:composites;honeycomb sandwich structure;preparation;application