热塑性蜂窝板的平压性能分析

李 杨 贲小军 袁建东 沈达泉 徐伟伟 郭红亮

江苏正威新材料股份有限公司 江苏 如皋 226500

0 引言

六角型蜂窝结构在承受各方向外力时比圆形或四边形的结构更坚固、合理。受此启发，各种材料制成的蜂窝板材应运而生。热塑性蜂窝板是由上下面层与中间芯层复合的3层夹芯结构[1]，面层材料为长玻璃纤维、玻璃纤维毡、连续纤维增强热塑性片材或聚丙烯（polypropylene，PP）、聚酰胺（polyamide，PA）等树脂，芯层材料为PP、聚碳酸酯（polycarbonate，PC）、玻璃纤维增强塑料等。热塑性蜂窝板具有密度低、比强度和比模量高、抗冲击和抗疲劳好、耐腐蚀、易成型等优点，可以满足各种实际应用对材料性能的要求，在交通运输、新能源、建筑、航空航天等领域得到广泛应用。

平压强度是蜂窝板承载能力的重要度量，也是蜂窝板质量评定的重要指标。目前对于热塑性蜂窝板的平压性能尚无完整、统一的评价标准。故本文拟以200 g/m2的连续玻璃纤维毡（以下简称连续毡）增强PP材料为面层、PP材料为芯层的热塑性蜂窝板为样品，分析蜂窝板平压变形原理，以及蜂窝芯结构参数和环境温度对平压性能的影响。

1 试验

1.1 材料与设备

热塑性蜂窝板面层为200 g/m2的连续毡增强PP材料，厚度为（0.30±0.05）mm。六角型蜂窝芯为PP材料，结构尺寸按试验选定。上下面层与蜂窝芯经特氟龙带连续压机进行热复合制备蜂窝板材，样品尺寸为200 mm×200 mm。

特氟龙带连续压机，GP1700型，国塑机械（上海）有限公司；电子式万能试验机，WDW-300型，长春科新试验仪器有限公司。

1.2 方法

蜂窝板平压性能试验参照GB 1453—2005《夹层结构或芯子平压性能试验方法》。采用电子式万能试验机对热塑性蜂窝板进行正向静压试验，初始压力为（500±10）N，持续加压速度为2 mm/min。

2 蜂窝板平压变形机理

分析蜂窝板平压变形机理是为了明确其从平衡状态过渡到不平衡状态时的临界载荷和失稳后的形态。平压过程中，热塑性蜂窝板分为4个阶段（见图1）[2]：

图1 蜂窝板应力-应变关系示意图Fig. 1 Schematic diagram of stress-strain relationship of honeycomb panel

1）线弹性变形阶段，蜂窝板的应力与应变呈线性变化，直线的斜率是蜂窝芯材料的杨氏弹性模量。受到压力时，蜂窝壁板会将轴向变形传递给相邻的蜂窝芯，而蜂窝壁板的互相连接增加了蜂窝板的稳定性。因此，平压初期，蜂窝结构变得密实，变形主要为蜂窝芯壁板的弹性变形。随着压力的增加，蜂窝板由线弹性变形转变为非线性变形的弹性屈服，直至达到蜂窝板的临界屈服载荷，蜂窝芯变形进入弹塑性变形阶段。

2）弹塑性变形阶段，蜂窝板的应力随应变的增加而减少。这主要是由于蜂窝的变形由局部坍塌转化为塑性屈服，塑性屈服最初发生在单层壁板，而后发生在双层壁板，继而引起蜂窝板的整体坍塌。

3）塑性坍塌阶段，变形持续增加，应力变化不大，曲线近似一段直线。此区段持续时间越长，表明蜂窝板的缓冲性能越好。此区段以蜂窝板的塑性坍塌为主的持续压溃，压溃载荷随应变的增加上下波动，直至完全坍塌。

4）密实化阶段，随着压力增加，蜂窝壁板间互相挤压，蜂窝板被压实，其压缩应力随应变的增加迅速增大。

从图1可以看出，蜂窝板的缓冲性能主要体现在弹塑性变形阶段和塑性坍塌阶段，即蜂窝板的结构压缩阶段。蜂窝板的平压强度一般略低于蜂窝芯的平压强度，因为蜂窝芯具有初始挠度。蜂窝芯发生大挠度屈曲变形时，其弹塑性变形和坍塌会加剧。

3 蜂窝芯结构参数和环境温度对平压性能的影响

3.1 蜂窝芯结构参数与平压强度的理论分析

正六边形蜂窝芯的结构参数有孔径比、蜂窝芯边长、壁板厚度、蜂窝高度等。优化上述参数是提高蜂窝板的抗振能力、减少其结构质量的关键。如图2所示，设正六边形蜂窝芯的边长为l，壁板厚度为t，蜂窝芯的内切圆直径，孔径比i=d1/d0（d1为沿拉伸方向的蜂窝孔间距）[3]。在不同拉伸条件下，单个蜂窝芯的面积S1为

图2 正六边形蜂窝芯结构示意图Fig. 2 Structure diagram of hexagonal honeycomb core

若蜂窝板的面积为S，则其能容纳的蜂窝芯数量n[4]为

蜂窝壁板的总长度L[5]为

在线弹性变形阶段，蜂窝板的平压应力σ为式中：F为压力；[σ]为蜂窝板的许用平压应力（屈曲强度）。

蜂窝板的压溃总是发生在靠近面层的位置，一般约为靠近面层的1/5～2/5处。压溃点一般出现在压缩变形约1 mm左右的位置[6]。

3.2 孔径比对平压强度的影响

孔径比可用于表示蜂窝芯的结构形状。当蜂窝芯的边长为5 mm，壁板厚度为0.3 mm，蜂窝高度为20 mm，孔径比分别为0.5, 0.7, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2时，测试蜂窝板的平压强度。蜂窝板的平压强度与孔径比关系曲线如图3所示。

图3 蜂窝板平压强度与蜂窝芯孔径比的关系曲线Fig. 3 Diagram of relationship between flat compression strength and honeycomb core aperture ratio

由图3可知，随着蜂窝芯孔径比的增加，蜂窝板的平压强度降低。其原因是孔径比越大，单位面积承载的蜂窝芯数量减少。

3.3 蜂窝芯边长对平压强度的影响

当孔径比为1，壁板厚度为0.3 mm，蜂窝高度为20 mm，蜂窝芯边长分别为3, 5, 7, 9, 11 mm时，测试蜂窝板的平压强度。蜂窝板平压强度与蜂窝芯边长的关系曲线如图4所示。

图4 蜂窝板平压强度与蜂窝芯边长的关系曲线Fig. 4 Diagram of relationship between flat compression strength and honeycomb core side length

由图4可知，随着蜂窝芯边长的增加，蜂窝板的平压强度先迅速下降而后逐渐趋于平缓。其原因是边长的增加使单个蜂窝结构的面积增大，单位面积承载的蜂窝芯数量减少；同时蜂窝壁板借助相邻蜂窝作用增强自身抵抗侧向位移的能力削弱，导致蜂窝整体的抗压能力降低，蜂窝结构容易失稳[7]。

3.4 蜂窝壁板厚度对平压强度的影响

当孔径比为1，蜂窝芯边长为5 mm，蜂窝高度为20 mm，壁板厚度分别为0.25, 0.30, 0.35, 0.40, 0.45,0.50 mm时，测试蜂窝板的平压强度。蜂窝板平压强度与壁板厚度的关系如图5所示。

图5 蜂窝板平压强度与壁板厚度的关系曲线Fig. 5 Diagram of relationship between flat compressive strength and honeycomb core panel thickness

由图5可知，随着蜂窝壁板厚度的增加，蜂窝板平压强度增加。这是由于蜂窝壁板厚度的增加，使蜂窝芯支撑面板的表面积增大，蜂窝壁板的承压能力以及周围壁板对其支撑能力增强，蜂窝板的稳定性更好[8-9]。

3.5 蜂窝板高度对平压强度的影响

当孔径比为1，蜂窝芯边长为5 mm，壁板厚度为0.3 mm，蜂窝板高度分别为8, 12, 15, 20, 25, 30 mm时，测试蜂窝板的平压强度。蜂窝板平压强度与蜂窝芯高度的关系如图6所示。

图6 蜂窝板平压强度与蜂窝芯高度的关系曲线Fig. 6 Diagram of relationship between flat compressive strength and honeycomb core height

由图6可知，随着蜂窝板高度的增加，蜂窝板的平压强度呈先骤减后缓增的趋势。当蜂窝板高度较小（≤15 mm）时，蜂窝芯会出现皱褶压溃；随着蜂窝板高度的增加，蜂窝一侧对另一侧产生的力矩增大，微小的扰动（侧向载荷）就可能产生很大的侧向转矩，造成蜂窝结构失稳和剪切力增大；同时侧向位移也会导致蜂窝与面层撕裂，加剧蜂窝板屈曲、压溃。

3.6 环境温度对蜂窝板平压性能的影响

本热塑性蜂窝板的蜂窝芯为PP材料。PP材料是热敏感材料，因而本研究探讨了环境温度对热塑性蜂窝板平压性能的影响，结果如图7所示。

图7 蜂窝板平压强度与环境温度的关系曲线Fig. 7 Diagram of relationship between flat compressive strength and honeycomb core height

由图7可知，随着环境温度的升高，蜂窝板的平压强度逐渐降低。当环境温度低于玻璃化温度（PP材料的玻璃化温度Tg为-10～18 ℃）时，PP材料的分子链和链段不能运动，其视为刚性固体。因而当平压载荷均匀施加在蜂窝板上时，蜂窝芯犹如许多小的工字梁，分散承担平压力，随着载荷增加达到峰值后，蜂窝芯发生塑性变形。当环境温度高于软化点温度（140 ℃左右）时，PP材料为高弹态，蜂窝板基本失去平压承受能力。而当环境温度高于玻璃化温度、低于软化点温度时，PP材料处于玻璃化转变区，高于80℃时，蜂窝板平压强度下降明显[10]。可见，热塑性蜂窝板使用温度不能超过80 ℃。

4 结语

热塑性蜂窝板的平压强度是蜂窝板质量评定的重要指标。由于蜂窝结构的独特性，热塑性蜂窝板具有良好的抗压能力，其受压过程大致分为4个阶段，当平压强度超过屈曲强度后，蜂窝板被压溃，进入坍塌阶段，此时的蜂窝板仍具有良好的缓冲性能。热塑性蜂窝板的平压变形机理非常复杂，其平压性能不仅与蜂窝板的结构参数有关，还与蜂窝板的成型质量、使用环境等有关。因此，本研究从蜂窝芯的结构参数导出蜂窝板的平压强度公式，由公式可得出：蜂窝芯的孔径比、边长、壁厚、高度等均对蜂窝板的平压强度有影响。对热塑蜂窝板进行平压试验，试验数据与理论分析相吻合。本研究可为蜂窝板的结构设计提供了一定理论依据和技术支持。