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铝蜂窝夹层的性能及应用
贺中亮 赵会民 刘建春 李少华 吴苗
（西安雅西复合材料有限公司，710089，西安，陕西 ）
摘 要：本文综述了夹层复合材料用铝蜂窝芯的性能及其应用，与泡沫夹层在力学性能等方面综合对比分析，并展望了铝蜂窝芯的发展及应用前景。
关键词：铝蜂窝；泡沫夹层；性能
Properties and applications of aluminum honeycomb sandwich
He Zhongliang, Zhao Huimin , Liu Jianchun, Li Shaohua Wu Miao
（Argosy XAC Composite Materials Ltd. Xi’an, Shaanxi, 710089, China）
Abstract This paper reviews Properties and applications on aluminum honeycomb sandwich materials, Comparative Analysis on mechanical property with foam sandwich and gives the applied prospect of aluminum honeycomb sandwich.
Key words aluminum honeycomb; foam sandwich; Properties
引言
金属蜂窝是金属骨架和蜂窝孔相间的一种新型功能复合材料，因其内部结构含有许多蜂窝状直通孔而得名。铝蜂窝芯是由多层铝箔粘合，叠压，然后拉伸展开成规则的蜂窝形状。由于铝蜂窝芯的特殊构造，其分割成的众多封闭小室限制了由其合成的幕墙板内空气的流动，使热量和声波的传播受到极大的限制，具有良好的隔热、隔音、导电、耐热防腐、吸能减震，保温效果，同时它的抗弯挠、抗压性和比重轻等特性也使其他建筑材料无法比拟的。作为蜂窝家族中的“贵族”，铝蜂窝有着非常优异的性能，它强度高、耐高温、耐腐蚀，是航空、航天、高速船舶、高速列车等行业的理想材料，在建筑业是大尺寸幕墙和对阻燃要求高的室内豪华装修的首选材料。
同时由于碳纤维、芳族聚酞胺纤维增强物价格下降, 聚醋、环氧、热塑性树脂的品种和质量不断增加, 为更多的新品种夹层复合材料的研制、应用和发展提供了有利的条件。在夹层结构中，聚合物泡沫是一种最常用的芯材。主要包括：聚氯乙烯(PVC)泡沫、聚苯乙烯(PS)泡沫、聚氨酯(PU)泡沫、聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫、聚醚酰亚胺(PEI)泡沫和丙烯腈-苯乙烯(SAN或AS)泡沫等[1]。
1 铝蜂窝芯的结构
铝蜂窝夹层结构复合材料是由两块高强度的上、下蒙皮（根据使用环境不同，又是也称为面板）和中间夹着一层厚而轻的夹芯层所组成。其结构示意图见图1[2]。

图1 铝蜂窝夹层结构组成
Fig. 1 Composed of aluminum honeycomb sandwich structure
2 铝蜂窝夹层和泡沫夹层性能特点
2.1 力学性能
蜂窝或泡沫等低密度的“芯”用于复合材料，它可分隔表皮材料，可提高抗弯曲强度、降低质量。具有相同负荷能力的夹层结构要比实体层状结构轻好几倍。芯材还能对整体强度起加强作用，降低单位体积的成本、削弱噪音与震动、增加耐热、抗疲劳扣防火性能等。芯材的作用机理是将剪切力从表皮层传向内层，使两个表皮层在静态和动态载荷下都能保持稳定，并且吸收冲击能来提供抗破坏性能[3，4]。
铝蜂窝具有较高的压缩模量、剪切强度和较轻的重量等优点，铝蜂窝密度较低，一般在20kg/m3～150kg/m3，较高的力学性能，表一为西安雅西复合材料有限公司铝蜂窝芯产品在不同规格下力学性能表。同等密度下铝蜂窝芯材的力学性能比泡沫夹层要高很多，所以成为飞机和高速列车广泛使用的夹芯材料。
表一 雅西公司铝蜂窝芯产品力学性能表
Tab.1 properties of aluminum honeycomb core of Argosy XAC composite material LTD.
密度
lb/foot3
铝箔厚度
mm
芯材规格
inch
室温(23.5℃）
平面压缩强度
Mpa
纵向剪切强度
MPa
横向剪切强度
MPa
8.1
0.07
3/16
3.9
3.1
1.7
3.4
0.05
1/4
2
1.6
0.9
5.2
0.07
1/4
2.8
2.2
1.3
2.3
0.05
3/8
1.11
0.86
0.59
3.6
0.07
3/8
1.56
1.2
0.82
1.7
0.05
1/2
0.61
0.57
0.39
2.6
0.07
1/2
0.86
0.8
0.55
1.2
0.05
3/4
0.34
0.34
0.25
1.8
0.07
3/4
0.48
0.48
0.35
1.0
0.05
1
0.19
0.27
0.16
1.3
0.07
1
0.26
0.38
0.23

夹层结构只要考虑三个因素：面板、芯材、面板及芯材的粘接。夹层结构在应用中主要受弯曲载荷。面板承担拉应力及压应力，对其刚度和强度要求高。传统面板材料——铝、钢等；随着复合材料的发展，越来越多采用碳纤维或玻璃纤维增强塑料做面板材料，故芯材在结构中主要承担剪应力。对于芯材而言，具有较高剪切强度非常重要，否则，会导致芯材与面板脱离，结构失效[1]。
下面表2是对几种芯材基本性能的比较[5]：
表 2 几种芯材基本性能的比较
Tab 2. Basic property comparison of core material
芯材种类
密度（kg/m3）
压缩模量（MPa）
剪切强度MPa）
铝蜂窝芯
72
1034
2.3（L）,1.5(W)
NOMEXR 蜂窝
80
250
2.25（L）,1.2(W)
PMI ROHACELLR泡沫
75
105
1.3
PVC 泡沫
80
54
1.1

由上图可以看出：在铝蜂窝芯、NOMEX蜂窝、PMI泡沫、PVC泡沫在芯材密度相近的情况下，铝蜂窝芯的压缩模量和剪切强度最高，蜂窝板承受弯曲载荷时，当上面板被拉伸的同时，下面板则被压缩，蜂窝芯传递剪切力。从力学角度分析，它与工字梁很相似，面材相当于工字梁的翼缘，几乎承受了全部的侧向正应力；芯材相当于工字梁的腹板，几乎承受了所有的剪切应力[6]。这种结构不仅提高了整体刚度，而且提高了稳定性，改善了面板及整体的力学性能。另外，由于蜂窝板的高度比面板高出几倍，剖面的惯性矩随之呈4次方增大，结构稳定性好、不易变形，具有突出的抗压能力和抗弯能力[7,8]。在麻文焱[9]等报道蜂窝铝板具有较好的韧性和回弹性，力学性能试验结果表明，蜂窝铝板抗压强度极限407.6~790.4kN/m2，抗弯强度极限为740.0~788.0kN/m2，抗压刚度为5.0~7.5kN/mm，抗弯刚度为0.40~0.66kN/mm2。夹层剪切力纵向为3.6～7.1kN，横向为4.6~5.9kN。拉伸剥离强度极限265~417kN/m2。自由落球撞击试样凹痕直径为19~21mm，凹痕深度为3.02~3.20mm，均未发现凹痕处有裂纹。由此可见，蜂窝铝板在承受外载荷时，能吸收大部分能量，具有良好的减振效果。而泡沫芯材在力学性能上与铝蜂窝芯相差较远。泡沫夹芯的拉伸、弯曲、压缩、剪切强度的低下，严重影响到其在主结构上的应用。
2.2 隔音隔热作用
铝蜂窝是一种多孔的不连续材料，实体部分截面积很小，所以金属蜂窝的密度很低，同时比表面积很大，达1000~40000m2/m3[10]。蜂窝材料本身并不具有隔热、隔音性能，然而蜂窝铝板却具有良好的隔热、隔音性能。在蜂窝铝板中，实体部分体积仅占1％~3％，其余空间内是处于密封状态的气体，由于气体的隔热、隔音性能优于任何固体材料，所以蜂窝铝板具有良好的隔热和隔音性能[11]。再者由于蜂窝的特殊结构，具有较大的比表面积，当声波接触金属表面时，经过漫反射进入蜂窝金属的孔洞内，是金属内部振动将声波转变为热能，也可以起到消音作用。同时蜂窝金属也可以对电磁波起到屏蔽作用。
2.3 导热导电作用
由于铝蜂窝芯材质是铝结构，具有良好的导电性能，可以有效的消除列车等交通工具在运动过程中产生的静电，降低了安全隐患。而泡沫夹层在运动振动摩擦时很容易产生静电，而这些静电不能有效的排除时就会出现静电聚集。这样增加了这些交通工具的不安全性。同时铝蜂窝芯具有良好的导热性能，可以有效快速的传导局部出现的高温，保证蜂窝夹芯结构的稳定性。铝蜂窝是一种不燃性材料，用人流较密集的场所，如列车车厢，体育馆等，增加了设施和环境安全性。这些性能是泡沫夹层结构所不具备的。
2.4 其他
由于铝蜂窝的特殊的结构和制作过程，可以根据不同的需求制作不同规格的蜂窝条，在使用的时候可以借助拉力将蜂窝条拉到需要尺寸，这大大节省了储备和运输空间，减低了储备和运输的费用，同时也节约了大量的人力和物力。这点较泡沫夹层相比，具有较大的市场优势。
在生产和加工时会有余料和费料的出现，废旧的铝制品容易回收处理，反复利用。泡沫夹芯是一种难于降解的高分子材料，由多种原料经混合发泡后制得，废旧材料较难回收利用，如处理不当，造成了能源和资源的浪费，会形成“白色垃圾”较难分解而污染环境。
3. 现状和展望
然而，与泡沫夹层材料相比，铝蜂窝芯也有一定的缺陷。铝蜂窝夹层的不足之处是蜂窝芯与面板的脱层和长时间使用时铝蜂窝会出现腐蚀性。
目前，国内生产销售的蜂窝铝板均采用胶粘方式，这种粘结方式是可以满足正常的使用；同时作为一种新的钎焊蜂窝铝板技术的发展，使芯材与面板实现冶金接合，机械强度如抗拉、剪切、弯曲、剥离强度都大大提高，能在各种特殊环境下正常工作，如航天器的超高温和超低温太空辐射，汽车及火车的高频率高强度振动，轮船高湿度环境等，更能满足当前高精尖技术发展对材料的要求[12]。
铝蜂窝耐腐蚀性主要是集中铝制品的表面防腐处理，现在对铝制品表面处理方式主要是化学氧化法和阳极化法。例如西安雅西复合材料公司利用铬酸盐法（克罗米法）和磷酸阳极化对铝箔表面进行防腐处理，使铝箔表面具有一层硬度高、化学稳定性高、抗蚀性的氧化铝层，使铝蜂窝芯产品具有较强的耐腐蚀性，增加了铝蜂窝芯的寿命。
其次，由于蜂窝夹层结构制造工艺复杂，增大了其加工难度和加工成本，因此阻碍了其在某些领域的应用。所以，降低铝蜂窝芯的加工制作成本是扩大其应用范围的关键。
随着加工技术水平的提高和加工成本的降低，铝蜂窝夹层材料将在除航天航空外，在建筑、汽车、火车和电子电气、太阳能等行业也将得到越来越多的关注。

参考文献
[1] 李涛,陈蔚,成理.等.泡沫夹层结构复合材料的应用与发展[J]。研究报告,2009
[2] 赵景丽.蜂窝夹层结构复合材料的研究[D], 陕西：西北工业大学。
[3] 李协平, 王洪奎.硬酯闭孔聚氨酯泡沫塑料的力学性能[J],宇航材料工艺, 1988,(1): 24－29
[4] 何立燕, 张广成.国内泡沫塑料高性能化研究现状[J],化工新型材料, 2004,32(9): 9－12
[5] 窦润龙.复合材料泡沫夹层结构在民机上的应有[J].材料工艺
[6] 张媛,郑百哲,李妮.蜂窝夹芯板的理论研究[J]. 北京工商大学学报(自然科学版),2001,12: 47
[7] 张广平,戴千策.复合材料蜂窝板及其应用[J],纤维复合材料,2000,2：25
[8] 陈秀娣.超薄铝蜂窝夹层结构板的弯曲刚度试验[J],航天工艺,1995,4：26
[9] 麻文焱,倪晗,姚文戈.铝蜂窝地板力学性能试验研究[J].试验技术与试验机,2002,3-4：29
[10] 陈勇军,左,孝青,史庆南等.金属蜂窝的开发、发展及应用[J].材料导报，2003，17(12):32-35
[11] ]彭明军,孙勇,李东田.简介蜂窝铝板,材料导报网刊,2006年3月第1期
[12] 范秋习.蜂窝夹层复合材料[J],北京轻工业学院学报,1998,6：77