蜂窝夹层结构复合材料.pdf

1.1.夹层结构

一种复合构造的板、壳结构，它的两个表面由很薄的板材做成,中间夹以较
轻的夹芯层。前者称为表板,要求强度高；后者称为夹层，要求重量轻。第二次
世界大战时,为了充分利用木材资源,英国的“蚊式”轰炸机上就采用了全木质夹
层结构。一般夹层结构用于机翼、尾翼、机身、箭体、箭头、减速板、发动机短
舱、隔音装置、防火隔板等。与薄壁结构的薄蒙皮相比，夹层板的厚度大得多，
抵抗失稳能力强，重量还可减小，而且表面光滑，气动外形良好。但它的制造工
艺复杂，工艺质量又不易检验，所以应用受到限制。夹层结构表板的材料有铝合
金、不锈钢、钛合金和各种复合材料。夹层材料有轻质木材、泡沫塑料等，也可
用金属材料或复合材料制成波纹板夹层或蜂窝型夹层（见蜂窝结构）。夹层与表
板一般用胶粘结在一起,也可用熔焊、焊接连接,形成整体。在总体受力分析中，
认为上、下两表板只承受表板面内的拉、压力和剪切力,不能承受弯矩和扭矩,
而中间夹层只承受垂直于夹层中面的切力。夹层结构与一般板壳结构受力分析的
唯一差别在于挠度计算中除了考虑弯曲力矩产生的挠度外，还要考虑剪力的影
响。夹层结构的两表板之间距离较大，所以夹层结构的弯曲刚度比一般板壳结构
大得多，失稳临界应力显著提高。夹层结构自身不用铆钉,免除了钉孔引起的应
力集中,提高了疲劳强度。夹层结构与相邻结构的连接较为复杂，夹层本身的局
部接触强度较弱,又需承受连接的集中力,因此必须妥善进行接头设计。

轻质夹芯

高强度面层

1.1.类型、特点及应用

类型：
按面层分类：玻璃钢、金属、绝缘纸、胶合板、塑料板等
按芯层分类：泡沫夹层结构、波板夹层结构、蜂窝夹层结构等。
特点：
泡沫夹层结构的夹芯材料是泡沫塑料其质量轻、刚度大、保温隔热性能好。但
是强度不高
蜂窝夹层结构的夹芯材料是蜂窝材料(玻璃布蜂窝、纸蜂窝、棉布蜂窝等)
特点：质量轻、强度大、刚度大
应用：构件尺寸较大、强度要求较高的部件。如图：

波板夹层结构
波板夹层结构的夹芯材料是波纹板(玻璃钢波纹板、纸基波纹板和棉
布波纹板)。
特点：制作简单，节省材料，但不适用于曲面形状的制品，质量轻、刚度大。

2.蜂窝夹层结构

2.1.概念性说明

蜂窝夹层结构是复合材料的一种特殊类型。由于这种轻型结构材料具有最优
比强度、比刚度、最大抗疲劳性能、表面平整光滑等特点,已在中国航天领
域得到较为广泛地应用。蜂窝夹层结构实质上是由3种基本材料组合而成的复
合材料,这为结构人员提供了广泛改变参数以满足设计技术指标的可能性。目
前在型号任务中最常用的为铝面板-铝蜂窝夹层结构、碳纤维面板-铝蜂窝夹
层结构、玻璃钢面板-玻璃钢蜂窝夹层结构、芙拉纤维面板-凯Nomex蜂窝
夹层结构等,其特点是结构较为复杂,外形尺寸精度要求高、工序内容多、研
制周期长。其轻质高强的特点在研制、、试验装配和搬运过程中容易出现各
种损伤。文章结合研制生产实践,分析了蜂窝夹层结构复合材料的几种主要破
坏模式,从而可采取相应措施,防止各种损伤破坏,提高产品质量。

2.2蜂窝夹层结构的组成.

蜂窝夹层结构由3个元件组成：
1)一对薄而强的面板,以承受轴向载荷、弯矩和面内剪力;
2)厚而轻的蜂窝芯子,它将上、下面板隔开,以承受由一个面板传递到另一个
面板的载荷和横向剪力;
3)胶粘剂,它能将剪力传递至蜂窝芯子和由蜂窝芯子传递只面板
2.3蜂窝夹层结构常用面板材料、蜂窝芯材和胶粘剂
2.2.1.面板材料

面板的主要功能是提供要求的轴向弯曲和面内剪切刚度,以承受轴向弯曲和面
内剪切载荷,在卫星结构中,面板常用预浸树脂石墨纤维单向带或织物,也有
采用铝合金面板或玻璃钢面板等,面板的选择按实际使用要求选定。

2.2.2.蜂窝芯子

蜂窝芯子形状主要采用正六边形。航天结构中的蜂窝芯子材料一般采用铝蜂窝芯
子、Nomex蜂窝芯子及玻璃钢蜂窝芯子。

2.2.3.胶粘剂

胶粘剂是蜂窝夹层结构复合材料研制生产中的重要材料,它对蜂窝夹层结构复
合材料的力学性能和制造工艺性能有一定影响。为此对胶粘剂的主要性能提出
了各种要求,主要有空间环境条件下性能稳定性、较好的综合力学性能、工艺
性能好、使用方便,同时在现有储存条件下储存期不低于6个月。对于蜂窝
夹层结构复合材料不同的使用部位和不同的要求,可选用下列各种胶粘剂:
1)结构胶粘剂—用于面板和蜂窝芯子胶接;
2)泡沫胶粘剂—用于蜂窝芯子与预埋件胶接、局部填充和加强;
3)拼接胶粘剂—用于大面积蜂窝芯子的拼接;
4)灌注胶粘剂—用于蜂窝夹层结构件成型后镶嵌件的后埋;
5)胶接热管胶粘剂—用于蜂窝夹层结构件中的热管胶接。

2.3.蜂窝夹层结构复合材料力学性能特性

蜂窝夹层结构的主要特点是上、下面板的材料厚度一般情况下均相同,而且
比蜂窝芯子