蜂窩材料是一種複合材料，在航空航天領域通常稱其為蜂窩結構。1945年試製成最早的蜂窩夾層結構。在航空航天工業中，蜂窩夾層結構常被用於製作各種壁板、翼面、艙面、艙蓋、地板、發動機護罩、尾噴管、消音板、隔熱板、衛星星體外殼等。
蜂窩結構是一種夾層結構，其夾芯層由一系列六邊形、四邊形或其他形狀的形似蜂窩的孔格組成，並在夾芯層的上下兩面膠接（或釺焊）上較薄的面板/蒙皮。蜂窩結構比其他形式的夾層結構具有更高的強度和剛度。近年來，由於綠色環保包裝業的發展，開始大量使用紙質的蜂窩夾層結構用做新型包裝材料，該類材料也被稱為蜂窩複合材料這使蜂窩複合材料的名稱廣泛傳播開來。
基本介紹
- 中文名：蜂窩材料
- 外文名：Cellular materials
- 形狀：六邊形、四邊形
- 優點：更高的強度和剛度
- 套用：壁板、翼面、艙面、艙蓋
- 別稱：蜂窩複合材料
研究背景,蜂窩材料製備,蜂窩材料變形機制,共面變形,異面變形,
研究背景
蜜蜂的蜂窩具有稜柱形六邊形孔穴的規則排列，它集中體現了二維結構的多孔固體。這裡，在廣泛的意義上使用“蜂窩”一詞，來描述由相同柱狀孔穴堆疊在一起填充平面的任何排列。通常這些孔穴的截面為六邊形，如同蜜蜂的蜂窩孔穴，但它們也可為三角形、正方形或菱形。
人造聚合物、金屬和陶瓷的蜂窩材料早已面世，現在已可得其標準產品。它們有多種多樣的套用：聚合物和金屬的可用於所有夾層板芯，從價格低廉的門到先進的航天部件；金屬的還可用於能量吸收裝置（阿波羅Ⅱ號著陸艙的底座使用可壓扁的鋁蜂窩體作為吸振器；陶瓷的用於高溫處理（如作為催化劑載體和熱交換器）。許多天然材料-木材即其中的一種，都可進行理想化處理而當作蜂窩體來分析。如果這種材料要用作承載結構，那么對其力學性能的了解是重要的。
研究蜂窩材料還有第二個充分的理由，那就是：其研究結果可展示出複雜得多的三維泡沫材料的力學性能。分析泡沫材料是一件困難的事情：其孔壁形成交錯的三維網路，在變形時產生難於確定的扭曲。蜂窩體則簡單得多。大型模型可由橡膠、金屬或陶瓷製得，其變形方式也可觀察到並能分類。另外，因為蜂窩材料具有規則的幾何結構，故其形變可在不同程度上進行精確的分析，給出描述其性能的方程式。最後，分析結果可由裁製模型的實驗來檢驗。
蜂窩材料製備
一種含高溫塑膠聚苯乙烯的封閉蜂窩材料的新製造方法如下：
通過化學鍍的方法在高分子粉末上鍍覆一層鎳磷合金，並進行高溫燒結，得到了含高分子聚合物的金屬封閉蜂窩材料。SEM和EDS （能量色散譜）分析表明經熱處理後聚合物仍處於封閉空間裡。這種材料具有低的彈性模量和高的能量吸收性能、高的衰減係數。
封閉蜂窩材料製造過程如下：
1、在10μm聚苯乙烯上化學鍍0.46μm厚的鎳。
2、將聚苯乙烯粉末放置在8mm或16mm的小球內，進行90℃衡壓200MPa壓縮。
3、進行真空8000℃高溫燒結1h。
封閉蜂窩材料的抗壓應力與壓應變的關係如下圖所示，應力與應變關係具有良好的線性關係。這對應了高能吸收性能，表明這種材料具有高能吸收特性可以用於衝擊能量的吸收。
應力與應變關係圖蜂窩材料變形機制
下圖表示出了六邊形的蜂窩體，到目前為止這是最普遍的一種。共面剛度和強度是最低的，因為該平面內的應力使孔壁產生彎曲。而異面剛度和強度則要大得多，因為它們需要孔壁的軸向伸長或壓縮。
六邊形的蜂窩體共面變形
下圖示出了彈性蜂窩材料（橡膠）、彈塑性蜂窩材料（金屬）及彈脆性蜂窩材料（陶瓷）的壓縮和拉伸的應力-應變曲線。
它們的形狀有著廣泛的相似性，但是原因各不相同。在壓縮時，開始全都表現出一個線彈性區，後面接著一個應力近乎恆定的平台，最後進入一個應力陡然升高區。每個區域都聯繫著一個變形機制，這些機制可由對模型蜂窩體的載入和照相而得以確認。在開始載入時，孔壁就彎曲，產生線彈性（當然，只要孔壁材料本身是線彈性的）。但當達到臨界應力時，孔穴開始坍塌：對於彈性體材料，坍塌由孔壁的彈性屈曲所造成，故它可以恢復；對於具有塑性屈服點的材料，坍塌由彎曲邊的最大力矩截面處形成塑性鉸所造成；而對於脆性材料，則是由孔壁的脆性斷裂所造成；當然，後兩者是不可恢復的。最終，當處於高應變時，孔穴充分坍塌以至相對孔壁發生接觸（或它們斷裂的片段堆積在一起），且進一步的變形即壓縮到孔壁材料本身。這導致了應力-應變曲線的最後陡然上升部分，標誌著緻密化的出現。
壓縮和拉伸的應力-應變曲線蜂窩材料相對密度的加大，增加了孔壁的相對厚度。故而，孔壁的彎曲抗力和孔穴的坍塌抗力均提高，造成較高的模量和坪應力；且孔壁觸及較快，這就減小了緻密化開始的應變。
拉伸變形可以是不同的。孔壁一開始就出現彎曲，以與壓縮時同樣的斜率（故亦為同樣的模量）發生線彈性變形。但在拉伸時彈性蜂窩材料不會產生屈曲；而是孔壁轉向拉伸軸，剛性提高。塑性蜂窩體的表現方式則幾乎與其在壓縮時的一樣：形成塑性鉸，在一個近乎常數的“坪”應力作用下，允許大的變形；僅僅是幾何上的改變引起差異，這通常是將拉伸曲線推至壓縮曲線的位置之上。脆性蜂窩體在拉伸時是猝然破壞的，這時的應力值通常低於真正的抗壓強度。對於任何脆性固體，在拉伸時的斷裂場都是由最主要的缺陷（裂紋、刻痕或損壞的孔壁群等）所控制，這種缺陷的擴展方式可由斷裂機制的方法進行計算。增加相對密度具有與壓縮時相似的效果：彈性模量、多孔固體結構與性能塑性屈服應力和脆性斷裂應力都會相應增大。
異面變形
當沿著孔穴軸向載入時，蜂窩材料的剛性更大得多，強度也更高得多。對於異面剪下載入的蜂窩材料（像夾層鑲板中蜂窩體的彎曲載入）同樣如此。在這些情況下，初始的線彈性變形包含了孔壁本身巨大的軸向或剪下變形。在壓縮過程中，線彈性區域被屈曲（對合成橡膠是彈性的，而對金屬或剛性聚合物是塑性的）所截短，最終破壞由撕裂或擠壓造成。在拉伸過程中，直到撕裂、塑性屈服或斷裂為止，蜂窩材料都是彈性的。具有一個相對密度範圍的蜂窩材料的應力-應變曲線，形成了如下圖所示的一個族譜。
異面變形