范雨娇 王维维
1 蜂窝夹层复合材料及其优势
复合材料由于其优异的性能近年已备受关注。蜂窝夹层结构是一种复合材料结构形式，通常由2层或多层蒙皮（也称为“面板”）之间夹以一层轻质蜂窝夹芯并采用胶黏剂在一定温度和压力下复合成一个整体刚性结构（见图1）。其主要包括复合材料蒙皮材料、蜂窝材料和胶粘剂材料。目前的蒙皮材料根据固化温度可分为高温、中温、常温材料，按照材料体系可分为环氧树脂体系、氰酸酯树脂体系及双马树脂体系等。蜂窝材料包括纸蜂窝、铝蜂窝、Nomex蜂窝等。胶粘剂按照固化温度不同包括常温胶黏剂、中温胶粘剂、高温胶粘剂等。蜂窝夹层复合材料由所选用的蒙皮材料及蜂窝材料匹配胶粘剂材料进行设计，可以满足航空航天、汽车等领域的具体需求。
蜂窝夹层复合材料具备着复合材料的特点，并且由于其选用了蜂窝材料及其特殊的结构形式，也更扩宽了其应用的范围提升了其优势，蜂窝夹层复合材料具有以下特点：
①质量轻，比强度高，尤其是抗弯刚度高，同等质量的蜂窝夹层结构复合材料其抗弯刚度约为铝合金的5倍。
②具有较高的表面平面度，且可以制备出形状复杂的曲面结构；
可以制造成双曲、单曲面板，制成车辆零部件后拆装方便。
③可吸收震动能量，能够具备隔音降噪、减震等效果；
蜂窝夹层结构复合材料，内部含有大量的密闭蜂窝孔格，其内部充满大量空气，而气体相比固体的传播介质，具有更为出色的隔音、隔热效果。
④具有复合材料的耐腐蚀、绝缘性和环境适应性。
⑤具有可设计性，可根据实际需要选取具有相应功能的材料，如防火、自熄、耐温等材料。并可根据实际使用工况对材料的结构进行设计。
⑥优异的成型制造工艺性，可以满足各类形状复杂、稳定性要求高的零部件成型制造方法。
2 蜂窝夹层复合材料的应用
2.1 蜂窝夹层复合材料在航天领域的应用
蜂窝夹层复合材料由于其具有弯曲强度大、抗剪切失稳能力强、质量轻的优势，被广泛应用于对性能和重量有特殊要求的航天、航空结构中。特别是蜂窝夹芯结构具有较高的减重效率，在各种军、民机雷达罩、舱门、副翼和舵面结构中应用广泛。
蜂窝夹层结构复合材料在最早的美国F—15战斗机的机翼前缘、襟副翼、垂尾、平尾上都得到了应用。后在美国的F/A—18飞机上也应用于飞行控制面，在后期研制的F—35飞机应用更加广泛，在飞机的襟副翼、平尾和垂尾前缘、方向舵等均采用了蜂窝夹层结构。在民用飞机方面，蜂窝夹层复合材料同样展示着其独特优势，A320、A340、A380、以及B787都采用此结构形式的结构件，如方向舵（见图2）、升降舵、翼尖、发动机机舱等部位。
由于蜂窝夹层结构具有优良的力学性能和减震耐腐蚀等特点也广泛应用于航空航天功能件中。蜂窝夹层复合材料结构广泛应用于整流罩、天线罩等功能件中。通过其外形的设计，可满足飞行器的气动外形要求，并通过其模拟计算和结构设计，通过特定的结构形式满足其透波等特点。另外，在飞机内饰件中蜂窝夹层结构复合材料也应用广泛，其可作为飞机的地板、内饰壁板等结构。随着蜂窝夹层结构成型工艺的不断优化和成熟，已有学者从环保等领域开展蜂窝夹层结构在飞机内饰件上的应用，如有研究者就着眼于研究“生物质预浸料+绿色蜂窝”与“改性酚醛预浸料+绿色蜂窝”2种绿色蜂窝夹层结构飞机侧壁板的生产制备。
2.2 蜂窝夹层复合材料在轨道交通领域的应用
早期蜂窝夹层结构复合材料构件主要应用在车内墙板、顶板等简单构型的制件中。随着其制造工艺的不断优化，许多企业采用此结构设计制造车辆的一些复杂结构的零部件，如内外车门的门板、行李架等。在蜂窝夹层结构复合材料的应用方面，欧洲是最早开展研究和应用的，在法国的TGV系列和意大利的ETR系列的高速列车，较早采用了蜂窝夹层复合材料结构。由于受到成型工艺的限制，国内的应用早期并不广泛。后期随着对车辆轻量化的要求的不断提高，蜂窝夹层材料也被应用到国产动车组样车上的平顶板和车门门板，后随着技术的成熟和应用效果较好，在国产动车组的间壁、平顶板、车下设备舱底版、空调风罩和空调机组整流罩和各种车门门板上取得应用。真正使蜂窝夹层结构复合材料的应用取得突破性进展的还是CRH系列动车组（见图3），因为在其中蜂窝夹层结构复合材料不仅仅是在以上型面简单的构件中得到应用，而且也在形状相对复杂、制造要求高的内侧壁板中得到应用。并且也应用在了有着较高承载和耐磨要求的行李架上。这也标志着蜂窝夹层复合材料在我国轨道交通领域应用的一个新的阶段。
2.3 蜂窝夹层复合材料在舰船领域的应用
蜂窝夹层结构最早在舰船的应用是在美国海军的DD（X）和DDG—51型驱逐舰上的甲板上，由于其质量优势可以有效提升军舰的机动性以及抗冲击性。后期英国、澳大利大等国家也开展了此方面的研究。由于蜂窝夹层结构的可设计性，采用特殊设计可以提高其军舰的隐身性能，可以提供相应的功能特性。在瑞典皇家海军的研究中，曾使用石墨/环氧材料制成的蜂窝夹层结构运用在舰艇船体外板上，从而提升其隐身效果。随着蜂窝夹层结構在军用产品上的应用成熟、效果良好，后期也将其推广至民用领域，可运用到甲板室及内部的家具、楼梯等大部分结构中。现在舰艇上的部分整流罩和天线罩也采用蜂窝夹层复合材料进行制造（见图4），具有很好的耐腐蚀性及减重透波效果。
3 蜂窝夹层复合材料的成型方法
蜂窝夹层复合材料的应用领域的不断扩展、应用范围的不断增加与其不断成熟和优化的制造工艺有着紧密的关系。按照蜂窝夹层复合材料蜂窝与面板的胶接顺序，可将蜂窝夹层复合材料成型工艺分为共固化成型、胶接共固化成型、二次胶接成型。
3.1 整体共固化
共固化成型是将上下蒙皮以及蜂窝芯和胶膜组合在一起，将蒙皮的固化与面板和蜂窝芯的胶接固化一次成型。但是由于蜂窝芯本身的抗压强度有限，在成型过程中工艺参数的设定需要考虑蜂窝芯的抗压强度并受到一定限制，所以蒙皮材料的性能也受到一定影响。此种方式成型后的检测需要借助特定的超声和X光等手段观察内部的质量，特别对于内部蜂窝和胶接面无法进行直观检查。但在蜂窝夹层复合材料成型工艺中，较为关键的部位也就是芯材和蒙皮之间的胶接界面，该方法能够很好的进行保证胶接强度。另外由于共固化成型的工序较少，可以缩短生产周期。而且共固化成型的制件，其整体性较好，更能够发挥复合材料的可设计性和一体化的特点。
3.2 分步胶接共固化
胶接共固化过程是先将一侧蒙皮与蜂窝进行粘接完成蒙皮固化与胶接固化过程后，将另一侧蒙皮与蜂窝进行粘接，完成胶接和固化的过程。与整体共固化同理，此类固化过程中由于蜂窝承压能力限制，蒙皮的成型质量将受到影响，但胶接质量可以得到较好的保证。相比于整体固化成型，分布的胶接固化成型在固化后可以进行检测，可及时发现问题。但是由于第一次固化可能会产生变形，所以在第二次固化时有可能会影响胶接质量和制件的整体尺寸。
3.3 二次胶接
二次胶接成型为先将蒙皮进行固化后与蜂窝进行胶接。此种固化成型过程中，蒙皮材料可以在较大的压力下进行成型，具有较高的成型质量，并且在成型后容易对蒙皮进行检验，可及时发现问题，减小损失。但是由于蒙皮已经固化成型，为刚性材料，若其与蜂窝芯的胶接过程中如出现型面不匹配容易造成脱粘的情况。而且胶接过程对于胶接界面的表面状态、操作环境的要求都相对严格。与共固化相比，其固化次数较多，需要的生产周期相对较长。
整体共固化、分步胶接共固化、二次胶接等3种固化工艺的对比见表1所示。
4 蜂窝夹层复合材料成型工艺的主要工艺要点
随着近年来复合材料成型技术的不断进步，蜂窝夹层复合材料的成型工艺也不断成熟。伴随着成型工艺的不断成熟，更多学者也在提升蜂窝夹层复合材料一体化设计与制造方面以及提高整体外形尺寸精度降低成本方面进行研究和探索。蜂窝夹层复合材料成型工艺实现以上优化的过程中，需要考虑以下问题。
4.1 模具设计
随着近年蜂窝夹层结构在各领域应用的不断扩展，特别是对于形状复杂的制件，模具设计方面需要进行特别的考虑。若要实现复杂结构的蜂窝夹层复合材料构件的整体共固化成型，不仅需要考虑模具设计方法以实现顺利脱模过程，另外还要考虑模具组合后各个部位的加压过程和整个模具的温度均匀性。
4.2 蜂窝成型
蜂窝夹层结构复合材料的成型过程中，由于蒙皮材料較薄，所以制件整体的尺寸和外形与蜂窝材料有着直接关系。对于曲面蜂窝结构，如何实现蜂窝材料的曲面结构的加工成型，对于带有变截面结构形式的蜂窝夹层结构复合材料，如何将蜂窝进行预先固定，实现变形控制也是工艺上的主要研究方向。
4.3 工艺参数控制
任何复合材料成型过程中工艺参数的设定都直接影响着产品的成型质量，对于蜂窝夹层结构复合材料的成型过程，温度、压力、时间的控制尤为关键，因为它不仅仅会影响到蒙皮材料及胶接区域的质量，还可能会导致蜂窝滑移等问题，另外对于大尺寸制件，如何实现模具温度的均匀性减小变形量也与工艺参数的控制有着很大关系。
5 结语
蜂窝夹层复合材料凭借其优势已经应用于航空航天，轨道交通，舰船等各个方面。蜂窝夹层复合材料应用领域的不断扩展，也同样给预浸料蜂窝和胶膜等原材料提出更高的要求，推动其不断优化和发展。另外随着制件形状的复杂程度不断增加，性能要求及减重要求不断提高，也对于复合材料的成型工艺提出新的挑战。在成型过程中，根据制件的特点以及项目周期和成本等要求，规划选择合理的工艺方案。在现有工艺的基础上，如何实现复合材料的一体化成型，通过模具设计和工艺控制等因素提高制件的成型质量是主要的研究和努力方向。
10.19599/j.issn.1008-892x.2020.06.013
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