張建明 黨曉娟

夾層結構作為復合材料領域的重要結構形式之一，它由上下2層較薄的面板和較厚的輕質芯材組成，芯材連接上下面板使之成為一種整體結構，讓面板在承擔較高的拉壓應力時不發(fā)生屈曲，同時將剪切應力從面板層傳遞到芯材內層，因此，夾層結構具有質量輕、彎曲剛度和強度大、抗失穩(wěn)能力強等優(yōu)點[1，2]。該結構形式首先在航空航天領域得到應用，如英國的“蚊式”轟炸機上就采用了全木質的夾層結構[3]。

芳綸紙蜂窩芯材作為夾層結構復合材料用芯材之一，其具有天然蜂巢的六邊形結構，用其制備成的夾層結構具有比強度高、比剛度大、結構穩(wěn)定性強、隔音、隔熱、阻燃、燃燒時煙量少且毒性小等優(yōu)點。芳綸紙蜂窩芯材按照孔格形狀，主要分為六邊形蜂窩、過拉伸型蜂窩、增強六邊形蜂窩和柔性蜂窩[4]；按照芳綸紙的類型又可將芳綸紙蜂窩分為間位芳綸紙蜂窩芯材和對位芳綸紙蜂窩芯材（分子式見圖1所示）。間位芳綸是由間苯二甲酰氯和間苯二胺進行界面縮聚或者低溫溶液縮聚制得，美國杜邦公司的Nomex@間位芳綸紙為其代表之一，國內煙臺民士達特種紙業(yè)股份有限公司（以下簡稱“煙臺民士達”）、超美斯新材料等公司股份有限公司（以下簡稱“超美斯新材料”）也已形成間位芳綸紙的商業(yè)化生產(chǎn)；對位芳綸是由對苯二甲酰氯和間苯二胺縮聚制得，美國杜邦公司商品名為Kevlar@的芳綸紙就采用對位芳綸制作而成，國內華南理工大學、深圳昊天龍邦復合材料有限公司及煙臺民士達也可生產(chǎn)與杜邦Kevlar@對位芳綸紙性能接近的產(chǎn)品。目前，間位芳綸紙蜂窩芯材應用最為廣泛的領域為航空航天、軌道交通及船舶等。

1 芳綸紙蜂窩芯材制備技術

1.1 生產(chǎn)工藝流程

國內外芳綸紙蜂窩芯材的常用生產(chǎn)工藝流程見圖2。該工藝最初源自美國，將芳綸紙開卷后經(jīng)過“涂芯條膠→疊合→芯條膠固化→拉伸→定型→浸膠→烘干固化→片切加工”等工序后制得芳綸紙蜂窩產(chǎn)品。與美國的生產(chǎn)工藝流程不同，俄羅斯應技術封鎖的原因自行研究出了一套新的工藝流程，該工藝通過“在芳綸紙上浸膠→浸漬膠半固化→涂芯條膠→疊合→芯條膠固化→拉伸→定型→片切加工”等制得芳綸紙蜂窩產(chǎn)品[5]。這套工藝與美國的工藝流程相比，可有效提高芳綸紙蜂窩的密度均勻性，但其工藝控制難度大，需要芳綸紙、芯條膠及浸漬樹脂這些主要原材料與設備之間具有良好的匹配性。

1.2 具體工藝過程

涂芯條膠工序采用涂膠機將芯條膠涂印在芳綸紙上，常用的涂膠方式為凹印涂膠法。涂膠過程中涂膠輥依靠輥子的壓力將芯條膠涂印到芳綸紙上，涂膠輥上凹槽的寬度和間距根據(jù)蜂窩的孔格邊長來確定。以正六邊形蜂窩芯材為例，膠條的理論寬度若為A，2條凹槽之間的中心距為4A；涂膠機將芳綸紙表面均勻的涂印上膠條后，根據(jù)需求將涂膠后芳綸紙裁切成一定的長度，按照錯位疊合的方式進行疊合操作：即上一張芳綸紙的膠條對應下一張芳綸紙2個膠條的正中間，見示意圖3。

完成疊合工作后，進行芳綸紙蜂窩疊板的壓制工作，壓制過程可在熱壓機或者熱壓罐中進行，芯條膠在壓制過程完成固化，使蜂窩孔格的節(jié)點強度滿足后續(xù)拉伸及定型工序的工藝要求。對芳綸紙蜂窩疊板（疊條）進行拉伸，拉伸前可將疊板（疊條）放入自來水中浸泡一定時間，降低拉伸過程中應力，隨后將拉伸后的蜂窩放入烘房中進行定型處理，定型溫度一般在芳綸紙玻璃化溫度附近，定型處理后可釋放芳綸紙的回彈應力，使蜂窩孔格形狀固定，保證蜂窩產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性。定型完成后的芳綸紙蜂窩需要在浸膠機的膠槽中進行浸膠處理，浸膠過程中應將蜂窩孔格的軸向與水平面保持垂直，通過膠液密度、提升速度對蜂窩的上膠量進行控制，可反復多次浸膠直到蜂窩密度達標，2次浸膠之間一般會對蜂窩進行烘干處理，烘干處理可避免蜂窩表面的樹脂在后續(xù)多次浸膠過程中再次溶于膠液中，降低蜂窩密度的控制難度。由于芳綸紙蜂窩的使用環(huán)境一般都有阻燃的要求，故芳綸紙蜂窩芯材的浸漬液一般選用熱固性酚醛樹脂，蜂窩固化后便可根據(jù)需要進行加工制得成品。

1.3 芳綸紙蜂窩常見缺陷

芳綸紙蜂窩芯材與其他復合材料產(chǎn)品一樣，芳綸紙蜂窩芯材在制造過程中同樣會產(chǎn)生缺陷，常見的缺陷有雙層壁、嵌套孔格、堵膠、蜂窩表面氣泡、蜂窩節(jié)點寬/窄、s型孔格、人字形孔格等，各常見缺陷見圖4。

2 芳綸紙蜂窩芯材的應用研究

2.1 航空航天領域

芳綸紙蜂窩芯材與面板結合制成夾層結構后，可作為理想的結構形式之一，在航空航天領域得到廣泛的應用（見圖5），在航空領域，芳綸紙蜂窩芯材的主要應用部位包括襟翼、副翼、垂尾前緣、方向舵、鴨翼、機身、槳葉等部位，芳綸紙蜂窩芯材在國內外部分機型上的具體應用部位見表1[6，7]。近些年，國內外研究人員針對芳綸紙蜂窩及其夾層結構制備工藝開展了大量研究。袁超等[8，9]分析某型復合材料蜂窩夾層結構方向舵的結構特點和工藝路線得出，采用二次膠接工藝可保證復合材料零件表面質量及內部質量；同時還分析了復合材料蜂窩夾層結構J形梁的結構特點和工藝難點，通過組合工裝的設計，工藝參數(shù)的優(yōu)化和鋪疊過程多次抽真空預處理操作提高零件成型質量。陳靜[10]對不同類型的復合材料面板蜂窩夾層結構進行不同速度下的鳥撞試驗，得出了以下結論：在較低鳥撞速度下，玻璃布面板的蜂窩夾層結構均比碳布面板的蜂窩夾層結構抗鳥撞能力強，且玻璃布面板蜂窩夾層結構重量較低；在較高的鳥撞速度下，玻璃布面板的厚度越高，蜂窩夾層結構的抗鳥撞能力越強、相同鋪層信息下的高溫碳布面板的蜂窩夾層結構抗鳥撞性能比中溫碳布面板的結構弱。該試驗為后續(xù)的抗鳥撞結構設計及有限元數(shù)值模擬起到了非常有價值的指導意義。吳利敏等人[11]對U性夾芯結構復合材料蒙皮制造技術進行了研究，研究中從芳綸紙蜂窩芯局部穩(wěn)定輔助手工倒角、蜂窩外形控制等方面進行工藝改進，改善了過拉伸型芳綸紙蜂窩芯材手工修邊過程中倒角表面質量，同時通過對蒙皮鋪層的交叉固持，有效地解決了蜂窩芯材收縮的問題。陳蔚等人[12]針對間位芳綸紙蜂窩與雙馬樹脂基復合材料制備夾層結構時易出現(xiàn)蜂窩邊緣塌陷的問題，采用分步成型、蜂窩先膠接后修型的方法有效地解決了蜂窩塌陷的問題。

航空發(fā)動機作為飛機的心臟，其進氣道聲襯、反推裝置中均使用了芳綸紙蜂窩芯材，如A320上所使用的國際航空發(fā)動機公司的V2500進氣道聲襯中就使用了雙層結構的芳綸紙蜂窩芯材，針對發(fā)動機中蜂窩結構件的磨損故障，研究人員對環(huán)形結構的蜂窩更換及修理工藝進行了研究，分析確定了常見蜂窩更換修理質量問題的形成原因[13]。

而在航天領域，針對新一代運載火箭衛(wèi)星整流罩透波和減重的要求，設計人員提出玻璃纖維—芳綸紙蜂窩夾層結構的整流罩方案，通過透波試驗和等效橫梁載荷靜力試驗，對該結構的透波承載性能進行了考核，并在實際飛行中驗證了該結構的衛(wèi)星整流罩[14]。另外，陳平等人[15，16]研制出Kevlar/Nomex蜂窩夾層結構微帶陣天線電器板，發(fā)現(xiàn)采用Kevlar/Nomex雙層蜂窩夾層結構，可使微帶陣天線具有高增益、高功率、低旁瓣等特性，該結構現(xiàn)已廣泛應用于國內衛(wèi)星電氣板。

2.2 軌道交通領域

隨著國內外高鐵技術的不斷發(fā)展，軌道交通已成為人們出現(xiàn)的主要交通工具之一，其在帶來生活和出行諸多便利的同時，本身的安全性和環(huán)保性現(xiàn)已成為關注的焦點，從節(jié)能減排的角度來講，軌道交通車輛的輕量化是衡量的主要標志之一。芳綸紙蜂窩夾層結構不僅可以減輕結構質量，同時還具有隔音、阻燃、減震等優(yōu)異性能，該結構現(xiàn)已在高鐵車輛的車廂側板、頂板、座椅、隔板、行李架以及天窗板等部位上得到應用（見圖6）。芳綸紙蜂窩夾層結構的使用可降低車廂的重心以及車軸、軌道的負荷，減輕車輛質量同時提高列車的速度[16]。國外高速列車上芳綸紙蜂窩夾層結構的應用已非常廣泛，如意大利ETR500高速列車、法國TGV高速列車、美國BART地鐵的內部結構邊墻、天花板和行李架，歐洲隧道旅游車內飾件上均采用了芳綸紙蜂窩—酚醛層壓板夾層結構[17]。國內CHR5型動車組是以意大利ETR500高速列車為原型，現(xiàn)在CHR5型動車的墻板、頂板、車窗、行李架、通過平臺頂板等均為芳綸紙蜂窩夾層結構[18，19]。除了這些非承力件，芳綸紙蜂窩夾層結構還在車頂、車身等主承力件上得到了應用，如意大利ETR500列車車頂就采用密度為48kg/m3芳綸紙蜂窩與玻璃纖維增強酚醛樹脂預浸料，經(jīng)熱壓罐成型制備而成，該車頂不僅滿足列車車頂彎曲剛度、阻燃及耐老化性能的要求，還將車頂質量由1 080k g降低至512k g[20]。未來芳綸紙蜂窩芯材在高鐵、輕軌等軌道交通上的批量應用將成為必然。

2.3 其他領域

芳綸紙蜂窩芯材因其突出的各項性能，還被廣泛應用于風機葉片、船舶游艇、賽艇、滑雪板、房車等的制造（圖7）。

3 結語

隨著復合材料制備技術的不斷發(fā)展，未來芳綸紙蜂窩芯材在各領域的應用將更加廣泛，但芳綸紙蜂窩芯材還存在著制造成本較高、主要原材料芳綸紙依靠進口等問題。國內芳綸紙生產(chǎn)廠家應將重點放在紙張抄造、熱壓等關鍵工藝上，攻克芳綸紙蜂窩主要原材料芳綸紙制造關鍵技術，讓國產(chǎn)芳綸紙能用且好用，替代現(xiàn)有杜邦Nomex@芳綸紙，降低芳綸紙蜂窩制造成本，滿足不同領域對芳綸紙蜂窩的需求。

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