[科普中国]-蜂窝材料

蜂窝材料是一种复合材料，在航空航天领域通常称其为蜂窝结构。1945年试制成最早的蜂窝夹层结构。在航空航天工业中，蜂窝夹层结构常被用于制作各种壁板、翼面、舱面、舱盖、地板、发动机护罩、尾喷管、消音板、隔热板、卫星星体外壳等。

蜂窝结构是一种夹层结构，其夹芯层由一系列六边形、四边形或其他形状的形似蜂窝的孔格组成，并在夹芯层的上下两面胶接（或钎焊）上较薄的面板/蒙皮。蜂窝结构比其他形式的夹层结构具有更高的强度和刚度。近年来，由于绿色环保包装业的发展，开始大量使用纸质的蜂窝夹层结构用做新型包装材料，该类材料也被称为蜂窝复合材料这使蜂窝复合材料的名称广泛传播开来。

研究背景蜜蜂的蜂窝具有棱柱形六边形孔穴的规则排列，它集中体现了二维结构的多孔固体。这里，在广泛的意义上使用“蜂窝”一词，来描述由相同柱状孔穴堆叠在一起填充平面的任何排列。通常这些孔穴的截面为六边形，如同蜜蜂的蜂窝孔穴，但它们也可为三角形、正方形或菱形。

人造聚合物、金属和陶瓷的蜂窝材料早已面世，现在已可得其标准产品。它们有多种多样的应用：聚合物和金属的可用于所有夹层板芯，从价格低廉的门到先进的航天部件；金属的还可用于能量吸收装置（阿波罗Ⅱ号着陆舱的底座使用可压扁的铝蜂窝体作为吸振器；陶瓷的用于高温处理（如作为催化剂载体和热交换器）。许多天然材料-木材即其中的一种，都可进行理想化处理而当作蜂窝体来分析。如果这种材料要用作承载结构，那么对其力学性能的了解是重要的。

研究蜂窝材料还有第二个充分的理由，那就是：其研究结果可展示出复杂得多的三维泡沫材料的力学性能。分析泡沫材料是一件困难的事情：其孔壁形成交错的三维网络，在变形时产生难于确定的扭曲。蜂窝体则简单得多。大型模型可由橡胶、金属或陶瓷制得，其变形方式也可观察到并能分类。另外，因为蜂窝材料具有规则的几何结构，故其形变可在不同程度上进行精确的分析，给出描述其性能的方程式。最后，分析结果可由裁制模型的实验来检验。

蜂窝材料制备一种含高温塑料聚苯乙烯的封闭蜂窝材料的新制造方法如下：

通过化学镀的方法在高分子粉末上镀覆一层镍磷合金，并进行高温烧结，得到了含高分子聚合物的金属封闭蜂窝材料。SEM和EDS （能量色散谱）分析表明经热处理后聚合物仍处于封闭空间里。这种材料具有低的弹性模量和高的能量吸收性能、高的衰减系数。

封闭蜂窝材料制造过程如下：

1、在10μm聚苯乙烯上化学镀0.46μm厚的镍。

2、将聚苯乙烯粉末放置在8mm或16mm的小球内，进行90℃衡压200MPa压缩。

3、进行真空8000℃高温烧结1h。

封闭蜂窝材料的抗压应力与压应变的关系如下图所示，应力与应变关系具有良好的线性关系。这对应了高能吸收性能，表明这种材料具有高能吸收特性可以用于冲击能量的吸收。1

蜂窝材料变形机制下图表示出了六边形的蜂窝体，到目前为止这是最普遍的一种。共面刚度和强度是最低的，因为该平面内的应力使孔壁产生弯曲。而异面刚度和强度则要大得多，因为它们需要孔壁的轴向伸长或压缩。

共面变形下图示出了弹性蜂窝材料（橡胶）、弹塑性蜂窝材料（金属）及弹脆性蜂窝材料（陶瓷）的压缩和拉伸的应力-应变曲线。

它们的形状有着广泛的相似性，但是原因各不相同。在压缩时，开始全都表现出一个线弹性区，后面接着一个应力近乎恒定的平台，最后进入一个应力陡然升高区。每个区域都联系着一个变形机制，这些机制可由对模型蜂窝体的加载和照相而得以确认。在开始加载时，孔壁就弯曲，产生线弹性（当然，只要孔壁材料本身是线弹性的）。但当达到临界应力时，孔穴开始坍塌：对于弹性体材料，坍塌由孔壁的弹性屈曲所造成，故它可以恢复；对于具有塑性屈服点的材料，坍塌由弯曲边的最大力矩截面处形成塑性铰所造成；而对于脆性材料，则是由孔壁的脆性断裂所造成；当然，后两者是不可恢复的。最终，当处于高应变时，孔穴充分坍塌以至相对孔壁发生接触（或它们断裂的片段堆积在一起），且进一步的变形即压缩到孔壁材料本身。这导致了应力-应变曲线的最后陡然上升部分，标志着致密化的出现。

蜂窝材料相对密度的加大，增加了孔壁的相对厚度。故而，孔壁的弯曲抗力和孔穴的坍塌抗力均提高，造成较高的模量和坪应力；且孔壁触及较快，这就减小了致密化开始的应变。

拉伸变形可以是不同的。孔壁一开始就出现弯曲，以与压缩时同样的斜率（故亦为同样的模量）发生线弹性变形。但在拉伸时弹性蜂窝材料不会产生屈曲；而是孔壁转向拉伸轴，刚性提高。塑性蜂窝体的表现方式则几乎与其在压缩时的一样：形成塑性铰，在一个近乎常数的“坪”应力作用下，允许大的变形；仅仅是几何上的改变引起差异，这通常是将拉伸曲线推至压缩曲线的位置之上。脆性蜂窝体在拉伸时是猝然破坏的，这时的应力值通常低于真正的抗压强度。对于任何脆性固体，在拉伸时的断裂场都是由最主要的缺陷（裂纹、刻痕或损坏的孔壁群等）所控制，这种缺陷的扩展方式可由断裂机制的方法进行计算。增加相对密度具有与压缩时相似的效果：弹性模量、多孔固体结构与性能塑性屈服应力和脆性断裂应力都会相应增大。

异面变形当沿着孔穴轴向加载时，蜂窝材料的刚性更大得多，强度也更高得多。对于异面剪切加载的蜂窝材料（像夹层镶板中蜂窝体的弯曲加载）同样如此。在这些情况下，初始的线弹性变形包含了孔壁本身巨大的轴向或剪切变形。在压缩过程中，线弹性区域被屈曲（对合成橡胶是弹性的，而对金属或刚性聚合物是塑性的）所截短，最终破坏由撕裂或挤压造成。在拉伸过程中，直到撕裂、塑性屈服或断裂为止，蜂窝材料都是弹性的。具有一个相对密度范围的蜂窝材料的应力-应变曲线，形成了如下图所示的一个族谱。2

本词条内容贡献者为:

耿彩芳 - 副教授 - 中国矿业大学