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“卡脖子”的復(fù)合材料--蜂窩材料

2024-05-11 15:29:31 來(lái)源：材料PLUS

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簡(jiǎn)介：蜂窩材料是一種復(fù)合材料，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，通常被稱為蜂窩結(jié)構(gòu)。蜂窩結(jié)構(gòu)由兩層面板和中間的蜂窩狀結(jié)構(gòu)組成，其獨(dú)特的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)使得它在航空航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。

蜂窩材料是一種復(fù)合材料，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，通常被稱為蜂窩結(jié)構(gòu)。蜂窩結(jié)構(gòu)由兩層面板和中間的蜂窩狀結(jié)構(gòu)組成，其獨(dú)特的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)使得它在航空航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。

蜂窩結(jié)構(gòu)是一種夾層結(jié)構(gòu)，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，并在夾芯層的上下兩面膠接(或釬焊)上較薄的面板/蒙皮。蜂窩結(jié)構(gòu)比其他形式的夾層結(jié)構(gòu)具有更高的強(qiáng)度和剛度。在航空航天工業(yè)中，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)常被用于制作各種壁板、翼面、艙面、艙蓋、地板、發(fā)動(dòng)機(jī)護(hù)罩、尾噴管、消音板、隔熱板、衛(wèi)星星體外殼等。

在全球范圍內(nèi)，蜂窩芯材生產(chǎn)商主要有美國(guó)Hexcel、美國(guó)Argosy International Inc、盧森堡Eurocomposites SA、日本昭和等國(guó)外企業(yè)，國(guó)內(nèi)包括常州中航前海新材料、佛山利銘蜂窩復(fù)合材料、湖北航宇新型材料、杭州華聚復(fù)合材料、蘇州貝芯蜂窩科技、廣州荷力勝蜂窩材料等企業(yè)。其中，美國(guó)Hexcel技術(shù)水平先進(jìn)，生產(chǎn)的蜂窩芯材主要應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域。2022年，全球蜂窩芯材市場(chǎng)規(guī)模為26.0億美元，預(yù)計(jì)在2023年-2032年間收入復(fù)合年增長(zhǎng)率為7.7%。

蜂窩材料的結(jié)構(gòu)

圖1 蜂窩材料的結(jié)構(gòu)

發(fā)展歷程

國(guó)內(nèi)外蜂窩材料的發(fā)展歷程如下所示：

圖2 國(guó)內(nèi)外蜂窩材料發(fā)展情況

種類及優(yōu)勢(shì)

種類：紙質(zhì)蜂窩材料，鋁質(zhì)蜂窩材料，塑料蜂窩材料，玻璃纖維蜂窩材料，石墨烯蜂窩材料、碳纖維蜂窩材料。

優(yōu)勢(shì)：優(yōu)異的強(qiáng)度重量比、高抗壓強(qiáng)度、優(yōu)異的隔熱性能、良好的耐腐蝕性能、輕量化、易于加工和成形;節(jié)省成本、具有經(jīng)濟(jì)效益。

蜂窩材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1、方向舵

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在大型民用飛機(jī)上的應(yīng)用最早是在Airbus公司的A310飛機(jī)的方向舵上，后用于A320、A340方向舵。目前最大的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)舵面是A340方向舵，它由蜂窩夾層結(jié)構(gòu)左、右壁板，碳纖維前梁(9.9m)，碳纖維根肋(2.6m)等組成，整體面積15.3㎡。

3.2、地板

飛機(jī)地板復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的面板通常采用玻璃纖維預(yù)浸料、碳纖維和Kevlar預(yù)浸料，基體選用環(huán)氧樹(shù)脂或酚醛樹(shù)脂。蜂窩芯子常用Nomex蜂窩。目前，單機(jī)用量最大的為A380飛機(jī)，其蜂窩夾層結(jié)構(gòu)用量達(dá)4000㎡，地板主要采用M.C.Gill Corp.的Gillfab 4909夾層板，芯材為Kevlar蜂窩。

3.3、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在B787上應(yīng)用包括方向舵、升降舵、翼尖、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙等部位。其中發(fā)動(dòng)機(jī)短艙和反推力裝置采用HexWeb蜂窩及HexPly 8552/AS4預(yù)浸料，HexWeb蜂窩具有質(zhì)量輕、剛度大的優(yōu)點(diǎn)，還具有吸聲功能，已被世界各大發(fā)動(dòng)機(jī)制造商使用。

3.4、機(jī)身

與民用大飛機(jī)相比，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在通用飛機(jī) 上的應(yīng)用主要表現(xiàn)為在機(jī)身上的使用，如Hawker Beechcraf 的Premierl，豪克 4000 及"首相"IA飛機(jī)，龐巴迪宇航公司里爾85飛機(jī)等。其中Premierl是第一架通過(guò)FAA認(rèn)證的全復(fù)合材料機(jī)身噴氣公務(wù)機(jī)，整個(gè)機(jī)身采用面板為碳纖維的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，整體厚度為20.6mm，機(jī)身無(wú)桁條和框架，比傳統(tǒng)鋁結(jié)構(gòu)減重25%,且增加了13%的客艙空間。目前生產(chǎn)的Hawker4000飛機(jī)，其機(jī)身結(jié)構(gòu)是由3個(gè)筒體結(jié)構(gòu)在機(jī)翼處連接組成，筒體為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，蒙皮的鋪貼采用MAG辛辛那提公司的Viper自動(dòng)鋪絲機(jī)鋪放。

圖3 蜂窩材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

蜂窩材料在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

蜂窩狀材料有著廣泛的應(yīng)用。一些常見(jiàn)應(yīng)用包括以下幾個(gè)方面：

(1)滑雪板

(2)LED技術(shù)和揚(yáng)聲器技術(shù)

(3)汽車結(jié)構(gòu)

(4)電氣屏蔽外殼

(5)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片

(6)潔凈室墻板和建筑外部幕墻面板

(7)采暖、通風(fēng)、空調(diào)設(shè)備及裝置

(8)能量吸收保護(hù)結(jié)構(gòu)

圖4 蜂窩材料在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

發(fā)展前景

蜂窩材料在航空領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊且充滿潛力的應(yīng)用前景。其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能使其成為航空領(lǐng)域的理想選擇。隨著技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)蜂窩材料在航空領(lǐng)域的發(fā)展前景更加光明。高性能材料的研發(fā)將進(jìn)一步提升其性能，滿足更嚴(yán)苛的要求。多功能一體化也是趨勢(shì)之一，使其具備更多功能，如電磁屏蔽等。智能化的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)對(duì)材料狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)，為維護(hù)和保障提供有力支持。此外，綠色環(huán)保的理念也將推動(dòng)蜂窩材料向可回收、可持續(xù)的方向發(fā)展。

我國(guó)蜂窩芯材行業(yè)起步較晚，與美國(guó)相比，現(xiàn)階段行業(yè)發(fā)展尚不成熟，研發(fā)創(chuàng)新能力較弱，高端產(chǎn)品生產(chǎn)實(shí)力不足，需求對(duì)外依賴度較大。2021年度“十四五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“先進(jìn)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料”重點(diǎn)專項(xiàng)中，提出針對(duì)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)降噪和減重的迫切需求，發(fā)展吸音蜂窩復(fù)合材料及在商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用。在國(guó)家政策的推動(dòng)下，未來(lái)我國(guó)蜂窩芯材行業(yè)技術(shù)有望持續(xù)進(jìn)步。

蜂窩材料作為一種復(fù)合材料，在航空航天領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。其輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐沖擊和良好的隔熱性能使得它成為飛行器設(shè)計(jì)中的重要組成部分。隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，蜂窩材料的應(yīng)用前景將更加廣闊，為未來(lái)航空航天領(lǐng)域的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。