“卡脖子”的复合材料--蜂窝材料

2024-05-11 15:29:31 来源：材料PLUS

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简介：蜂窝材料是一种复合材料，广泛应用于航空航天领域，通常被称为蜂窝结构。蜂窝结构由两层面板和中间的蜂窝状结构组成，其独特的设计和结构使得它在航空航天领域具有广泛的应用潜力。

蜂窝材料是一种复合材料，广泛应用于航空航天领域，通常被称为蜂窝结构。蜂窝结构由两层面板和中间的蜂窝状结构组成，其独特的设计和结构使得它在航空航天领域具有广泛的应用潜力。

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。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。

在全球范围内，蜂窝芯材生产商主要有美国Hexcel、美国Argosy International Inc、卢森堡Eurocomposites SA、日本昭和等国外企业，国内包括常州中航前海新材料、佛山利铭蜂窝复合材料、湖北航宇新型材料、杭州华聚复合材料、苏州贝芯蜂窝科技、广州荷力胜蜂窝材料等企业。其中，美国Hexcel技术水平先进，生产的蜂窝芯材主要应用在航空航天领域。2022年，全球蜂窝芯材市场规模为26.0亿美元，预计在2023年-2032年间收入复合年增长率为7.7%。

蜂窝材料的结构

图1 蜂窝材料的结构

发展历程

国内外蜂窝材料的发展历程如下所示：

图2 国内外蜂窝材料发展情况

种类及优势

种类：纸质蜂窝材料，铝质蜂窝材料，塑料蜂窝材料，玻璃纤维蜂窝材料，石墨烯蜂窝材料、碳纤维蜂窝材料。

优势：优异的强度重量比、高抗压强度、优异的隔热性能、良好的耐腐蚀性能、轻量化、易于加工和成形;节省成本、具有经济效益。

蜂窝材料在航空领域的应用

3.1、方向舵

蜂窝夹层结构在大型民用飞机上的应用最早是在Airbus公司的A310飞机的方向舵上，后用于A320、A340方向舵。目前最大的蜂窝夹层结构舵面是A340方向舵，它由蜂窝夹层结构左、右壁板，碳纤维前梁(9.9m)，碳纤维根肋(2.6m)等组成，整体面积15.3㎡。

3.2、地板

飞机地板复合材料夹层结构的面板通常采用玻璃纤维预浸料、碳纤维和Kevlar预浸料，基体选用环氧树脂或酚醛树脂。蜂窝芯子常用Nomex蜂窝。目前，单机用量最大的为A380飞机，其蜂窝夹层结构用量达4000㎡，地板主要采用M.C.Gill Corp.的Gillfab 4909夹层板，芯材为Kevlar蜂窝。

3.3、发动机短舱

蜂窝夹层结构在B787上应用包括方向舵、升降舵、翼尖、发动机机舱等部位。其中发动机短舱和反推力装置采用HexWeb蜂窝及HexPly 8552/AS4预浸料，HexWeb蜂窝具有质量轻、刚度大的优点，还具有吸声功能，已被世界各大发动机制造商使用。

3.4、机身

与民用大飞机相比，蜂窝夹层结构在通用飞机上的应用主要表现为在机身上的使用，如Hawker Beechcraf 的Premierl，豪克 4000 及"首相"IA飞机，庞巴迪宇航公司里尔85飞机等。其中Premierl是第一架通过FAA认证的全复合材料机身喷气公务机，整个机身采用面板为碳纤维的蜂窝夹层结构，整体厚度为20.6mm，机身无桁条和框架，比传统铝结构减重25%,且增加了13%的客舱空间。目前生产的Hawker4000飞机，其机身结构是由3个筒体结构在机翼处连接组成，筒体为蜂窝夹层结构，蒙皮的铺贴采用MAG辛辛那提公司的Viper自动铺丝机铺放。

图3 蜂窝材料在航空领域的应用

蜂窝材料在其他领域的应用

蜂窝状材料有着广泛的应用。一些常见应用包括以下几个方面：

(1)滑雪板

(2)LED技术和扬声器技术

(3)汽车结构

(4)电气屏蔽外壳

(5)风力涡轮机叶片

(6)洁净室墙板和建筑外部幕墙面板

(7)采暖、通风、空调设备及装置

(8)能量吸收保护结构

图4 蜂窝材料在其他领域的应用

发展前景

蜂窝材料在航空领域展现出广阔且充满潜力的应用前景。其独特的结构和性能使其成为航空领域的理想选择。随着技术的进步，未来蜂窝材料在航空领域的发展前景更加光明。高性能材料的研发将进一步提升其性能，满足更严苛的要求。多功能一体化也是趋势之一，使其具备更多功能，如电磁屏蔽等。智能化的应用可实现对材料状态的实时监测和预测，为维护和保障提供有力支持。此外，绿色环保的理念也将推动蜂窝材料向可回收、可持续的方向发展。

我国蜂窝芯材行业起步较晚，与美国相比，现阶段行业发展尚不成熟，研发创新能力较弱，高端产品生产实力不足，需求对外依赖度较大。2021年度“十四五”国家重点研发计划“先进结构与复合材料”重点专项中，提出针对商用航空发动机降噪和减重的迫切需求，发展吸音蜂窝复合材料及在商用航空发动机上的应用。在国家政策的推动下，未来我国蜂窝芯材行业技术有望持续进步。

蜂窝材料作为一种复合材料，在航空航天领域中被广泛应用。其轻质、高强度、耐冲击和良好的隔热性能使得它成为飞行器设计中的重要组成部分。随着航空航天技术的不断发展，蜂窝材料的应用前景将更加广阔，为未来航空航天领域的发展做出更大的贡献。