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铝蜂窝板的力学性能  (2010/10/03 20:50)

铝蜂窝板是一种由仿生原理制成的低密高强材料。由铝蜂窝芯和面板经胶粘剂粘接而成的蜂窝夹层板是一种轻质高强的多用途材料,它的比刚 性和比强度大,同等厚度的铝蜂窝板其比刚性是铝板的5倍,钢板的10倍。由于蜂窝夹层板的特性,它最早被应用在航空航天器上,在保证功能的同时大大地减轻了航空航天器的重量,使用同 样的燃料能行驶更远的航程。随着制造工艺的不断进步以及材料的发展,蜂窝夹层板被越来越多的其它行业所普遍采用,如造船、地面交通、机械、建筑装饰等行业。

  铝面板、铝蜂窝芯 、胶粘剂是决定铝蜂窝板力学性能的重要因素,不同规格、材料的原材料加工制造的铝蜂窝板其力学性能存在着较大的差异,选用何种材料必须根据其在建筑物中的使用部位,受力情况进行详细的计算,从而确定材料的规格。
  
铝蜂窝板的特点
与普通铝板相比,铝蜂窝板具有以下特点:
(1)  重量轻、密度小。由于蜂窝铝板是一种多孔的不连续材料,而且实体部分的截面积很小,因而密度很小,是一种较轻的板材(常用铝蜂窝芯的密度如表 1 所示) 。由这种蜂窝芯制成的蜂窝铝板的密度约为:300~400kg/m3,大约是相同体积普通铝板的 11%~14%。这就使得蜂窝铝板在飞机上应用时,能大量节省能源。如波音767 采用蜂窝铝板结构后,重量减轻了568kg,若正常营运15年,仅燃料费就节约24万美元。
(2)  强度高、刚性好。蜂窝板承受弯曲载荷时,当上面板被拉伸的同时,下面板则被压缩,蜂窝芯传递剪切力。从力学角度分析,它与工字梁很相似,面材相当于工字梁的翼缘,几乎承受了全部的侧向正应力;芯材相当于工字梁的腹板,几乎承受了所有的剪切应力。这种结构不仅提高了整体刚度, 而且提高了稳定性, 改善了面板及整体的力学性能。
另外,由于蜂窝板的高度比面板高出几倍,剖面的惯性矩随之呈4次方增大,结构稳定性好、不易变形,具有突出的抗压能力和抗弯能力。
(3)  抗冲击、减振性好。蜂窝铝板具有较好的韧性和回弹性,力学性能试验结果表明,蜂窝铝板抗压强度极限为407.6~790.4kN/m2,抗弯强度极限为 740.0~788.0kN/m2,抗压刚度为5.0 ~7.5kN/mm,抗弯刚度为0.40~0.66kN/mm2。夹层剪切力纵向为 3.6~7.1kN,横向为 4.6~5.9kN。拉伸剥离强度极限为 265~417kN/m2。自由落球撞击试样凹痕直径为19~21mm,凹痕深度为3.02~3.20mm,均未发现凹痕处有裂纹。由此可见,蜂窝铝板在承受外载荷时,能吸收大部分能量,具有良好的减振效果。
(4)  吸音、隔热。铝是热和声音的良导体,蜂窝材料本身并不具有隔热、隔音性能,然而蜂窝铝板却具有良好的隔热、隔音性能。在蜂窝铝板中,实体部分体积仅占1%~3%,其余空间内是处于密封状态的气体,由于气体的隔热、隔音性能优于任何固体材料,所以蜂窝铝板具有良好的隔热和隔音性能。
(5)  无污染、符合现代环保潮流。蜂窝铝板全部用铝合金制造,使用后可以通过回收反复利用,节省资源。

    胶粘铝蜂窝板由于重量轻、强度高、刚性大、稳定性好、隔热隔声,在飞机、列车、船舶、建筑等领域中具有广泛的使用前景。然而,其强度、使用寿命以及允许的工作环境在很大程度上受胶粘剂的性能所影响。因此需要以一种新的制造方法来彻底改变其现有缺点,而钎焊法是取代胶粘法最理想的方法,通过钎焊方法形成的接头能形成冶金结合,其力学性能远高于胶粘材料。

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