飞机上的“蜂窝”——芳纶纸蜂窝夹层结构复合材料_风闻

马氏体-06-08 19:12

2023-06-08

减轻重量，是飞机设计制造的重要追求，能够赋予军用飞机更强的飞行性能、提升民航飞机的燃油经济性。但如果飞机上的板状零部件的厚度太薄，则会面临强度、刚度不足的问题。相比于增加支撑框架，在两层面板间添加轻质、刚性的夹芯材料能够在不显著增加重量的情况下，大幅提升承载能力。

这就好比本号曾经分享过的风力发电机叶片的结构：

在玻璃纤维增强环氧树脂（玻璃钢）制成的蒙皮内外表面之间填充一层轻木或者泡沫塑料芯材。轻木也是最早用在飞机上的夹芯材料，例如二战期间著名的木质飞机——英国蚊式轰炸机，由两层桦木夹一层轻木的胶合板制成。

在现代航空工业中，所采用的芯材包括蜂窝结构和泡沫塑料。看似柔弱的蜂窝，却能承受重卡的碾压，因为稳定的蜂窝状网格结构阻碍了屈曲变形，这和瓦楞纸制成的纸板箱具有很强抗压能力的原理是一样的。

铝是飞机上应用最多的金属，采用铝合金面板+铝蜂窝夹芯的结构也就顺理成章。

这是一段VFW614型飞机的机翼，其机翼后缘和扰流板由铝蜂窝结构直接做出相应的造型。

顺便提一嘴，这个VFW614是一款发动机架在机翼之上的奇葩，由西德的联合航空技术-福克（VFW-FOKKER）飞机公司研制，是一款载客40人的短程客机，1971年首飞，是西德在第二次世界大战后首次开发喷气式民航客机（东德的尝试是1958年首飞的巴德152型客机）。这款飞机并未取得商业上的成功，总共只制造了13架，但仍堪称德国航空工业的里程碑。之后更为人称道的故事，就是法德合作的空中客车公司与美国波音公司的分庭抗礼。

当复合材料被越来越多地应用于飞机制造，铝蜂窝能不能也被取代呢？

答案是肯定的。现代飞机上应用最普遍的是芳纶纸蜂窝复合材料，并由碳纤维增强树脂等复合材料制成覆盖蜂窝的面板，用于飞机地板、舱门、内饰件、尾翼、舵面、整流罩、桨叶等，还被用于高速列车的内壁、天花板、行李架等。

顾名思义，这种蜂窝由一种特殊的纸——芳纶纤维纸制成。

首先，在芳纶纸上涂上胶条，胶条宽度等于蜂窝孔的边长（对于六边形蜂窝），而胶条间距为边长的4倍。胶条是通过凹印法涂上去的，在涂胶辊上有特定宽度和间隔的凹槽，把胶条转印到芳纶纸上。

相邻两层芳纶纸错位叠合，通过热压使胶条固化。

接下来，如拉手风琴一般，把芳纶纸叠板拉伸成蜂窝。还要通过烘烤，释放掉回弹应力，使蜂窝定型。

通过浸胶处理（一般是浸渍酚醛树脂），填充芳纶纤维之间的孔隙，固化得到成品蜂窝。树脂在其中起到粘结纤维、传递载荷的作用。

通过切削加工，可以把蜂窝做成各种形状。

上述蜂窝制造过程来自中国航空工业集团旗下的中航复合材料有限责任公司，目前可生产孔格边长为1.8-5.5 mm,密度范围29-144 kg/m3, 最大尺寸3900×1850×900 mm的芳纶纸蜂窝。

然而，生产芳纶纸蜂窝的关键原材料——芳纶纤维和芳纶纸，曾经是我们长期面临的“卡脖子”难题。

通常所说的芳纶，一般是指对位芳纶和间位芳纶。

对位芳纶由对苯二甲酰氯和对苯二胺缩聚而成，也被根据苯环上取代基的位置而称为“芳纶1414”，当然了，它最著名的商品名是美国杜邦公司的“凯夫拉”（Kevlar）。间位芳纶则由间苯二甲酰氯和间苯二胺缩聚而成，又被称为“芳纶1313”，杜邦公司的商品名为“诺梅克斯”（Nomex）。

相较而言，对位芳纶的强度和模量更高，制成的芳纶纸和蜂窝具有更好的力学性能，而间位芳纶具有更好的耐热和阻燃性能。

纺丝得到的直径10微米左右的芳纶长丝经过切断，得到芳纶纸的重要原料之一——短切纤维，长度5~6毫米。短切纤维的强度高，但表面光滑，活性基团较少，纤维间缺乏交织力，不能单独造成纸，而是作为“钢筋”，与“混凝土”——芳纶浆粕或沉析纤维结合，成为具有高强度的纸张。浆粕是短切纤维经过打浆得到的，原本的纤维结构被部分打散，表面呈毛绒状，暴露出更多氨基，能够形成更多的氢键，从而把短切纤维黏合到一起；沉析纤维则是聚合物溶液在剧烈搅拌下沉淀析出的毛绒状短纤维。

分散在水中的芳纶纤维被抄造成纸（图为实验室试验），类似于传统造纸过程。但芳纶纸还要多一步热压，使芳纶纤维黏合起来。间位芳纶的软化温度较低，纤维更容易结合为纸，因而在芳纶纸蜂窝复合材料中应用更多一些。此外，芳纶纸还被作为绝缘纸，应用于电力、电机行业中。

国外于1967年开始芳纶的工业化生产，而我国的芳纶产业起步于上世纪80年代，曾与国外有较大差距，面临国外企业的技术封锁，芳纶纤维和芳纶纸长期依赖进口。烟台民士达（生产氨纶和芳纶的泰和新材的子公司）与陕西科技大学的制浆造纸工程教授张美云合作，打破国外垄断，实现芳纶纸的国产化，目前国内还有超美斯新材料、深圳昊天龙邦复合材料公司等能够量产芳纶纸。