碳纤维铝蜂窝夹芯结构的力学性能特点

  铝蜂窝芯材是多层铝箔经过粘连、叠压、拉伸后形成的一种蜂窝状的新型功能复合材料,作为蜂窝家族中的佼佼者,铝蜂窝芯材的性能也十分优秀,它强度高、耐高温、耐腐蚀,是航空航天、机械制造、轨道交通等行业的理想材料,在建筑领域也是大尺寸幕墙和阻燃要求高的豪华装修首选。

碳纤维铝蜂窝板

  铝蜂窝夹层结构是指将铝蜂窝夹芯板与上下两个高强度蒙皮复合组成的结构,传统的面板材料有铝、钢等,随着复合材料的不断发展,越来越多的采用碳纤维复合材料板作为蒙皮材料。夹层结构只要考虑三个因素:面板、芯材、面板及芯材的粘接。夹层结构在应用中主要受弯曲载荷。面板承担拉应力及压应力,对其刚度和强度要求高。对于芯材而言,需要具有较高剪切强度,否则,会导致芯材与面板脱离,结构失效。

  研究人员对几种芯材做了一个力学性能测试,可以看出在铝蜂窝芯、NOMEX蜂窝、PMI泡沫、PVC泡沫在芯材密度相近的情况下,铝蜂窝芯的压缩模量和剪切强度最高,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。(如下图)

    力学性能试验结果表明,蜂窝铝板抗压强度极限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。而泡沫芯材在力学性能上与铝蜂窝芯相差较远。铝蜂窝芯材的拉伸、弯曲、压缩、剪切强度都比泡沫芯材要强,可以作为主承力件的替代材料。

    阅读延伸:《碳纤维夹芯板材的损伤模式分析