飛機上的“蜂窩”——芳綸紙蜂窩夾層結構複合材料_風聞

马氏体-06-08 19:12

2023-06-08

減輕重量，是飛機設計製造的重要追求，能夠賦予軍用飛機更強的飛行性能、提升民航飛機的燃油經濟性。但如果飛機上的板狀零部件的厚度太薄，則會面臨強度、剛度不足的問題。相比於增加支撐框架，在兩層面板間添加輕質、剛性的夾芯材料能夠在不顯著增加重量的情況下，大幅提升承載能力。

這就好比本號曾經分享過的風力發電機葉片的結構：

在玻璃纖維增強環氧樹脂（玻璃鋼）製成的蒙皮內外表面之間填充一層輕木或者泡沫塑料芯材。輕木也是最早用在飛機上的夾芯材料，例如二戰期間著名的木質飛機——英國蚊式轟炸機，由兩層樺木夾一層輕木的膠合板製成。

在現代航空工業中，所採用的芯材包括蜂窩結構和泡沫塑料。看似柔弱的蜂窩，卻能承受重卡的碾壓，因為穩定的蜂窩狀網格結構阻礙了屈曲變形，這和瓦楞紙製成的紙板箱具有很強抗壓能力的原理是一樣的。

鋁是飛機上應用最多的金屬，採用鋁合金面板+鋁蜂窩夾芯的結構也就順理成章。

這是一段VFW614型飛機的機翼，其機翼後緣和擾流板由鋁蜂窩結構直接做出相應的造型。

順便提一嘴，這個VFW614是一款發動機架在機翼之上的奇葩，由西德的聯合航空技術-福克（VFW-FOKKER）飛機公司研製，是一款載客40人的短程客機，1971年首飛，是西德在第二次世界大戰後首次開發噴氣式民航客機（東德的嘗試是1958年首飛的巴德152型客機）。這款飛機並未取得商業上的成功，總共只製造了13架，但仍堪稱德國航空工業的里程碑。之後更為人稱道的故事，就是法德合作的空中客車公司與美國波音公司的分庭抗禮。

當複合材料被越來越多地應用於飛機制造，鋁蜂窩能不能也被取代呢？

答案是肯定的。現代飛機上應用最普遍的是芳綸紙蜂窩複合材料，並由碳纖維增強樹脂等複合材料製成覆蓋蜂窩的面板，用於飛機地板、艙門、內飾件、尾翼、舵面、整流罩、槳葉等，還被用於高速列車的內壁、天花板、行李架等。

顧名思義，這種蜂窩由一種特殊的紙——芳綸纖維紙製成。

首先，在芳綸紙上塗上膠條，膠條寬度等於蜂窩孔的邊長（對於六邊形蜂窩），而膠條間距為邊長的4倍。膠條是通過凹印法塗上去的，在塗膠輥上有特定寬度和間隔的凹槽，把膠條轉印到芳綸紙上。

相鄰兩層芳綸紙錯位疊合，通過熱壓使膠條固化。

接下來，如拉手風琴一般，把芳綸紙疊板拉伸成蜂窩。還要通過烘烤，釋放掉回彈應力，使蜂窩定型。

通過浸膠處理（一般是浸漬酚醛樹脂），填充芳綸纖維之間的孔隙，固化得到成品蜂窩。樹脂在其中起到粘結纖維、傳遞載荷的作用。

通過切削加工，可以把蜂窩做成各種形狀。

上述蜂窩製造過程來自中國航空工業集團旗下的中航複合材料有限責任公司，目前可生產孔格邊長為1.8-5.5 mm,密度範圍29-144 kg/m3, 最大尺寸3900×1850×900 mm的芳綸紙蜂窩。

然而，生產芳綸紙蜂窩的關鍵原材料——芳綸纖維和芳綸紙，曾經是我們長期面臨的“卡脖子”難題。

通常所説的芳綸，一般是指對位芳綸和間位芳綸。

對位芳綸由對苯二甲酰氯和對苯二胺縮聚而成，也被根據苯環上取代基的位置而稱為“芳綸1414”，當然了，它最著名的商品名是美國杜邦公司的“凱夫拉”（Kevlar）。間位芳綸則由間苯二甲酰氯和間苯二胺縮聚而成，又被稱為“芳綸1313”，杜邦公司的商品名為“諾梅克斯”（Nomex）。

相較而言，對位芳綸的強度和模量更高，製成的芳綸紙和蜂窩具有更好的力學性能，而間位芳綸具有更好的耐熱和阻燃性能。

紡絲得到的直徑10微米左右的芳綸長絲經過切斷，得到芳綸紙的重要原料之一——短切纖維，長度5~6毫米。短切纖維的強度高，但表面光滑，活性基團較少，纖維間缺乏交織力，不能單獨造成紙，而是作為“鋼筋”，與“混凝土”——芳綸漿粕或沉析纖維結合，成為具有高強度的紙張。漿粕是短切纖維經過打漿得到的，原本的纖維結構被部分打散，表面呈毛絨狀，暴露出更多氨基，能夠形成更多的氫鍵，從而把短切纖維黏合到一起；沉析纖維則是聚合物溶液在劇烈攪拌下沉澱析出的毛絨狀短纖維。

分散在水中的芳綸纖維被抄造成紙（圖為實驗室試驗），類似於傳統造紙過程。但芳綸紙還要多一步熱壓，使芳綸纖維黏合起來。間位芳綸的軟化温度較低，纖維更容易結合為紙，因而在芳綸紙蜂窩複合材料中應用更多一些。此外，芳綸紙還被作為絕緣紙，應用於電力、電機行業中。

國外於1967年開始芳綸的工業化生產，而我國的芳綸產業起步於上世紀80年代，曾與國外有較大差距，面臨國外企業的技術封鎖，芳綸纖維和芳綸紙長期依賴進口。煙台民士達（生產氨綸和芳綸的泰和新材的子公司）與陝西科技大學的製漿造紙工程教授張美雲合作，打破國外壟斷，實現芳綸紙的國產化，目前國內還有超美斯新材料、深圳昊天龍邦複合材料公司等能夠量產芳綸紙。