飛機(jī)上的“蜂窩”——芳綸紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料

減輕重量，是飛機(jī)設(shè)計(jì)制造的重要追求，能夠賦予軍用飛機(jī)更強(qiáng)的飛行性能、提升民航飛機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。但如果飛機(jī)上的板狀零部件的厚度太薄，則會(huì)面臨強(qiáng)度、剛度不足的問題。相比于增加支撐框架，在兩層面板間添加輕質(zhì)、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(hào)曾經(jīng)分享過的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)：

在玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂（玻璃鋼）制成的蒙皮內(nèi)外表面之間填充一層輕木或者泡沫塑料芯材。輕木也是早用在飛機(jī)上的夾芯材料，例如二戰(zhàn)期間著名的木質(zhì)飛機(jī)——英國(guó)蚊式轟炸機(jī)，由兩層樺木夾一層輕木的膠合板制成。

在現(xiàn)代航空工業(yè)中，所采用的芯材包括蜂窩結(jié)構(gòu)和泡沫塑料?？此迫崛醯姆涓C，卻能承受重卡的碾壓，因?yàn)榉€(wěn)定的蜂窩狀網(wǎng)格結(jié)構(gòu)阻礙了屈曲變形，這和瓦楞紙制成的紙板箱具有很強(qiáng)抗壓能力的原理是一樣的。

鋁是飛機(jī)上應(yīng)用多的金屬，采用鋁合金面板+鋁蜂窩夾芯的結(jié)構(gòu)也就順理成章。

這是一段VFW614型飛機(jī)的機(jī)翼，其機(jī)翼后緣和擾流板由鋁蜂窩結(jié)構(gòu)直接做出相應(yīng)的造型。

順便提一嘴，這個(gè)VFW614是一款發(fā)動(dòng)機(jī)架在機(jī)翼之上的奇葩，由西德的聯(lián)合航空技術(shù)-福克（VFW-FOKKER）飛機(jī)公司研制，是一款載客40人的短程客機(jī)，1971年首飛，是西德在第二次世界大戰(zhàn)后首次開發(fā)噴氣式民航客機(jī)（東德的嘗試是1958年首飛的巴德152型客機(jī)）。這款飛機(jī)并未取得商業(yè)上的成功，總共只制造了13架，但仍堪稱德國(guó)航空工業(yè)的里程碑。之后更為人稱道的故事，就是法德合作的空中客車公司與美國(guó)波音公司的分庭抗禮。

當(dāng)復(fù)合材料被越來越多地應(yīng)用于飛機(jī)制造，鋁蜂窩能不能也被取代呢？

答案是肯定的?，F(xiàn)代飛機(jī)上應(yīng)用普遍的是芳綸紙蜂窩復(fù)合材料，并由碳纖維增強(qiáng)樹脂等復(fù)合材料制成覆蓋蜂窩的面板，用于飛機(jī)地板、艙門、內(nèi)飾件、尾翼、舵面、整流罩、槳葉等，還被用于高速列車的內(nèi)壁、天花板、行李架等。

顧名思義，這種蜂窩由一種特殊的紙——芳綸纖維紙制成。

首先，在芳綸紙上涂上膠條，膠條寬度等于蜂窩孔的邊長(zhǎng)（對(duì)于六邊形蜂窩），而膠條間距為邊長(zhǎng)的4倍。膠條是通過凹印法涂上去的，在涂膠輥上有特定寬度和間隔的凹槽，把膠條轉(zhuǎn)印到芳綸紙上。相鄰兩層芳綸紙錯(cuò)位疊合，通過熱壓使膠條固化。接下來，如拉手風(fēng)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(yīng)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(jié)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。

上述蜂窩制造過程來自中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)旗下的中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，目前可生產(chǎn)孔格邊長(zhǎng)為1.8-5.5 mm,密度范圍29-144 kg/m3, 大尺寸3900×1850×900 mm的芳綸紙蜂窩。

然而，生產(chǎn)芳綸紙蜂窩的關(guān)鍵原材料——芳綸纖維和芳綸紙，曾經(jīng)是我們長(zhǎng)期面臨的“卡脖子”難題。

通常所說的芳綸，一般是指對(duì)位芳綸和間位芳綸。對(duì)位芳綸由對(duì)苯二甲酰氯和對(duì)苯二胺縮聚而成，也被根據(jù)苯環(huán)上取代基的位置而稱為“芳綸1414”，當(dāng)然了，它著名的商品名是美國(guó)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(duì)位芳綸的強(qiáng)度和模量更高，制成的芳綸紙和蜂窩具有更好的力學(xué)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(zhǎng)絲經(jīng)過切斷，得到芳綸紙的重要原料之一——短切纖維，長(zhǎng)度5~6毫米。短切纖維的強(qiáng)度高，但表面光滑，活性基團(tuán)較少，纖維間缺乏交織力，不能單獨(dú)造成紙，而是作為“鋼筋”，與“混凝土”——芳綸漿粕或沉析纖維結(jié)合，成為具有高強(qiáng)度的紙張。漿粕是短切纖維經(jīng)過打漿得到的，原本的纖維結(jié)構(gòu)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淀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(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)），類似于傳統(tǒng)造紙過程。但芳綸紙還要多一步熱壓，使芳綸纖維黏合起來。間位芳綸的軟化溫度較低，纖維更容易結(jié)合為紙，因而在芳綸紙蜂窩復(fù)合材料中應(yīng)用更多一些。此外，芳綸紙還被作為絕緣紙，應(yīng)用于電力、電機(jī)行業(yè)中。國(guó)外于1967年開始芳綸的工業(yè)化生產(chǎn)，而我國(guó)的芳綸產(chǎn)業(yè)起步于上世紀(jì)80年代，曾與國(guó)外有較大差距，面臨國(guó)外企業(yè)的技術(shù)封鎖，芳綸纖維和芳綸紙長(zhǎng)期依賴進(jìn)口。煙臺(tái)民士達(dá)（生產(chǎn)氨綸和芳綸的泰和新材的子公司）與陜西科技大學(xué)的制漿造紙工程教授張美云合作，打破國(guó)外壟斷，實(shí)現(xiàn)芳綸紙的國(guó)產(chǎn)化，目前國(guó)內(nèi)還有超美斯新材料、深圳昊天龍邦復(fù)合材料公司等能夠量產(chǎn)芳綸紙。