飛機上的“蜂窩”——芳綸紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料

減輕重量，是飛機設(shè)計制造的重要追求，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(jīng)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。

這就好比本號曾經(jīng)分享過的風(fēng)力發(fā)電機葉片的結(jié)構(gòu)：

在玻璃纖維增強環(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上的夾芯材料，例如二戰(zhàn)期間著名的木質(zhì)飛機——英國蚊式轟炸機，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，因為穩(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抗壓能力的原理是一樣的。

鋁是飛機上應(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型飛機的機翼，其機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VFW614是一款發(fā)動機架在機翼之上的奇葩，由西德的聯(lián)合航空技術(shù)-?？耍╒FW-FOKKER）飛機公司研制，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(zhàn)后首次開發(fā)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)用于飛機制造，鋁蜂窩能不能也被取代呢？

答案是肯定的?，F(xiàn)代飛機上應(yīng)用普遍的是芳綸紙蜂窩復(fù)合材料，并由碳纖維增強樹脂等復(fù)合材料制成覆蓋蜂窩的面板，用于飛機地板、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（對于六邊形蜂窩），而膠條間距為邊長的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航空工業(yè)集團旗下的中航復(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)是我們長期面臨的“卡脖子”難題。

通常所說的芳綸，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(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，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微米左右的芳綸長絲經(jīng)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(jié)合，成為具有高強度的紙張。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（圖為實驗室試驗），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、電機行業(yè)中。國外于1967年開始芳綸的工業(yè)化生產(chǎn)，而我國的芳綸產(chǎn)業(yè)起步于上世紀80年代，曾與國外有較大差距，面臨國外企業(yè)的技術(shù)封鎖，芳綸纖維和芳綸紙長期依賴進口。煙臺民士達（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，打破國外壟斷，實現(xiàn)芳綸紙的國產(chǎn)化，目前國內(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。