蜂窝结构——这种源自于蜜蜂的智慧到底有何奇妙之处？

“采得百花成蜜后，为谁辛苦为谁甜？”辛勤劳作的蜜蜂是大自然的精灵，而它们用集体的智慧构筑的蜂窝更是大自然鬼斧神工的代表作。

蜂窝构造非常精巧、实用而且节省材料。蜂房由无数个大小相同的房孔组成，房孔都是正六角形，每个房孔都被其它房孔包围，两个房孔之间只隔着一堵蜡制的墙。蜜蜂的身体基本上是圆柱形，蜂在房孔内既不会有多余的空间又不感到拥挤。房孔的底既不是平的，也不是圆的，而是尖的，这个底是由三个完全相同的菱形组成。有人测量过菱形的角度，两个钝角都是109°而两个锐角都是70°。令人叫绝的是，世界上所有蜜蜂的蜂窝都是按照这个统一的角度和模式建造的。大自然的杰作真是令人拍案叫绝。

 

蜂房的结构引起了科学家们的极大兴趣。经过对蜂房的深入研究，科学家们惊奇地发现开发出了具有蜂窝结构的材料，在工程应用中的各种场合大显身手。

在陆地上，我们可以看到装备有蜂窝结构轮胎的越野车：

 

在海洋里，我们可以乘坐具有蜂窝结构的游艇周游世界：

在天空中，装备有蜂窝结构的除噪材料，让我们的旅途更加舒适：

蜂窝结构在建筑业中的应用也非常广泛：

  

蜂窝夹层结构是蜂窝结构的另一个典型应用。夹芯层为蜂窝状的夹层结构，被称蜂窝夹层结构。蜂窝夹层结构的夹芯层是由金属材料、玻璃纤维或复合材料制成的一系列六边形孔格，在夹芯层的上下两面再胶接（或钎焊）上较薄的表板。蜂窝结构比其他夹层结构具有更高的强度和刚度，与铆接结构相比，结构效率可提高15%-30%。夹层的蜂窝孔格大小、高矮及其构成格子的薄片厚度等决定表板局部屈曲和孔格壁板屈曲的临界应力。铝蜂窝板的产品结构如下图所示。

对铝蜂窝板结构的各层进行细分，从外到内可将其分为：烤漆层、铬化层、铝板、黏胶层、铝蜂窝芯等。其结构如下图所示：

 

蜂窝夹层结构的优势

蜂窝夹层结构具有非常优异的综合性能，主要体现在如下几个方面：

（1）重量轻。由于蜂窝芯是一种多孔材料，实体部分截面积很小，因此蜂窝芯密度也很小，而且面板厚度较薄，所以蜂窝夹层结构整体质量轻。

（2）强度高。蜂窝夹层结构实际上相当于大量的工字梁结构的集合，蜂窝芯相当于工字梁的腹板，蜂窝面板相当于工字梁的翼板，因此蜂窝壁板结构具有很高的抗压强度、抗压缩变形能力大。

（3）刚性大、稳定性好。在蜂窝夹层结构中，蜂窝芯的高度通常比面板高出几倍甚至几十倍，而且面板有蜂窝芯的支持，蜂窝夹层板的刚度随之成三次方增大，因此其剪切强度大，稳定性能好。在蜂窝夹层板设计过程中可以通过增加蜂窝芯高度与面板厚度比值来达到提高其刚度的目的。

（4）隔音、隔热性能好。在常用蜂窝夹层结构中，蜂窝芯实体体积仅占 1%-3%，其余空间内是密封状态的空气，由于空气隔音、隔热性能优于任何固体材料，声波和热量的传播受到极大的限制，因此蜂窝夹层板具有良好的隔音、隔热性能。

此外，蜂窝芯本身还具备导流、电磁屏蔽、缓冲吸能等功能。

蜂窝夹层结构在航空制造中的应用

在航空工业发达国家，蜂窝夹层结构复合材料已成功地大量应用于飞机的主、次承力结构，如机翼、机身、尾翼、发动机叶片、雷达罩及地板、内饰等部位。

表1列出了国外主要机型蜂窝夹层结构的使用状况。由于蜂窝夹层结构具有质量轻、弯曲刚度与强度大、抗失稳能力强、耐疲劳、吸音、隔音和隔热性能好等优点，长期以来备受航空领域的关注。

 

超音速的B-58轰炸机率先使用钎焊的全金属蜂窝夹层结构，大约有111.5m2的发电机机舱和机翼面板都是由不锈钢蜂窝板制作的，其蜂窝板应用面积占整个飞机外形面积的85%以上，而结构重量只占总起飞重量16.5%。美国波音公司生产的Boeing747上采用一种芯材为尼龙纸、面材为碳纤维增强塑料的非金属蜂窝材料做地板，所减轻的重量足以增加七位乘客。我国直九机曾大量采用Nomex蜂窝芯与碳纤维、Kevlar 纤维、高强玻璃纤维、铝合金等面板组成的夹层结构，共计280多个，单机蜂窝用量达260m2，占整机80%覆盖面积，大大降低飞机重量，从而提高飞机升限、载重量以及操作灵活性。如下图所示：

 

Hexcel公司设计了一种用于飞机发动机的降噪蜂窝——Acousti-Cap。这种结构是将一种可渗透的帽型材料嵌入到蜂窝芯中制成的非金属声学隔膜。Acousti-Cap帮助飞机发动机设计师在不增加结构重量的条件下，实现卓越的声学性能，包括在飞机起飞和降落时超好的降噪效果。该成果是目前技术条件下权衡飞机重量和实现降噪突破的一项改进。Acousti-Cap可根据客户指定的流动阻尼特性和整体蜂窝芯厚度需求，在每个蜂窝芯单元格中嵌入相应的Cap数量和深度，为客户量身订做满足其声学要求的产品。美国通用电气公司和罗尔斯罗伊斯公司使用Acousti-Cap，减轻了引擎重量，降低高达30％的引擎噪音。

日本JAXA公司设计了用于飞机引擎的树脂蜂窝结构，在减轻飞机重量的同时，实现了降噪的效果。

蜂窝夹层结构的构成

蜂窝种类包括Nomex蜂窝、铝蜂窝及玻璃布蜂窝等，其功能是将上、下面板隔开，以承受由一个面板传递到另一个面板的载荷和横向剪力。根据孔格形状可分为正六边形、过拉伸、单曲柔性、双曲柔性、增强正六边形和管状等，如下图所示。

 

在这些蜂窝夹芯材料中，以增强正六边形强度最高，正六边形蜂窝次之。由于正六边形蜂窝制造简单，用料省，强度也较高，故应用最广。应用上，由于NOMEX 蜂窝与铝蜂窝相比，局部失稳的问题要小得多，而且NOMEX材料不导电，不存在电化腐蚀问题，还能够满足烟雾毒性等要求，所以在航空制造上具有广泛的应用领域。表2列出了Hexcel与中航复合材料有限责任公司相同级别的NOMEX蜂窝的性能。

 

不同规格的蜂窝具有不同的密度和力学性能，密度小于48kg/m3的蜂窝属于低密度蜂窝，这类蜂窝在民机、直升机、无人机等亚音速飞机上具有广阔的使用前景。密度为48-80kg/m3 的蜂窝称为中、高密度蜂窝，具有较高的强度及刚度，广泛应用于某些有特殊力学性能要求的部位，如歼击机的平尾、鸭翼及方向舵等。目前国外航空用蜂窝的生产厂家主要有Hexcel、Gill、Plascore及Euro-technologies Inc.等，国内主要是中航复合材料有限责任公司。

 

具有优异性能的蜂窝结构无疑是大自然鬼斧神工的杰作，而且，大自然还有很多奇妙的创造等待着我们去探索呢，让我们一起擦亮慧眼，用聪明的头脑去发现它们吧！