蜂窩材料

蜜蜂的蜂窩具有稜柱形六邊形孔穴的規則排列，它集中體現了二維結構的多孔固體。這裡，在廣泛的意義上使用“蜂窩”一詞，來描述由相同柱狀孔穴堆疊在一起填充平面的任何排列。通常這些孔穴的截面為六邊形，如同蜜蜂的蜂窩孔穴，但它們也可為三角形、正方形或菱形。

人造聚合物、金屬和陶瓷的蜂窩材料早已面世，現在已可得其標準產品。它們有多種多樣的應用：聚合物和金屬的可用於所有夾層板芯，從價格低廉的門到先進的航天部件；金屬的還可用於能量吸收裝置（阿波羅Ⅱ號著陸艙的底座使用可壓扁的鋁蜂窩體作為吸振器；陶瓷的用於高溫處理（如作為催化劑載體和熱交換器）。許多天然材料-木材即其中的一種，都可進行理想化處理而當作蜂窩體來分析。如果這種材料要用作承載結構，那麼對其力學性能的了解是重要的。

研究蜂窩材料還有第二個充分的理由，那就是：其研究結果可展示出複雜得多的三維泡沫材料的力學性能。分析泡沫材料是一件困難的事情：其孔壁形成交錯的三維網路，在變形時產生難於確定的扭曲。蜂窩體則簡單得多。大型模型可由橡膠、金屬或陶瓷製得，其變形方式也可觀察到並能分類。另外，因為蜂窩材料具有規則的幾何結構，故其形變可在不同程度上進行精確的分析，給出描述其性能的方程式。最後，分析結果可由裁製模型的實驗來檢驗。

一種含高溫塑料聚苯乙烯的封閉蜂窩材料的新製造方法如下：

通過化學鍍的方法在高分子粉末上鍍覆一層鎳磷合金，並進行高溫燒結，得到了含高分子聚合物的金屬封閉蜂窩材料。SEM和EDS （能量色散譜）分析表明經熱處理后聚合物仍處於封閉空間里。這種材料具有低的彈性模量和高的能量吸收性能、高的衰減係數。

封閉蜂窩材料製造過程如下：

1、在10μm聚苯乙烯上化學鍍0.46μm厚的鎳。

2、將聚苯乙烯粉末放置在8mm或16mm的小球內，進行90℃衡壓200MPa壓縮。

3、進行真空8000℃高溫燒結1h。

封閉蜂窩材料的抗壓應力與壓應變的關係如下圖所示，應力與應變關係具有良好的線性關係。這對應了高能吸收性能，表明這種材料具有高能吸收特性可以用於衝擊能量的吸收。

下圖表示出了六邊形的蜂窩體，到目前為止這是最普遍的一種。共面剛度和強度是最低的，因為該平面內的應力使孔壁產生彎曲。而異面剛度和強度則要大得多，因為它們需要孔壁的軸向伸長或壓縮。

下圖示出了彈性蜂窩材料（橡膠）、彈塑性蜂窩材料（金屬）及彈脆性蜂窩材料（陶瓷）的壓縮和拉伸的應力-應變曲線。

它們的形狀有著廣泛的相似性，但是原因各不相同。在壓縮時，開始全都表現出一個線彈性區，後面接著一個應力近乎恆定的平台，最後進入一個應力陡然升高區。每個區域都聯繫著一個變形機制，這些機制可由對模型蜂窩體的載入和照相而得以確認。在開始載入時，孔壁就彎曲，產生線彈性（當然，只要孔壁材料本身是線彈性的）。但當達到臨界應力時，孔穴開始坍塌：對於彈性體材料，坍塌由孔壁的彈性屈曲所造成，故它可以恢復；對於具有塑性屈服點的材料，坍塌由彎曲邊的最大力矩截面處形成塑性鉸所造成；而對於脆性材料，則是由孔壁的脆性斷裂所造成；當然，后兩者是不可恢復的。最終，當處於高應變時，孔穴充分坍塌以至相對孔壁發生接觸（或它們斷裂的片段堆積在一起），且進一步的變形即壓縮到孔壁材料本身。這導致了應力-應變曲線的最後陡然上升部分，標誌著緻密化的出現。

蜂窩材料相對密度的加大，增加了孔壁的相對厚度。故而，孔壁的彎曲抗力和孔穴的坍塌抗力均提高，造成較高的模量和坪應力；且孔壁觸及較快，這就減小了緻密化開始的應變。

拉伸變形可以是不同的。孔壁一開始就出現彎曲，以與壓縮時同樣的斜率（故亦為同樣的模量）發生線彈性變形。但在拉伸時彈性蜂窩材料不會產生屈曲；而是孔壁轉向拉伸軸，剛性提高。塑性蜂窩體的表現方式則幾乎與其在壓縮時的一樣：形成塑性鉸，在一個近乎常數的“坪”應力作用下，允許大的變形；僅僅是幾何上的改變引起差異，這通常是將拉伸曲線推至壓縮曲線的位置之上。脆性蜂窩體在拉伸時是猝然破壞的，這時的應力值通常低於真正的抗壓強度。對於任何脆性固體，在拉伸時的斷裂場都是由最主要的缺陷（裂紋、刻痕或損壞的孔壁群等）所控制，這種缺陷的擴展方式可由斷裂機制的方法進行計算。增加相對密度具有與壓縮時相似的效果：彈性模量、多孔固體結構與性能塑性屈服應力和脆性斷裂應力都會相應增大。

當沿著孔穴軸向載入時，蜂窩材料的剛性更大得多，強度也更高得多。對於異面剪切載入的蜂窩材料（像夾層鑲板中蜂窩體的彎曲載入）同樣如此。在這些情況下，初始的線彈性變形包含了孔壁本身巨大的軸向或剪切變形。在壓縮過程中，線彈性區域被屈曲（對合成橡膠是彈性的，而對金屬或剛性聚合物是塑性的）所截短，最終破壞由撕裂或擠壓造成。在拉伸過程中，直到撕裂、塑性屈服或斷裂為止，蜂窩材料都是彈性的。具有一個相對密度範圍的蜂窩材料的應力-應變曲線，形成了如下圖所示的一個族譜。