折疊芯材制備及應用進展研究

何可馨 陳靜

夾層結構是由面板、芯材及膠層組成的輕型結構，已經被廣泛應用于航空、航天等領域。傳統芯材有蜂窩、泡沫等，其中蜂窩夾層結構最為常見。然而蜂窩孔格與面板形成的密閉結構，低溫時容易水汽凝結甚至結冰使蜂窩孔格裂開，結構強度降低甚至結構失效。作為新型芯材的折疊芯材，其腔體結構非常適合空氣流通和冷凝物的排除，且其具有高比強度、高比剛度、輕質、吸能和可設計性，成為取代蜂窩夾層結構的有力競爭者。空客公司在VeSCo計劃中[1]，提出了一種以Miura折紙結構為夾層的機身殼體概念。美國《Science》報道了折疊芯材的獨有的結構特性和應用前景[2，3]。可見近年來折疊芯材受到了國內外學者的廣泛關注。本文闡述了折疊芯材的幾何設計，分析了折疊芯材的制備工藝——連續制造方法、不連續制造方法，以及纖維增強復合材料折疊芯材的制備工藝及不足，并對折疊芯材的多功能特性及應用進行了展望。

1? 折疊芯材的幾何設計

折疊芯材是將薄片材料按一定規律折疊成具有周期性胞元的三維立體結構。折疊芯材的幾何設計一般從折紋圖案開始。從拓撲形狀可以大致分為3種基本形式：三角形、梯形和正弦形。目前幾何設計主要是基于這3種基本形式的變異拓撲設計。如果在折疊過程中折疊圖案中的所有平面都不發生拉伸或彎曲，即折疊芯材可以展開為平面，這就是剛性折紙。目前國內外大多數的研究都集中在剛性折紙上。

2? 折疊芯材的制備技術

幾乎所有可以通過塑性變形等方式成型的材料都可以用于制備折疊芯材：紙、金屬、熱塑性材料（PEEK，PET等）、芳綸紙、碳纖維復合材料、芳綸纖維復合材料等等[4]。

現有折疊芯材制造方法可以分為2類：連續方法和不連續方法。連續法又可分為3類：擠壓法、沖壓法和滾壓法（如圖1所示）。擠壓法主要適用于鋁等熔點低延展性好的金屬，通過擠壓的方式使材料產生塑性流動。Rimoli等[5]采用擠壓模具將6061鋁合金高溫擠壓成波紋形，并熱處理至T6狀態。沖壓法[6]采用沖壓頭往復連續沖壓的方式使材料塑性變形，能采用沖壓法的材料類型較多，對熔點高低沒有要求。滾壓法[6]與沖壓法類似，采用滾動的模壓頭對金屬薄片加壓，使其塑性變形。連續方法在制備折疊芯材時不受模具面積的限制，且制作效率大大提高，更適合工業化生產。然而這種自動化工藝主要適用于延展性好的金屬材料。

不連續方法，主要用于制造一些尺寸較小幾何形狀簡單的制件。其中Khaliulin等[7，8]提出通過模具使材料變形的方法：利用一對上下可按照預定折疊形狀變形的剛性機構使面板隨模具變形折疊（如圖2所示）。Schenk等人[9]提出了一種利用氣壓折疊金屬板的方法：首先用數控機床將不連續孔組成的折紋圖案預刻在金屬板上，然后將2片預刻好不連續孔的金屬板上下對齊放置，中間用垂直等高金屬片沿預刻孔隔開，然后置于真空袋內抽真空，最后將真空袋置于高壓容器中，對其加壓，在氣壓作用下，上、下金屬板沿折痕折疊（如圖3所示）。

纖維增強復合材料成型工藝主要包括：熱壓罐成型和液體成型（RTM）。纖維增強復合材料折疊芯材因強度需求和其特殊的薄片折疊構型而普遍采用熱壓罐成型工藝進行制備。Hu等[10]采用上下模具硬—硬配合固化成型預浸料，得到波紋型芯材（如圖4所示）。此方法適合峰—谷高度差小，形狀簡單的制件，然而對于峰—谷高度差大，形狀復雜的制件，模具配合精度要求提高，很難做到預浸料不富脂不架橋。

Liu等[11]采用分體式模具，將模具加工成獨立的單元，分別鋪疊芯材單胞，最后將單胞進行組裝后固化（如圖5所示）。此方法只能成型單胞形狀簡單容易脫模的制件，否則很難將單胞模具從單胞中取出。在自動化制造方面，Elsayed等[12]提出了一種可用于工業化的折疊芯材連續加工的方法，可以大批量制備金屬和芳綸紙等材料的折疊芯材（如圖6所示）。這種連續制造方法制造的制件不可避免地會產生面內變形，因此一般只適用于具有一定延展性的織物預浸料。

3? 折疊芯材的多功能特性及應用

折疊芯材具有優良的通風特性，并且可以在芯材內部增加功能元件，使夾芯板成為結構功能一體化結構[13]。利用這種通道結構還可使冷卻液流通。黃勝等[14]證實了折疊夾芯結構具有比直流換熱管更大的換熱面積，使其對流換熱能力得到加強，且M型比V型折疊夾芯結構形狀具備更好的對流換熱能力。

因折疊芯材結構可以方便冷凝水的排出，防止積水，折疊芯材在航空航天領域的應用也十分廣泛，如客機機身、整流罩等。來自歐洲不同國家13所大學及研究機構，在CELPACT項目中，對金屬堆疊格柵狀芯材、內嵌式封閉金屬球、折疊芯材3種結構（如圖7所示）進行對比研究，最終折疊芯材作為應用于機身機艙段殼體的替代材料脫穎而出。空客公司在VeSCo計劃中，利用折疊芯材制造了4.5㎡的客機機身段的大型試驗件（如圖8所示）。

在隔聲結構輕量化方面，袁新浩[15]經過實驗研究發現折疊夾芯板以更低的面密度就可達到與蜂窩夾芯板和膠合板相同的隔聲效果。羅乖林[16]等對國內外多種先進隔聲降噪材料進行了性能摸底和對比試驗，研制了專門針對螺旋槳飛機降噪特點的折疊芯材夾層板，并經機上應用和空中試飛，隔聲降噪效果達到了要求。王志謹、雷磊等[17，18]發現V型鋁箔折疊芯材能夠顯著降低雷達散射面積，從而提高隱身性能。對于增加軍事設備的隱身性，保護軍事設施具有重要戰略意義。

4? 結語

折疊芯材具有極強的可設計性，可根據需求進行多功能一體化設計。折疊芯材的通風性、散熱、隔聲、隱身等特性對可以滿足在航空航天、重大裝備、人體健康等諸多領域的需求。然而復合材料折疊芯材在制備技術上還不夠成熟，目前還處于實驗層面，設計上提高膠接面積，增加結構強度還任重道遠。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.04.015

參考文獻

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