蜂窝结构作为一种仿生结构被广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车工业等领域，以满足轻量化、多功能等需求。碳纤维增强复合材料蜂窝凭借其优异的力学性能，更低的湿热膨胀以及更强的结构可设计性，在航空航天、海洋船舶等高端装备的承力结构中正逐步取代传统的金属蜂窝或芳纶纸蜂窝。热固性碳纤维蜂窝受限于瓦楞法制备过程的固化压力，其节点成为结构的薄弱环节并影响蜂窝整体性能和失效模式。此外，较长的固化时间以及高昂的模具成本也对其连续化制备与高效生产提出了挑战。近期，南京航空航天大学陶杰教授团队，在复合材料Top期刊《Composites Science and Technology》上发表了题为“Joint interface optimization of all-CFRTP composite honeycomb prepared by ultrasonic multi-spot welding”的论文，论文通讯作者为陶杰教授、李华冠教授，第一作者项俊贤博士。论文基于超声波焊接设计并制备了碳纤维增强聚醚醚酮（PEEK）复合材料蜂窝，结合多壁碳纳米管（MWCNTs）提出了新型能量导向结构（EDs），蜂窝节点拉伸强度提升4倍的同时结构呈现更优异的能量吸收性能。优化的超声波焊接制备技术为碳纤维蜂窝的高效和大尺寸制备提供了新思路。 （1）设计制备：如图1所示，CF/PEEK复合材料蜂窝的制备分为三个步骤。首先，将PEEK粉末和MWCNTs粉末混合后分散，并将其铺设于瓦楞模具中。然后与铺层设计后的CF/PEEK预浸料在瓦楞模具中共固化得到表面带有EDs的复合材料瓦楞板。最后设计了具有多点同步焊接工装，借助超声波焊接实现瓦楞板节点的连接并制备得到蜂窝结构。
图1 CF/PEEK蜂窝制备 (a) 粉末分散; (b) 瓦楞板及EDs模压; (c) 超声波焊接（2）蜂窝压缩试验：参考ASTM C365‐05对比了采用焊接与传统热压固结方法制备得到的蜂窝压缩响应。如图2所示，超声波焊接法制备的蜂窝的抗压强度达到10.01 MPa，提升约11.97%。蜂窝达到承载的极限强度后呈现节点界面的分层失效。图2 蜂窝压缩响应 (a)应力-应变关系; (b)压缩过程(试验); (c)压缩过程(仿真); (d)节点失效（3）节点拉伸试验：参考ASTM C363-16进一步测试蜂窝的节点界面响应。如图3所示，焊接节点的拉伸强度相比于热压固结的蜂窝结点拉伸强度降低约7%，呈灾难性失效模式，未发现显著的纤维桥接。
图3 节点拉伸响应 (a)载荷-位移曲线; (b)热压固结界面失效模式; (c)超声焊接界面失效模式 (4）结果分析：如图4(b)所示，焊接工艺对蜂窝性能既有积极的影响，也有消极的影响。一方面，高频振动导致连续纤维发生弯曲，增大了壁截面的惯性矩，间接提高了蜂窝的抗压强度。另一方面，熔化的EDs也会导致界面处出现富含树脂的区域，破坏模式从纤维基体脱粘转变为基体内聚破坏，降低了其层间断裂韧性，使裂纹更易形成和扩展。图4 节点截面及惯性矩 (a)热压固结节点; (b)焊接节点（5）节点界面优化：不同MWCNTs含量的EDs所制备的蜂窝压缩响应如图5所示。伴随着MWCNTs含量的提升，蜂窝的压缩应力在达到峰值强度后呈现平台而不是持续下降。此外，图5(d)对比了不同蜂窝结构的能量吸收性能，可以清楚地看出，优化后的蜂窝比能量吸收最高提升了约20%，压缩比强度提升超过30%；相比于铝蜂窝、PEEK蜂窝以及芳纶纸蜂窝均具有显著优势。图5 优化后的蜂窝压缩响应 (a)应力-应变曲线; (b)优化前压缩过程;(c)优化后压缩过程; (d)蜂窝吸能性能
文章采用多点超声波焊接方法制备了CF/PEEK复合材料蜂窝结构，并通过设计新型EDs优化了节点界面性能与蜂窝吸能性能。主要结论如下：(1)节点蜂窝壁屈曲后的分层是压缩过程中的主要失效模式，其能量吸收也取决于分层过程中的断裂韧性；(2)超声波焊接方法制备的蜂窝面外抗压强度提高了11.97%，工艺优化后的节点拉伸强度提升了约400%，平均压溃力和比能量吸收分别增大了10.44%和19.39%； (3)文章提出的超声波焊接方法制备碳纤维蜂窝将不再受限于固化设备尺寸，蜂窝壁固结时间极短，模具成本大大降低，这为高效、批量制造热塑性碳纤维蜂窝提供了切实可行的途径。Xiang Junxian; Tao Jie*, Yang Funa, Li Huaguan*, Chen Xi, Lin Yanyan, Yuan Lili. Joint interface optimization of all-CFRTP composite honeycomb prepared by ultrasonic multi-spot welding[J]. Composites Science and Technology. 2024, 248: 110456.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0266353824000265
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