Сотовые структуры — это естественные или искусственные структуры , имеющие геометрию сот , что позволяет минимизировать количество используемого материала для достижения минимального веса и минимальной стоимости материала . Геометрия сотовых структур может сильно различаться, но общей чертой всех таких структур является массив полых ячеек, образованных между тонкими вертикальными стенками. Ячейки часто имеют столбчатую и шестиугольную форму. Сотовая структура обеспечивает материал с минимальной плотностью и относительно высокими свойствами сжатия вне плоскости и свойствами сдвига вне плоскости . [1]
Искусственные сотовые структурные материалы обычно изготавливаются путем наложения сотового материала между двумя тонкими слоями, которые обеспечивают прочность на растяжение . Это образует пластинчатую сборку. Сотовые материалы широко используются там, где требуются плоские или слегка изогнутые поверхности, и их высокая удельная прочность является ценной. По этой причине они широко используются в аэрокосмической промышленности, а сотовые материалы из алюминия, стекловолокна и современных композитных материалов используются в самолетах и ракетах с 1950-х годов. Их также можно найти во многих других областях, от упаковочных материалов в виде сотового картона на бумажной основе до спортивных товаров, таких как лыжи и сноуборды.
Естественные сотовые структуры включают в себя ульи , соты, образовавшиеся в результате выветривания в скалах , требухе и костях .
Искусственные сотовые конструкции включают композиты сэндвич-структуры с сотовыми сердцевинами. [ необходима цитата ] Искусственные сотовые конструкции изготавливаются с использованием различных материалов в зависимости от предполагаемого применения и требуемых характеристик, от бумаги или термопластиков , используемых для низкой прочности и жесткости для приложений с низкой нагрузкой , до высокой прочности и жесткости для приложений с высокой производительностью, из алюминия или армированного волокном пластика. Прочность ламинированных или сэндвич-панелей зависит от размера панели, используемого облицовочного материала и количества или плотности сотовых ячеек в ней. Сотовые композиты широко используются во многих отраслях промышленности, от аэрокосмической промышленности, автомобилестроения и производства мебели до упаковки и логистики. Материал получил свое название от своего визуального сходства с пчелиными сотами — шестиугольной листовой структуры.
Шестиугольный сот медоносной пчелы вызывал восхищение и удивление с древних времен. Первые искусственные соты, согласно греческой мифологии, были изготовлены Дедалом из золота методом литья по выплавляемым моделям более 3000 лет назад. [2] Марк Варрон сообщает, что греческие геометры Евклид и Зенодор обнаружили, что шестиугольная форма наиболее эффективно использует пространство и строительные материалы. Внутренние ребра и скрытые камеры в куполе Пантеона в Риме являются ранним примером сотовой структуры. [3]
Галилео Галилей обсуждает в 1638 году сопротивление полых твердых тел: «Искусство, а тем более природа, используют их в тысячах операций, в которых прочность увеличивается без добавления веса, как это видно на костях птиц и во многих стеблях, которые легки и очень устойчивы к изгибу и излому». [4] Роберт Гук обнаруживает в 1665 году, что естественная ячеистая структура пробки похожа на шестиугольные соты медоносной пчелы. [5] а Чарльз Дарвин утверждает в 1859 году, что «соты улья, насколько мы можем видеть, абсолютно совершенны для экономии труда и воска». [6]
Первые бумажные сотовые конструкции, возможно, были сделаны китайцами 2000 лет назад для украшений, но никаких упоминаний об этом не найдено. Бумажные соты и процесс производства расширения были изобретены в Галле/Заале в Германии Гансом Хайльбруном в 1901 году [7] для декоративных целей. Первые сотовые конструкции из гофрированных металлических листов были предложены для пчеловодства в 1890 году. [8] Для той же цели, как листы основания для сбора большего количества меда, в 1878 году был запатентован процесс формования сот с использованием смеси клея и бумажной пасты. [9] Три основных метода производства сот, которые используются и сегодня — расширение, гофрирование и формование — были разработаны уже к 1901 году для не-сэндвичевых применений.
Хуго Юнкерс первым исследовал идею сотового сердечника в слоистой структуре. Он предложил и запатентовал первые сотовые сердечники для применения в самолетах в 1915 году. [10] Он подробно описал свою концепцию замены тканевых авиационных конструкций металлическими листами и рассудил, что металлический лист также может быть нагружен сжатием, если он поддерживается на очень малых интервалах путем расположения рядом друг с другом ряда квадратных или прямоугольных ячеек или треугольных или шестиугольных полых тел. Проблема соединения непрерывной оболочки с сотовыми сердечниками позже привела Юнкерса к открытой гофрированной структуре, которую можно было бы склепать или сварить вместе.
Первое использование сотовых структур для структурных применений было независимо предложено для применения в строительстве и опубликовано уже в 1914 году. [11] В 1934 году Эдвард Г. Бадд запатентовал сварную стальную сотовую сэндвич-панель из гофрированных металлических листов, а Клод Дорнье в 1937 году поставил перед собой задачу решить проблему соединения сердцевины и обшивки путем прокатки или вдавливания обшивки, находящейся в пластичном состоянии, в стенки ячеек сердцевины. [12] Первое успешное структурное адгезионное соединение сотовых сэндвич-структур было достигнуто Норманом де Брюйном из Aero Research Limited , который запатентовал клей с нужной вязкостью для формирования смоляных галтелей на сотовом сердечнике в 1938 году. [13] В североамериканском XB-70 Valkyrie широко использовались сотовые панели из нержавеющей стали с использованием разработанного ими процесса пайки .
Ниже приводится краткое изложение важных событий в истории сотовой технологии: [14]
Три традиционных метода производства сот — расширение, гофрирование и формование — были разработаны к 1901 году для не-сэндвичевых применений. Для декоративных применений производство расширенных сот достигло значительной степени автоматизации в первом десятилетии 20-го века.
Сегодня сотовые заполнители изготавливаются с помощью процесса расширения и процесса гофрирования из композитных материалов , таких как стеклопластик (также известный как стекловолокно), пластик, армированный углеродным волокном , пластик, армированный арамидной бумагой Nomex , или из металла (обычно алюминия ). [15]
Соты из металлов (например, алюминия) сегодня производятся методом расширения. Непрерывные процессы складывания сот из одного алюминиевого листа после резки щелей были разработаны еще около 1920 года. [16] Непрерывное поточное производство металлических сот может осуществляться из металлических рулонов путем резки и гибки. [17]
Термопластичные сотовые заполнители (обычно из полипропилена ) обычно изготавливаются методом экструзии, при которой изготавливаются блоки экструдированных профилей [18] или экструдированных труб [19] [20] , из которых нарезаются сотовые листы.
Недавно был внедрен новый уникальный процесс производства термопластичных сот, позволяющий осуществлять непрерывное производство [21] сотового сердечника, а также поточное производство сот с прямым ламинированием обшивки в экономически эффективные сэндвич-панели. [22]
Композитные сотовые конструкции нашли широкое применение в инженерии и науке.
Более поздние разработки показывают, что сотовые структуры также выгодны в приложениях, включающих массивы наноотверстий в анодированном оксиде алюминия [23] , микропористые массивы в полимерных тонких пленках [24] , активированные углеродные соты [25] и фотонные запрещенные зоны сотовых структур. [26]
Сотовая сетка часто используется в аэродинамике для уменьшения или создания турбулентности ветра . Она также используется для получения стандартного профиля в аэродинамической трубе (температура, скорость потока). Основным фактором при выборе правильной сетки является соотношение длины (длина к диаметру ячейки сот) L/d .
Соотношение длины < 1: Сотовые сетки с низким соотношением длины могут использоваться на решетке радиатора автомобиля . Помимо эстетических соображений, эти сетки используются в качестве экранов для получения однородного профиля и снижения интенсивности турбулентности. [27]
Коэффициент длины >> 1: Сотовые сетки с большим коэффициентом длины уменьшают боковую турбулентность и завихрения потока. Ранние аэродинамические трубы использовали их без экранов; к сожалению, этот метод вносил высокую интенсивность турбулентности в испытательную секцию. Большинство современных труб используют как соты, так и экраны.
Хотя алюминиевые соты широко используются в промышленности, для особых случаев предлагаются и другие материалы. Людям, использующим металлические конструкции, следует позаботиться об удалении заусенцев , поскольку они могут создавать дополнительную турбулентность. Поликарбонатные конструкции являются недорогой альтернативой.
Сотовый, экранированный центр этого воздухозаборника открытого цикла для первой аэродинамической трубы Лэнгли обеспечивал устойчивый, нетурбулентный поток воздуха. Два механика позируют около входного конца настоящей трубы, где воздух втягивался в испытательную секцию через сотовую конструкцию для сглаживания потока.
Соты — не единственное поперечное сечение, доступное для уменьшения завихрений в воздушном потоке. Квадратные, прямоугольные, круглые и шестиугольные поперечные сечения — другие доступные варианты, хотя соты, как правило, являются предпочтительным выбором. [28]
В сочетании с двумя оболочками, нанесенными на сотовый заполнитель, структура предлагает сэндвич-панель с превосходной жесткостью при минимальном весе. Поведение сотовых структур является ортотропным , то есть панели реагируют по-разному в зависимости от ориентации структуры. Поэтому необходимо различать направления симметрии , так называемые L- и W-направления. L-направление является самым сильным и самым жестким направлением. Самое слабое направление находится под углом 60° к L-направлению (в случае правильного шестиугольника ), а наиболее податливым направлением является W-направление. [1] Другим важным свойством сотового сэндвич-сердечника является его прочность на сжатие. Благодаря эффективной гексагональной конфигурации, где стенки поддерживают друг друга, прочность на сжатие сотовых сердечников обычно выше (при том же весе) по сравнению с другими сэндвич-структурами, такими как, например, пенопластовые сердечники или гофрированные сердечники.
Механические свойства сот зависят от геометрии ячеек, свойств материала, из которого соты изготовлены (часто называемого твердым телом), которые включают модуль Юнга, предел текучести и напряжение разрушения материала, а также относительную плотность сот (плотность сот, нормализованная по плотности твердого тела, ρ * /ρ s ). [29] [30] Соотношение эффективных модулей упругости и модулей Юнга твердого тела, например , и , сот низкой плотности не зависят от твердого тела. [31] Механические свойства сот также будут меняться в зависимости от направления приложения нагрузки.
Нагрузка в плоскости: При нагрузке в плоскости часто предполагается, что толщина стенки сот мала по сравнению с длиной стенки. Для обычных сот относительная плотность пропорциональна отношению толщины стенки к длине стенки (t/L), а модуль Юнга пропорционален (t/L) 3 . [29] [30] При достаточно высокой сжимающей нагрузке соты достигают критического напряжения и разрушаются из-за одного из следующих механизмов — упругого выпучивания, пластической деформации или хрупкого дробления. [29] Режим разрушения зависит от материала твердого тела, из которого изготовлены соты. Упругий выпучивание стенок ячеек является режимом разрушения для эластомерных материалов, [30] пластичные материалы разрушаются из-за пластической деформации, а хрупкое дробление является режимом разрушения, когда твердое тело является хрупким. [29] [30] Напряжение упругого изгиба пропорционально кубу относительной плотности, напряжение пластического смятия пропорционально квадрату относительной плотности, а напряжение хрупкого дробления пропорционально квадрату относительной плотности. [29] [30] После критического напряжения и разрушения материала в материале наблюдается платообразное напряжение, при котором наблюдается увеличение деформации, в то время как напряжение сот остается примерно постоянным. [30] После достижения определенной деформации материал начнет подвергаться уплотнению, поскольку дальнейшее сжатие сталкивает стенки ячеек вместе. [30]
Нагрузка вне плоскости: При нагрузке вне плоскости модуль Юнга вне плоскости правильных шестиугольных сот пропорционален относительной плотности сот. [29] Напряжение упругого изгиба пропорционально (t/L) 3 , тогда как напряжение пластического изгиба пропорционально (t/L) 5/3 . [29]
Форма сотовой ячейки часто варьируется в зависимости от различных инженерных приложений. Формы, которые обычно используются помимо обычной шестиугольной ячейки, включают треугольные ячейки, квадратные ячейки, шестиугольные ячейки с круглым сердечником и квадратные ячейки с круглым сердечником. [32] Относительная плотность этих ячеек будет зависеть от их новой геометрии.
В ней [ротонде] тут и там, на разных уровнях, имеются отверстия, которые ведут в некоторые из многочисленных различных камер, которые пронизывают структуру ротонды, и эта прослойка является неотъемлемой частью сложного инженерного решения...
