近日，航天学院复合材料与结构研究所熊健教授课题组在碳纤维蜂窝变形调控方面取得重要进展。相关成果以“Surface Matching Design of Carbon Fiber Composite Honeycomb”为题，在固体力学顶级期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上发表。该研究为旨在解决碳纤维蜂窝弯曲变形与目标曲面失配这一问题，为解决周期性多孔材料变形调控问题提供了新思路。

碳纤维蜂窝能够有效解决传统蜂窝夹芯结构由于碳纤维面板和铝蜂窝芯材热失配引起的不良形变问题，是未来高精度航天飞行器亟需的新型轻质高稳结构芯材。但是，碳纤维蜂窝的“马鞍状”弯曲变形与航天器所需目标曲面失配，导致内部残余应力过大、胞壁损伤断裂、曲面定型后回弹等问题。上述挑战对于高精度星载天线尤为突出和严峻。

图1 不同泊松比的蜂窝弯曲变形及其适配曲面

  熊健教授团队的研究表明，曲壁化设计能够显著提升弯曲柔度。该研究通过建立碳纤维蜂窝弯曲大变形的理论模型，设计了多种碳纤维蜂窝构型，从而提高了具有正/负泊松比的蜂窝材料的弯曲柔度，降低了变形后结构内部残余应力。此外，通过理论模型高效调控面内泊松比，实现对弯曲变形的精确控制，以适配不同工程目标所需的曲面，有效抑制变形回弹。同时，绘制损伤状态云图，揭示了碳纤维蜂窝在不同工程曲面赋型过程中的损伤容限，为解决蜂窝赋型时可能出现的损伤断裂问题提供了解决方案。本研究推动了新型碳纤维蜂窝材料在高精度、高稳定性航天器中的应用前景。

图2 蜂窝弯曲变形试验

本文第一作者为航天学院助理教授韦兴宇，通讯作者为航天学院熊健教授。团队研究生焦轶涵、王焱、闫承瑞参与了相关研究工作。

研究得到了国家自然科学基金、博士后创新人才支持计划等项目的资助。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022509624003569?dgcid=coauthor