新型碳纤维蜂窝结构！让飞机卫星“身轻如燕”又“稳如泰山”！

近日，哈尔滨工程大学航建学院先进船舶复合材料与结构团队从海洋中的藤壶身上找到灵感，研发出一种像“金字塔”一样的新型碳纤维蜂窝结构，让材料在“轻如鸿毛”的同时，抗剪切能力大幅提高，为航空航天中材料轻量化的难题提供了新解法。

为解决航空航天中材料轻量化的难题，研究团队把目光投向了海洋中的藤壶。这种看似不起眼的小生物，将自己牢牢“粘”在礁石或船底上，即便在巨浪冲击下也纹丝不动。其秘密就在于：倾斜的侧壁结构能更均匀地分散外力，将剪切力转化为侧壁的拉压力。受此启发，团队设计出一种“金字塔蜂窝”结构：将传统蜂窝的垂直侧壁改为倾斜侧壁，就像把一个个小金字塔紧密排列。这种设计能让内部的碳纤维方向“按需调整”——当剪切力作用时，倾斜的侧壁会同时承受拉力和压力，充分发挥碳纤维“抗拉和抗压强度高”的优势，就像斜拉桥的钢索一样，通过倾斜角度分散载荷。

为验证这一设计的效果，团队通过“蜂窝拉伸成型”工艺，制备出密度仅为17-31.7kg/m³（相当于水密度的1/30）的金字塔蜂窝芯，并进行了系统的力学测试。通俗地说，在相同重量下，新型蜂窝的抗剪强度和刚度远远超过传统复合材料蜂窝。实验中，当施加剪切力时，金字塔蜂窝的倾斜侧壁承载，其内部的碳纤维丝发挥它的高拉压性能，在它屈曲之前，不会发生整体结构的失效。受益于纤维丝的高模量，蜂窝即使密度低至17kg/m³（比同体积的棉花还轻），其剪切模量仍能达到51MPa，填补了超低密度结构在高剪切性能领域的空白。

图片由哈尔滨工程大学提供

这种“轻而强”的特性，让新型蜂窝在航空航天领域展现出巨大应用潜力。航天器部件卫星的天线反射器、太阳能电池板需要在太空中保持高精度形状，碳纤维材料的高热稳定性能有效抵抗太空温差引起的变形；飞机结构用于机翼蒙皮、机舱地板，可在减重的同时提升抗气流剪切能力，降低油耗；工业化生产无需复杂模具，通过调整设计图纸，及原材料壁厚（最薄仅0.03mm），就能灵活调控材料性能，为大规模工业化生产奠定了基础。