蜂巢结构的原理是什么

在国际贸易中,伴随着关税贸易壁垒的逐步降低或取消,取而代之的一些非关税壁垒在国际贸易中所起的作用越来越大.在这些非关税壁垒中,除了一些传统的贸易保护手段,如反倾销、反补贴、保障措施等外,新的技术性壁垒、绿色环保壁垒等措施日渐提高, 其中绿色贸易壁垒已成为越来越难以逾越的壁垒.因此,具有良好环境相容性的“环保包装材料”的研制与应用已成为21世纪的必然趋势,蜂窝纸板已越来越受到人们的青睐,将成为电子信息产品及其他工业产品包装的新宠.
蜂窝复合材料
自然界蜜蜂以其超然的智慧和辛勤的劳动构筑了无数形状优美的六边形蜂巢.早在公元四世纪的古希腊,数学家佩波斯就提出：蜂窝的优美形状,是自然界最有效劳动的代表.他猜想人们所见到的截面呈六边形的蜂窝,是蜜蜂采用最少量的蜂蜡建成的,他的这一猜想被称为“蜂窝猜想”.而后的事实和理论均证明,蜜蜂所建造的蜂巢的确采用了最少的蜂蜡,占有最大的空间面积,而结构稳定性为最佳.由此可见,六边形蜂巢结构是自然界的最佳选择,代表了最有效劳动的成果.
受自然蜂巢的启迪,人类通过长期研究和分析自然蜂窝结构的特点,创造性地发明了各种蜂窝复合结构材料及其制品,它们有的用于新材料和新产品的研发,有的用来改善现有产品的特性,有的用于解决结构设计中面临的难题等等.
在应用材料领域,蜂窝复合材料类似于连续排列的工字钢结构,以其极佳的抗压、抗弯特性和超轻型结构特征而闻名于世.与同类型的实心材料相比,蜂窝材料其强度重量比和刚性重量比在已知材料中均是最高的.蜂窝结构板材具有许多优越的性能,从力学角度分析,封闭的六角等边蜂窝结构相比其他结构,能以最少的材料获得最大的受力,而蜂窝结构板受垂直于板面的载荷时,它的弯曲刚度与同材料、同厚度的实心板相差无几,甚至更高,但其重量却轻70～90%,而且不易变形,不易开裂和断裂,并具有减震、隔音、隔热和极强的耐候性等优点.
高强度蜂窝纸板是近年来在欧美、日本和我国兴起的一种节省资源、保护生态环境、成本低廉的新型绿色环保包装材料,它具有轻、强、刚、稳四大优点,体现了一种全新的包装模式和观念.从体积上来讲,小如微型马达等电子产品,大至飞机发动机等大型机电产品；从重量而言,轻如几百克的蜂窝移动电话,大到几吨重的汽车零部件都可以采用蜂窝纸板包装.蜂窝纸板的应用已经显示出了其他包装材料无可比拟的巨大优越性.而且,作为一种环保材料,它具有可自然降解,不污染环境和循环再生利用等特点.不仅如此,使用一吨再生蜂窝纸材料,可以替代30～50立方米的木材,极大地减少木材的使用量,保护日益减少的森林资源.正是由于蜂窝纸板的众多优点,尤其是在节约资源和环保价格上的优势,正日益得到世界各国*的鼓励和支持,在推广和应用上已出现了令人鼓舞的局面.
近年来,信息产业部包装办公室、中国包装联合会电子分会,一直积极组织荷力胜公司等企事业单位研讨推动和引导的蜂窝纸板应用开发不断取得新的突破.1998年研发的蜂窝纸托盘得到广大出口商的欢迎和应用,解决了木质包装材料出口美国、欧盟受限的难题,目前蜂窝纸托盘正不断扩大市场分额,成为木质托盘的主要替代品；2000年研发的蜂窝纸板空调包装方案,得到海尔、格力、美的、科龙、长虹等国内家电巨头的青睐,已基本取代了传统的EPS泡沫或木架包装方案；随后,长虹背投电视、液晶电视、海尔冰柜、美的洗碗机等家电产品陆续应用蜂窝纸板包装,开发和应用蜂窝纸板包装材料正形成燎原之势,因此,蜂窝纸板作为一种新型的包装材料具有良好的发展和应用前景.
蜂窝纸板的结构特征和优点
蜂窝纸板的结构
蜂窝复合纸板的结构如图1所示,是一种规范的蜂窝夹层结构：由上下两张面纸夹蜂窝纸芯粘合而成.蜂窝夹层结构具有突出的抗压和抗弯曲能力,其最显著的特点是：以最少的材料获得最大的受力,即强度重量比最大,这是蜂窝复合材料受人青睐的根本原因.
蜂窝纸板的主要技术特点
①重量轻、用材少、成本低
蜂窝夹层结构与其他各种板式结构相比,具有最大的强度重量比,因而其制成品的性能价格比好,这是蜂窝纸板成功的关键.如普通蜂窝纸板的密度约为：30～50kg/m3,约为普通五层瓦楞纸板密度的三分之一,而普通蜂窝纸板的材料成本约是与其强度相当的重型七层瓦楞纸板的三分之二.与EPS泡沫相比,在同等抗压强度下,蜂窝纸板比EPS轻20%～30%,用料省,且价格低于EPS材料.
②强度高、表面平整、不易变形
蜂窝夹层结构近似各向同性,结构稳定性好,不易变形,其突出的抗压能力和抗弯能力是箱式包装材料需要的最重要的特性.普通蜂窝纸板正面每平方厘米可承受2～5公斤的压力,是普通瓦楞纸板抗压能力的5～10倍.普通蜂窝纸板的抗弯折强度是强化瓦楞纸板的2～5倍,是普通瓦楞纸板的5～30倍.与EPS泡沫相比,在同等密度下,蜂窝纸板的抗压强度比EPS泡沫材料高30%～50%.
③抗冲击、缓冲性好
蜂窝纸板由柔性的纸芯和面纸做成,具有较好的韧性和回弹性,通过改变蜂窝纸芯的纸重或孔径大小,以及改变面纸的克重,都可以方便改变蜂窝纸板的抗压强度和缓冲性能.目前,高厚度的蜂窝纸板通过简单加工就可以替代现已大量使用的EPS塑料泡沫缓冲垫或用作运输包装物之间的缓冲板.
④隔音、吸热
蜂窝夹层结构内部为封闭的小室,其中充满空气,因此具有很好的隔音、隔热和保温性能.
⑤无污染、符合现代环保潮流
蜂窝纸板全部由可循环再生的纸材制作,使用后可以百分之百地回收再利用.即使弃之不用,也可被大自然降解、吸收,是很好的绿色环保包装材料.
蜜蜂的蜂窝构造非常精巧、适用而且节省材料.蜂房由无数个大小相同的房孔组成,房孔都是正六角形,每个房孔都被其它房孔包围,两个房孔之间只隔着一堵蜡制的墙.令人惊讶的是,房孔的底既不是平的,也不是圆的,而是尖的.这个底是由三个完全相同的菱形组成.有人测量过菱形的角度,两个钝角都是109°而两个锐角都是70°.令人叫绝的是,世界上所有蜜蜂的蜂窝都是按照这个统一的角度和模式建造的.
蜂房的结构引起了科学家们的极大兴趣.经过对蜂房的深入研究,科学家们惊奇地发现,相邻的房孔共用一堵墙和一个孔底,非常节省建筑材料；房孔是正六边形,蜜蜂的身体基本上是圆柱形,蜂在房孔内既不会有多余的空间又不感到拥挤.
蜂窝的结构给航天器设计师们很大启示,他们在研制时,采用了蜂窝结构：先用金属制造成蜂窝,然后再用两块金属板把它夹起来就成了蜂窝结构.这种蜂窝结构强度很高,重量又很轻,还有益于隔音和隔热.因此,现在的航天飞机、人造卫星、宇宙飞船在内部大量采用蜂窝结构,卫星的外壳也几乎全部是蜂窝结构.因此,这些航天器又统称为“蜂窝式航天器”.