在航空航天应用中，传统蜂窝结构面临剪切性能不足的痛点。尽管蜂窝结构因其高比强度和高能量吸收能力被广泛应用于飞机舵面、卫星平台等关键部位，但其各向异性和脆性纤维限制了其在复杂载荷环境下的表现。例如，机翼蒙皮承受气流引起的弯曲载荷，整流罩则受到惯性振动和气流摩擦的剪切载荷，这些工况要求材料具备更均衡的力学性能。
为克服上述局限，哈尔滨工程大学的研究团队在Composites Science and Technology发表了相关研究成果，该研究受藤壶结构启发，设计了一种具有倾斜侧壁的碳纤维金字塔蜂窝，通过仿生设计与工艺创新，在保持极低密度的同时显著提升了结构的剪切性能，为航空航天轻量化复合材料应用提供了新方案。论文标题为”Mechanical properties of carbon fiber pyramid-honeycomb with shear strengthening design”。
该研究受藤壶附着结构的启发，设计了一种具有倾斜侧壁的新型碳纤维金字塔蜂窝结构。该设计通过改变几何形状，重构碳纤维方向，使其更适用于承受剪切载荷，从而灵活利用碳纤维高模量的优势。文章提出了一种基于蜂窝拉伸技术的改进方法，结合拓扑变形设计与多次高温成型步骤，成功制备出超低密度的金字塔蜂窝芯。此外，该研究还建立了可靠的理论模型，用于预测蜂窝的失效机制、强度、刚度及失效模式，为理论分析提供了几何与力学基础。
图1 受藤壶结构启发的金字塔蜂窝
图2 蜂窝结构示意图
图3 金字塔蜂窝纤维方向与变形示意图
图4 金字塔蜂窝的制备过程
通过实验与数值模拟验证，该金字塔蜂窝结构展现出优异的力学性能。在剪切实验中，蜂窝侧壁依次发生单层壁和双层壁的屈曲失效。数据表明，随着壁厚和粘结宽度的增加，蜂窝的剪切强度与模量显著提升。例如，在壁厚0.07 mm、粘结宽度10 mm时，剪切强度达1.23 MPa，模量为245 MPa。与现有复合蜂窝结构相比，金字塔蜂窝在相同密度下表现出更高的剪切比强度和比模量，具体数据对比如下：剪切强度从传统蜂窝的约0.5 MPa提升至1.23 MPa，剪切模量从约100 MPa增至245 MPa，压缩强度从约0.5 MPa提高至0.94 MPa。这些数据充分体现了该结构在轻量化与高性能之间的平衡优势。
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性能指标 |
低参数配置 (密度: ~17-31 kg/m³) |
高参数配置 (密度: ~31.7 kg/m³) |
性能提升 |
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剪切强度 |
0.32 MPa |
1.23 MPa |
↑ 284% |
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剪切模量  |
51 MPa |
245 MPa |
↑ 380% |
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压缩强度 |
0.21 MPa |
0.94 MPa |
↑ 348% |
图5 剪切应力-应变曲线
图6 压缩应力-应变曲线
图7 复合蜂窝剪切性能对比
在压缩实验中，蜂窝同样表现出先单层壁后双层壁的屈曲失效序列。尽管制备过程中存在回弹和形状误差，高壁厚试样仍显示出较低的实验误差，说明其形状稳定性更优。该结构的剪切性能在极低密度领域填补了空白，适用于航天器天线反射器、太阳能电池板等需高剪切刚度的部件。此外，其简单的制备工艺和可扩展性为大规模工业应用提供了可能。
图8 复合蜂窝材料的典型应用领域
文章结论指出，该研究通过仿生倾斜侧壁设计，使碳纤维在剪切载荷下能有效承受拉压应力，从而显著提升剪切性能；所建立的理论模型在失效机制与性能预测方面与实验和模拟结果一致；通过控制薄层复合材料变形并结合拉伸工艺，实现了金字塔蜂窝的制备，简化了复杂结构的制造过程；与现有复合蜂窝相比，该金字塔蜂窝具有更高的剪切强度与模量，填补了极低密度领域高性能剪切结构的空白。该研究不仅为复合蜂窝材料的设计与制造提供了新思路，也推动了航空航天轻量化结构材料的发展。
原始文献：
Wang, R., Yu, G., Tian, S., Li, L., Jin, Y., Feng, L., & Wu, L. (2025). Mechanical properties of carbon fiber pyramid-honeycomb with shear strengthening design. Composites Science and Technology, 271, 111337.
原文链接：
https:///10.1016/j.compscitech.2025.111337