不骗人，嫦娥五号在月球站稳脚跟主要靠蜜蜂( 二 ) 2020年11月24日

数学家托马斯·黑尔斯，图片来源：维基百科
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蜂窝材料具有高效防护能力
而蜂窝材料之所以能够随着嫦娥五号登上了月球，则是由于它在缓冲防护领域同样具有极大的应用价值。
如果我们把蜂窝材料放置在两层很薄的实心板之间，并用胶水将它们牢牢地粘在一起，就得到了一种叫做“蜂窝夹芯三明治板”的多层复合板材。这种夹芯板看起来很厚，多孔的蜂窝材料芯材占据了绝大部分体积，但其质量却很轻。同时，蜂窝夹芯板还具有较高的抗弯曲变形和缓冲防护能力，所以非常适合用于飞机、火箭、卫星等对重量、承载效率和防护能力要求非常高的设备上。 1915年，工程师雨果·容克斯首次在飞机的结构设计中应用了蜂窝夹芯板，由此开启了蜂窝材料飞上蓝天的时代。

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蜂窝夹芯板，图片来源：见水印（如侵权，请联系删除）
蜂窝材料是如何在爆炸、高速碰撞等危险环境中保护后方设备的呢？我们可以通过简单的压缩破坏实验来进行观察。
蜂窝材料又被称为二维材料，是因为它可以通过二维平面内的六边形镶嵌结构向垂直方向拉伸得到。可以发现，如果沿着不同的方向对蜂窝材料加以挤压，它的破坏方式一定是不同的。为了研究不同压缩方向上蜂窝材料的受压破坏，科学家们一般把二维平面内的X方向和Y方向定义为面内方向，而把拉伸方向（Z方向）定义为面外方向。

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蜂窝材料的方向定义，图片来源：自制
如下图所示就是蜂窝材料的面外压缩实验，它的上方是一个刚性压头，下方是某个重要的设备。而它的任务则是在压头向下施加压力时，尽量保护后方设备。
压缩试验启动后，压头开始慢慢向下移动，并将压力通过蜂窝材料向后方传递。根据牛顿第三定律以及力的平衡条件可知，压头对蜂窝材料施加的压力和蜂窝材料对后方设备施加的压力相等。当压力超过了后方设备的承受极限时，就可以使设备遭到破坏。

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面外方向的压缩实验，图片来源：自制
随着压缩的进行，压头和蜂窝材料之间的压力的确在快速增加，似乎马上就要超过后方设备的承受极限了。但就在这时，蜂窝材料提前屈服于巨大的压力，它的侧壁开始出现弯曲、折叠。这种侧壁的变形现象最初仅存在于局部区域，接着会随着压头的继续下压而向更广的部位扩展。

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压力的变化规律，图片来源：自制
蜂窝材料的局部弯曲折叠现象，图片来源：文献[2]
每发生一次这种局部的侧壁弯曲折叠破坏，蜂窝材料与压头之间都会出现一次微小的缝隙，就像拳击手一拳打空了一样，会使压力瞬间下降。直到压头继续将蜂窝材料压紧后，压力才会继续恢复上升。
在整个压缩过程中，大量的侧壁弯曲折叠现象使得压力总是无法继续上升，始终在一个恒定值附近上下波动。只有当蜂窝材料被完全压实成饼状后，压力才会继续迅猛上升，对后方设备造成威胁。
以上是面外压缩的情形。而当蜂窝材料承受面内方向的压缩时，虽然它的侧壁弯曲折叠规律有所不同，但压力曲线的变化规律却仍然类似，同样具有一个比较明显的平台区。在压头将蜂窝材料完全压实之前，压力始终无法实现有效突破，自然也就不能对后方的保护对象造成什么威胁。