復合材料夾層結構在航空領域的應用

陳龍輝，付杰斌，王 強，李偉東，陳里根

（中航工業洪都，江西南昌330024）

0 引言

在飛機結構設計中， 高結構效率的要求是設計人員的巨大挑戰。 這就要求所設計的板、壁、墻類結構在承受拉、壓及剪切載荷的綜合作用下不失穩，并盡可能輕、薄。 傳統的是用長桁和肋/框組成縱、橫向加強件來提高板件穩定性的設計方法， 在飛機結構設計中仍有一定范圍的使用。 同時，一些新型結構形式也日益被廣泛使用，比如夾層結構。

夾層結構指由兩層或多層高強度、 高模量的薄板間加厚度大、 密度小的輕質芯材所組成的不可拆卸的組合結構件。 由于夾層結構具有氣動表面光滑、剛度重量比大、抗聲振疲勞和抗機械疲勞性好，以及絕熱隔聲性能優越等特點， 所以在飛機上獲得廣泛應用。 對于結構高度大的翼面結構，蒙皮壁板（尤其是上翼面壁板）采用蜂窩夾層結構取代加筋板能明顯減輕結構重量，對于結構高度小的翼面結構（尤其是操縱面），采用全高度夾層結構代替梁肋式結構能帶來明顯的減重效果。

1 復合材料夾層結構概述

復合材料夾層結構由上、下一對復合材料面板、夾芯與膠粘劑組成（如圖1）。 這五個要素組成了一個整體的夾層結構。 膠粘劑將面板和夾芯膠接成整體，并傳遞面板和芯子之間的載荷， 面板主要承受面內拉伸、壓縮和面內剪切載荷，芯子支承面板承受垂直于面板的壓縮應力，并能防止面板發生軸壓引起的屈曲。 夾層結構傳遞載荷的方式類似于工字梁，上下面板主要承受由彎矩引起的面內拉壓應力和面內剪應力，而芯材（腹板）主要承受由橫向力產生的剪應力。

圖1 復合材料夾層結構

復合材料夾層結構具有如下特點： 具有大的彎曲剛度/重量比及彎曲強度/重量比； 具有良好的吸聲，隔聲和隔熱性能；具有大的臨界曲屈載荷；對濕熱環境敏感，設計時要防潮密封；面板薄時對低能沖擊敏感；結構破損后修補較困難。

復合材料夾層結構分為夾層板結構和全高度夾層結構（如圖2）。

圖2 夾層結構形式

夾層板結構的芯材有一定高度， 形成了可承受結構雙向彎矩的整體梁，以承受剪力和彎矩。 主要用于壁板蒙皮等結構。

全高度夾層結構由蒙皮及梁的上、 下緣條傳遞彎矩， 芯材傳遞剪力， 蒙皮及梁組成的閉室傳遞扭矩。 這種受力形式下，全高度夾層結構主要用于翼型高度不高且受載均勻無集中力的結構。 如剛度要求高的飛行器的全高度舵面， 采用全高度夾層結構提高了舵面的彎曲剛度和扭轉剛度。

由于層合板的層數減少， 降低了鋪層制作成型的工作量，同時因為夾層結構的剛度較高，減少了加筋的數量，這有利于沖擊荷載的擴散。 作為孔隙材料芯材可以起到減輕結構的重量，增加結構的剛度，提高結構的強度等作用。

復合材料夾層結構具有高的抗彎剛度和最小的結構重量， 因此被廣泛用于剛度要求高的飛行器的全高度舵面、機身、機翼、尾翼壁板等部件。

2 常用芯材及其特性

復合材料夾層結構選用芯材不僅要有足夠的強度和剛度，較低的價格和較好的工藝性，還要考慮芯材與復合材料面板間的相互匹配， 包括與面板間的膠接性、電腐蝕性和熱應力等。

復合材料夾層結構中的芯材主要有蜂窩和泡沫。 蜂窩主要有芳綸紙紙蜂窩、 玻璃布蜂窩和鋁蜂窩。 泡沫主要有硬質聚氨脂泡沫和ROHACELL泡沫。

2.1 蜂窩芯材

蜂窩材料具有各向異性的特點， 蜂窩因為存在開孔結構，不適用一些濕法工藝或樹脂注射工藝（如RTM樹脂傳遞模塑）。

鋁蜂窩或芳綸紙蜂窩具有壓縮模量高和重量輕的優點，它們是飛機結構上廣泛使用的夾芯材料。 但在某些情況下如果面板出現裂紋和孔隙時， 水和水汽就很容易進入蜂窩，溫度下降后，進入蜂窩孔中的水被冰凍以后會發生膨脹， 將破壞鄰近的蜂窩孔格的粘接，降低了夾層結構的性能，這時必須對蜂窩材料進行維修。

鋁蜂窩是一種比強度、比剛度較高的結構材料，同時價格也比較便宜。 鋁蜂窩夾芯材料在一定的重量條件下，可以做得很薄。 然而，這種壁厚太薄可能會導致蜂窩表面（尤其是蜂窩孔隙較大的位置）發生局部失穩。 鋁蜂窩夾層結構一般應用在剪切載荷較大的部位，其面板通常采用金屬板材。 因為鋁蜂窩和碳纖維面板一同使用時， 剛性的鋁蜂窩與剛性的復合材料面板膠接時難以配合， 且兩種材料的熱膨脹系數差別較大，導致的固化變形也較為明顯，而且如果兩種材料之間的電絕緣處理不當就容易發生電化腐蝕。

鋁蜂窩芯材分為三類，Ⅰ類：由LF21或LF2鋁箔制成，在-55℃～80℃長期使用；Ⅱ類：由LF2鋁箔制成，在-55℃～175℃長期使用； Ⅲ類： 由LY12鋁箔制成，在-55℃～220℃長期使用。

玻璃布蜂窩是用玻璃布制成蜂窩浸漬膠液固化而成的。 玻璃布蜂窩夾層結構具有重量輕、強度高、剛性大、電性能優良、隔聲隔熱、工藝簡單、能成形較復雜的零件等優點，目前應用較為成熟。 由于有優良的絕緣性和透電磁波性能， 其在微波通信中也獲得廣泛應用，而價格與芳綸蜂窩相比要便宜。 該種材料在某型號教練機背鰭上有應用。

芳綸紙蜂窩又稱NOMEX蜂窩， 采用芳綸紙浸潤酚醛樹脂制成。 芳綸紙蜂窩和鋁蜂窩相比，抗局部失穩的能力強得多， 因為芳綸紙蜂窩的蜂窩壁可以做得相對厚一些。 另外，因為芳綸紙材料不導電，不存在接觸電化腐蝕的問題。 芳綸紙蜂窩還能夠滿足FST（煙霧毒性）要求。

芳綸紙蜂窩夾芯在業內應用廣泛， 通常與碳/玻璃纖維預浸料一起使用，應用經驗豐富，成本適中，芳綸紙蜂窩強度比鋁蜂窩略低， 但它有良好的韌性和抗損傷能力，重量較輕，有足夠高的壓縮強度、剪切強度和良好的疲勞強度，有各向異性的特點；有大的彎曲剛度/重量比及彎曲強度/重量比；有良好的吸聲、隔聲和隔熱性能；與復合材料粘接和組裝時容易協調，并且沒有腐蝕問題。 常用于舵面等翼型比較薄的地方，采用全高度蜂窩結構將使得舵面剛度好、重量輕， 而且全高度蜂窩結構具有耐沖擊性能好的特點，彌補了復合材料抗沖擊性能差的缺點。

芳綸紙蜂窩芯材的缺點是制造曲板較困難，蜂窩與型面貼合較難，需銑切加工，但蜂窩較軟，不易裝夾，加工困難；蜂窩為開孔結構，蜂窩內易囤積水等液體，蜂窩與內、外玻璃鋼面板膠接成形后，不易排除，在高空低溫環境下結冰，易漲破面板，造成面板脫膠，從而破壞壁板蒙皮結構；另外，蜂窩結構在使用過程中，會因為面板破壞，發生滲水問題。 蜂窩與壁板膠接面較小， 蜂窩內需預浸一定厚度的膠粘劑，才能保證膠接強度，蜂窩內預浸的膠粘劑的厚度不容易控制，因此，膠接件重量難以精確控制，這是芳綸紙蜂窩夾芯結構超重的主要因素之一。

2.2 泡沫芯材

硬質聚氨酯泡沫與其他泡沫相比， 有較好地隔熱及隔音的能力，且成形工藝簡單，價格便宜，但其力學性能并不突出，且機械加工過程中易碎或掉渣。硬質聚氨脂泡沫注射填充在已成型的復合材料層壓板蒙皮腔體內，不用加工芯材外形，結構形式、工藝方法簡單，與多種材料粘接性好，能夠在現場發泡制造，便于填充復雜形狀構件的內腔；但發泡性能不穩定，注射填充時泡沫芯材密度不易控制，結構容易超重，影響結構的重心分布和結構剛度，其密度范圍為80 Kg/m3-100Kg/m3。

在相同密度下，ROHACELL泡沫是強度和剛度最高的泡沫材料。 ROHACELL泡沫板為各向同性材料，橫向、縱向和法向都有較高的剪切模量，橫向、法向變形小；其閉孔結構具有良好的抗吸濕性，不易受潮和進水，減少了在使用過程中的維修費用；其樹脂吸收率低， 一定程度上減少了面板和芯材之間的樹脂量，有利于控制夾層結構重量；ROHACELL泡沫板固化時， 該中泡沫與壁板膠接面大， 膠粘劑厚度均勻，可提高膠接強度。

除了良好的力學性能外，ROHACELL泡沫優點還有：密度較小，良好的隔熱和隔音性能，良好的抗沖擊損傷性能及施工簡便性， 具有良好的熱穩定性，耐化學性能，尤其低溫情況下還具有很低的導熱系數。

ROHACELL泡沫在進行適當的高溫處理后，也能承受高溫的復合材料固化工藝要求，這樣使得ROHACELL泡沫在航空領域得到了廣泛的應用。 此外，該種泡沫材料還能滿足通常的預浸料固化工藝的蠕變性能要求以及FST（煙霧毒性）要求。 ROHACELL泡沫可以通過熱成形或者數控加工得到復雜的3D泡沫芯材，得到的ROHACELL泡沫芯材適合于各種復合材料成型工藝，例如模壓成型、熱壓罐和液體成型技術等。

ROHACELL泡沫高溫下耐蠕變性能使得該泡沫能夠適用高溫固化的樹脂和預浸料， 可以與環氧樹脂或BMI樹脂實現共固化工藝， 制造夾層結構構件。ROHACELL泡沫和芳綸紙蜂窩夾層結構均能實現共固化， 但是芳綸紙蜂窩夾層結構會降低復合材料面板的強度， 為了避免在共固化過程中蜂窩發生芯材壓潰或側移， 通常采用的固化壓力為0.28MPa-0.35MPa，而不是層壓板通常采用的0.69MPa，這樣會導致復合材料面板的孔隙率偏高。 另外，因為蜂窩結構的孔隙直徑較大， 只在蜂窩壁位置才對蒙皮有支撐，這樣會導致蒙皮纖維產生彎曲，導致復合材料蒙皮層合板的強度降低。ROHACELL泡沫在夾層結構的共固化工藝過程中作為芯模，借助于良好的耐壓縮蠕變性能，可顯著提高復合材料蒙皮層合板的強度。

除了用于常見的全高度夾層結構、 夾層結構蒙皮以外， 還可以使用ROHACELL泡沫材料作為筋條結構的填充芯材。

為更直觀地對比各種芯材的力學性能， 現選取幾種常用的芯材對其性能數據進行對比，如表1。

表1 常用芯材性能數據對比

3 夾層結構的應用及其成型工藝

目前， 復合材料夾層結構在航空領域中應用日益廣泛。 其中典型的夾層結構有機翼前緣、方向舵、起落架艙門、翼身和翼尖整流罩等。

3.1 蜂窩結構

在航空領域， 芳綸紙蜂窩的結構常用于機翼前緣、尾翼、起落架艙門和其它各種艙門和整流罩。 某型教練機全動平尾采用了單臂梁全高度雙曲面芳綸紙蜂窩復合材料夾層結構（如圖3）。

圖3 全高度蜂窩夾層結構全動平尾

該平尾采用二次膠接成型工藝：上、下蒙皮等各零件單獨固化；金屬轉軸與復合材料梁共固化成型；然后采用二次膠接技術將轉軸梁、蜂窩、根肋、端肋、前緣條、后緣條等結構進行發泡預膠接，再將上、下蒙皮與其進行二次膠接成型。

全高度雙曲面芳綸紙蜂窩，型面復雜，下陷多，膠接面積大， 而膠接面之間的貼合度影響到膠接質量。 因此蜂窩加工質量直接影響到平尾的氣動外形的好壞。 采用普通的方法進行加工無法滿足要求，故需要精確的蜂窩加工技術，需要在更精確的5坐標數控銑床上進行數控加工。

為協調檢查各組件間的配合情況， 讓壁板與蜂窩貼合的很好， 工藝上采用校驗膜進行模擬膠接狀態的協調檢查。 在膠接前采取校驗膜，根據校驗膜上的蜂窩印痕找到不貼合的區域， 在不貼合的區域增加膠膜或局部修銼蜂窩來解決不貼合問題， 力求膠接面的配合滿足膠接工藝要求。

施加外壓有利于翼盒產品的膠接質量， 但蜂窩承壓能力有限， 長時間的抽真空， 蜂格內的空氣抽盡，蜂格易變形，過大的壓力會將蜂窩壓塌。 考慮到蜂窩承受不了大的壓力，將其周邊限位，使蜂窩在抽真空負壓情況下不會壓塌； 蜂窩銑切公差完全取正差（0mm～+0.3mm），彌補蜂窩加溫產生的收縮；采取在真空檢查合格后， 在升溫到膠膜軟化的一個溫度點，抽真空排除氣泡后，停抽真空，加外壓0.2MPa～0.3MPa膠接。

3.2 泡沫芯材

某飛機上蒙皮整體壁板采用泡沫夾層結構，夾層結構蒙皮由上下兩塊整體碳纖維蒙皮和中間12塊不同規格大小泡沫夾芯組成， 零件外形呈雙曲面結構， 上 下 蒙 皮 厚2mm， 中 間 用8mm 厚 的ROHACELL71XT泡沫板加SY-14A組合膠接而成。

碳纖維蒙皮采用T700SC/NY9200GB碳纖維單向預浸料和EW100A/NY9200GB玻璃布預浸料；泡沫芯為8mm厚ROHACELL71XT泡沫板；膠粘劑為SY-14A膠膜。

按照泡沫板數模的幾何尺寸對不同規格尺寸的泡沫板進行下料，周邊放余量，將下好料的泡沫板按照圖樣尺寸位置在成型模上進行熱加溫校形， 成型完成后在泡沫板的周邊參照數模尺寸進行加工。

在壁板的成型模凹模上按照圖樣要求鋪貼外蒙皮， 每一層單向預浸料鋪層角度方向偏差需要控制在一定范圍內， 鋪貼完后在模具上組裝氣密進熱壓罐加溫固化成型。

對外蒙皮表面用丙酮清理3-4遍；在蒙皮粘接泡沫板的位置鋪貼一層SY-14A膠膜并進烘箱加溫，排除膠膜在加溫過程中產生的氣泡。

將成形好的泡沫板按照圖樣要求在外蒙皮上進行粘接， 在泡沫板上表面鋪貼SY-14A膠膜并進烘箱加溫，同樣排除膠膜在加溫過程中產生的氣泡。

按照圖樣要求鋪貼內蒙皮， 組裝氣密時將Airpad橡膠軟模蓋上整體壁板進熱壓罐進行加溫固化成型。

某無人機機身壁板采用常溫復合材料ROHACELL泡沫夾層結構（如圖4）。 內外面板為常溫玻璃鋼， 泡沫夾芯為ROHACELL 閉孔泡沫。 將ROHACELL泡沫加溫成形，加溫前先烘干，由加溫箱取出的泡沫板放在模具上成形。

在陰模上按照圖樣鋪層方向鋪貼外蒙皮， 將加溫并修配好的泡沫板按照圖樣在外蒙皮上進行粘接，繼續在泡沫板上鋪貼內蒙皮，采用抽真空固化，真空度不低于-0.092MPa，零件含膠量控制在40%－45%。

圖4 Rohacell泡沫夾層結構壁板

某無人機舵面是聚氨酯泡沫填充結構（如圖5），面板為EW100A/J-4，固化后單層厚度0.15mm。 蒙皮和端肋膠接形成內腔之后， 灌注聚氨酯泡沫塑料。要求聚氨酯泡沫密度控制在8kKg/m3-100kg/m3， 充滿內腔， 與蒙皮牢固結合， 發泡后蒙皮外形需符合設計要求。

圖5 全高度泡沫夾層結構舵面

聚氨酯泡沫允許采用厚的ROHACELL 31A泡沫板機械加工成型面，加工后在泡沫型面上鋪疊蒙皮。為保證蒙皮外形符合氣動要求，應使表面光滑，可在外表面用工藝蒙皮或其他方法來保證型面， 后抽真空固化成形。

4 結語

夾層結構的設計應能防止復合材料夾層結構典型破壞模式的發生， 然后再根據設計條件和受載情況合理選擇面板、芯子和膠粘劑，以滿足設計載荷作用下的強度、剛度要求。 在高載荷指數情況下常采用全高度夾層結構， 在低載荷指數情況下常采用夾層板結構。

[1]（美）牛春勻.實用飛機復合結構設計與制造[M].程小全，張紀奎譯.北京：航空工業出版社，2010.

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