飛機用復合材料的設(shè)計和維修展望

王振林，楊 勇，謝寄清*，郭垠昊

(1.哈爾濱飛機工業(yè)集團有限責任公司，哈爾濱 150066；2.湖南兆恒材料科技有限公司，長沙 410000)

0 前言

玻璃纖維是20世紀40年代開始生產(chǎn)，二戰(zhàn)后與聚酯和環(huán)氧樹脂結(jié)合使用為航空航天復合材料產(chǎn)業(yè)奠定了基礎(chǔ)。20世紀60年代出現(xiàn)的新型高性能纖維，如硼(1966年)、碳(1968年)、芳酰胺纖維(1972年)和高性能聚乙烯(1987年)，加速了先進復合材料在航天航空領(lǐng)域的應用趨勢。大型商用和軍用飛機其復合材料的使用比例約占到結(jié)構(gòu)質(zhì)量的35 %～50 %，而旋翼機和公務(wù)機則高達60 %～80 %。

起初，復合材料應用于現(xiàn)代飛機的如整流罩等次結(jié)構(gòu)件。目前復合材料也應用于主結(jié)構(gòu)件，在某些情況下，甚至應用于整個機翼和機身。第一架波音707有約2 %的結(jié)構(gòu)為復合材料，而今天的波音767則有約35 %的結(jié)構(gòu)為復合材料。Beech Starship是第一個認證的全復合材料結(jié)構(gòu)通航飛機，貝爾 - 波音的V-22傾轉(zhuǎn)旋翼飛機是同類飛機中第一種全復合材料結(jié)構(gòu)。

設(shè)計師希望能夠設(shè)計并制造出對稱的層壓板，固化前后不發(fā)生變形并滿足使用階段的載荷和環(huán)境要求。通常，我們在層壓板所有結(jié)構(gòu)分析完成以后，再去考慮很多節(jié)點設(shè)計，但是有些細節(jié)最好能提前考慮。

本文在整理了國內(nèi)外的部分維修問題以后，總結(jié)出一些設(shè)計經(jīng)驗希望對國內(nèi)復合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計有所幫助。

1 考慮沖擊載荷下蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計

在保證減重的前提下，復合材料部件使用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)(圖1)需要考慮以下幾個因素：

對于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板，在蒙皮質(zhì)量和芯材質(zhì)量相同的時候，結(jié)構(gòu)具有最好的彎曲性能。如果需要進一步提高局部的壓縮性能(如地板)，最好是增加蜂窩芯材的密度而不是蒙皮的厚度[1]。

圖1 蜂窩結(jié)構(gòu)Fig.1 Honeycomb sandwich structure

為了在質(zhì)量增加最小的前提下，提高抗沖擊性能，增加芯材的密度比增加同樣質(zhì)量的上下面板帶來的效果更加顯著。這也適用于更大的沖擊性能和各種型號的蜂窩板。目前設(shè)計的蜂窩結(jié)構(gòu)有一個常見的問題，就是沖擊損傷，它不能承受車輛或者其他一些重物的沖擊，例如可能會有來自跑道的石塊或者其他不可避免的來源。在設(shè)計中，需要考慮，例如維修過程中需要考慮到墜落物的沖擊損傷，同時維修過程中要提供并使用合適的墊子。在機場轉(zhuǎn)場過程中，可能的車輛撞擊可以通過員工培訓以及相關(guān)規(guī)定來解決。蜂窩板的損傷有一個優(yōu)點：蒙皮的貫穿、可視并很容易修復。但實心層板的沖擊損傷并不總是可視的，因此需要仔細檢查一定程度的目視勉強可見沖擊損傷(BVID)，另外，設(shè)計也需要允許一定程度看不見的損傷。

芳酰胺紙蜂窩和金屬蜂窩比，破壞前會有更大的變形。但是，如果沖擊特別嚴重，會發(fā)生斷裂。如果壓力加載在破壞區(qū)域，會發(fā)出類似餅干壓碎的聲音，芯材完全破壞。鋁合金蜂窩在沖擊載荷作用下，發(fā)生屈曲，并保持約1/2的壓縮強度。因此，對于直接承載貨物的貨艙地板，和只承受人行載荷的飛機地板相比，最好采用鋁合金蒙皮加上鋁合金蜂窩。金屬蒙皮可以更好地承受來自金屬部件的摩擦而且金屬蜂窩在沖擊載荷作用下性能更佳。

復合材料蒙皮芳酰胺紙蜂窩板比較容易維修，表面經(jīng)過適當?shù)那鍧嵑透稍锖?，稍許打磨，表面就可以準備好。對于地板，在相同夾層結(jié)構(gòu)板材中切割出一塊取代損傷區(qū)域，蜂窩接頭部位灌膠，然后用玻璃纖維織物疊層連接蒙皮。在維修過程中，推薦采用高性能的室溫固化樹脂。

使用沒有經(jīng)過良好表面處理的鋁合金蜂窩，如防腐處理、樹脂浸漬處理及陽極化處理，會加劇蜂窩的脫膠。建議使用一層膠膜而不是完全依賴于預浸料蒙皮膠接在蜂窩上時預浸料中多余的樹脂。這種膠膜應該有最低的吸水率，通常比預浸料中的樹脂基體韌性更強，因此有更好的抗沖擊性能。

2 空調(diào)管卡和蜂窩接觸面位置的設(shè)計

如圖2所示是一個空調(diào)艙門，在這里空調(diào)管道上的卡扣螺絲造成結(jié)構(gòu)破壞，因為破壞看不見，不會被發(fā)現(xiàn)并及時得到密封或者修理，導致問題變大，增加了維修難度和時間。當面層刺穿以后，碳纖維/芳酰胺纖維蒙皮中的芳酰胺纖維層類似燈芯將水導入到芯材中，此時需要挖出很大面積的蜂窩，清除里面的雜質(zhì)。內(nèi)側(cè)蒙皮上的鋁電磁屏蔽層需要熱黏接。0.05 mm的鋁箔，施工和修理起來都非常困難。

(a)管卡的接觸面問題 (b)接觸面的解決方案圖2 空調(diào)管和夾層結(jié)構(gòu)板的節(jié)點處理Fig.2 Air duct and sandwich panel interference design

3 板前緣的節(jié)點設(shè)計

板的前緣破壞是板材另一種常遇到的問題，例如檢修門、發(fā)動機短艙、前起落架艙門和有氣流經(jīng)過的具有前緣的板。閉合機構(gòu)要設(shè)計正確，避免關(guān)閉以后，板材因為氣動載荷，部分被拉進氣流中。板材邊緣任何在氣流中的凸起都會導致結(jié)構(gòu)的快速破壞。

對于通過閂鎖閉合的發(fā)動機短艙和其他任何板材，而非前緣布滿螺絲的方式，更容易出現(xiàn)問題。破壞從磨損逐步開始，如果在這個階段不修理，很快會發(fā)生分層和脫落。這時，需要花費大量的時間來進行維修。有的因為提供的新的板材尺寸過大需要裁切才能安裝上，這也會讓問題更加嚴重。如果這一階段做的不好，操作過程中也會產(chǎn)生一些分層，很快擴展并分層。建議采用圖3的構(gòu)造，對前緣進行保護。除前緣以外，其他的邊緣也可能需要保護，也可以使用金屬邊緣[2]。

(a)前緣玻璃纖維包覆 (b)金屬或塑料邊緣圖3 復合材料層板的前緣處理Fig.3 Leading edge design of composite laminate

發(fā)動機短艙常常有幾層織物一直鋪到邊緣，沒有采用包邊鋪層防止開裂，如果邊緣碰到地面，會產(chǎn)生大的開裂和分層。對此，我們可以在設(shè)計中加上塑料塊或者輪子，讓邊緣抬離地面。大型或者重型部件需要設(shè)計把手，在合適的位置設(shè)置安裝握點以及起重機的起吊點。

4 緊固件孔的設(shè)計

一般而言，具有明確載荷傳遞路徑的薄結(jié)構(gòu)是膠接的良好對象，而載荷傳遞路徑復雜的厚結(jié)構(gòu)則更適合于緊固件連接。膠黏劑應承受剪切載荷，應避免拉伸、劈裂和剝離載荷，以防止過早破壞。接頭設(shè)計應總是使破壞發(fā)生在接頭之外，即接頭的強度大于被膠接件。膠接結(jié)構(gòu)有可能減少最終部件的零件和緊固件數(shù)量，并因此降低復合材料結(jié)構(gòu)的成本。膠接中最為關(guān)鍵的工藝問題是表面處理。表面處理不當，接頭的耐久性就無法實現(xiàn)。復合材料的表面處理相比于鋁或鈦簡單許多。使用膠黏劑對復合材料零件進行膠接時，所有已固化的零件在膠接前需徹底烘干?？梢酝ㄟ^預裝配，確保被膠接零件配合到位而不會形成凸出或低陷區(qū)，避免產(chǎn)生膠層過厚或脫粘的問題。

復合材料部件，采用埋頭緊固件緊固時，必須更加注意正確的標準扭矩值和操作過程中的控制，它比金屬所使用的扭矩負載值要低。避免過緊，造成孔磨損和邊緣開裂。為了檢查或維護，需要定期拆卸的面板，可能需要安裝金屬邊緣帶或使用某些快速釋放緊固件。如果是大型面板，設(shè)計時，需要切成小段，以確保只有少量的緊固件需要經(jīng)常被拆卸。頻繁拆卸的面板，可以使用金屬嵌入件和/或快速釋放緊固件安裝。應在鉚釘、特殊緊固件或螺栓的背面使用大型墊圈。復合材料不能采用沖擊鉚，因為它會導致分層。如果嵌入件尚未安裝，埋頭螺栓頭位置建議使用彈性墊圈，避免螺栓旋轉(zhuǎn)時發(fā)生磨損。復合材料(特別是碳復合材料)的緊固件應由耐腐蝕鋼或鈦制成。圖4(a)列出了典型的緊固件孔損壞?？赡艿慕鉀Q方案：在所有螺栓位置加入嵌入件，如圖4(b)所示，最好是選擇彈性墊圈，如圖4(c) 所示。圖4(d)顯示了2種類型的金屬邊緣，以適應埋頭孔。

(a)常見緊固件孔的破壞 (b)在全部螺栓位置填充 (c)彈性墊圈 (d)2種類型的金屬邊緣圖4 緊固件孔的破壞和設(shè)計改進Fig.4 Failure of fastener hole and solution

5 單面緊固件的應用

所有的飛行控制面和發(fā)動機整流罩結(jié)構(gòu)，我們常常采用單面緊固件將面板連接到結(jié)構(gòu)上。維修過程中如果必須拆除面板，耗費大量的人力和停機時間，造成成本的增加。從相對軟的碳纖維板上取出鈦緊固件需要非常小心，常常會造成額外的損壞和修理。因此，建議任何需要拆卸維修的結(jié)構(gòu)都應避免使用單面緊固件。

一些飛機的舵面，除了在肋和長桁位置，復合材料面板使用單面鉚釘以外，在后緣交接位置，也采用膠接加鉚接的形式。這種設(shè)計通常會在拆卸過程中造成二次損壞，導致更多的修復工作[圖5(a)]。建議結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候，采用可拆卸螺母和螺栓。如果一側(cè)不好操作，建議采用自鎖螺母[圖5(b)]。如圖5(c)和5(d)所示為襟翼結(jié)構(gòu)中使用單面緊固件的案例。圖5(c)是現(xiàn)有的襟翼結(jié)構(gòu)設(shè)計，修復需要斷開黏結(jié)和/或鉆出緊固件, 以允許拆卸零件進行維修。圖5(d)建議的解決辦法是使用螺栓和自鎖螺母。在這種情況下, 對可能需要拆卸的襟翼結(jié)構(gòu)的所有部分都附有螺栓和自鎖螺母, 以簡化拆卸修復。

(a)需要避免的后緣結(jié)構(gòu) (b)改進的后緣 (c)現(xiàn)有的襟翼結(jié)構(gòu) (d)改進的襟翼結(jié)構(gòu)圖5 后緣和襟翼結(jié)構(gòu)Fig.5 Trailing edge design and flap structure

6 芳酰胺纖維的應用

芳酰胺纖維具有“毛細作用”，為了避免芳酰胺纖維將水導入部件，任何使用芳酰胺纖維材料制作的部件都必須密封好。在每個螺栓位置，用膠粘嵌入件，對密封纖維束的末端進行密封,如圖6, 封邊并且膠接兩部分組合嵌入件以最小化吸水問題。建議用粘接膠和密封膠粘接金屬或塑料鑲邊條，尤其對這些部件作現(xiàn)場尺寸裁切的時候。

圖6 封邊并且膠接兩部分組合嵌入件Fig.6 Edge sealing and two-part inserts bonding

而這并不僅限于芳酰胺纖維，盡管芳酰胺纖維的問題更加嚴重一點。復合材料的任何切緣都會受到纖維方向?qū)駟栴}的影響。各種纖維復合材料的設(shè)計都應該考慮這一點。為了避免產(chǎn)生纖維束的末端，可以在干法預浸料鋪層過程中通過將纖維纏繞在孔塞周圍，避免將來鉆孔加工。這樣能減少因鉆孔而切斷纖維帶來的纖維束導濕量，避免因為切斷纖維而帶來的面板強度的損失，降低邊緣分層的可能性。也建議使用玻璃纖維代替芳酰胺纖維，當然，這會增加質(zhì)量。或者采用包邊或者封邊。芳酰胺纖維復合材料的樹脂基體建議采用低黏度樹脂，這樣可以更有效地包封芳酰胺纖維。鉚接和螺栓孔處的金屬或者纖維增強塑料嵌入件應該膠接到位，密封鉚接及螺栓孔的邊緣，從而減少這些位置的損傷。這對芳酰胺纖維部件而言是必不可少的，對所有纖維復合材料而言也非常必要。嵌入件應該與復合材料部件有盡可能相近的熱膨脹系數(shù)并且使用韌性好的樹脂來進行膠接，從而避免因溫度應力而導致的脫膠。

復合材料在維修過程中，問題主要發(fā)生在部件上不可見的區(qū)域，或者就是一開始的損傷太小而沒有得到及時的注意。磨損或損傷處會發(fā)生進水，如果修理必須延遲的話，最好的解決方法就是盡快密封還處于允許范圍內(nèi)的損傷。

7 復合材料部件的進水問題

蜂窩組件的制造較困難，同時在使用過程中會經(jīng)常地遭遇與耐久性相關(guān)的問題。鋁制蜂窩易發(fā)生嚴重的腐蝕。而當內(nèi)部含有水分時，所有的蜂窩均可因反復經(jīng)歷結(jié)冰——解凍循環(huán)而損壞。此外，有液體水存在且組件被加熱至100 ℃以上時，會出現(xiàn)蒸氣壓引起的分層危險。結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候要考慮蒙皮以及端頭的防水。泡沫塑料芯材夾層結(jié)構(gòu)的制造較蜂窩結(jié)構(gòu)相對容易，但目前泡沫塑料的力學性能不如蜂窩，而且存在力學性能離散性大的問題。另一方面，泡沫塑料芯材的飽和吸水量相當高。2種類型的芯材均可采用下述方法之一來制成復合材料結(jié)構(gòu)：或預先固化復合材料零件然后將其與芯材膠接，或?qū)⒔M件與預浸料鋪層同時共固化。

雷達天線罩：考慮到對雷達傳輸性能的影響，避雷帶很少布置在雷達罩的前端。而前端很容易發(fā)生小的雷擊，產(chǎn)生雷擊孔，而且受到雨水的沖擊也很大。通常采用聚氨酯護套及涂層保護方案幫助抵抗雨水的沖擊。但是出現(xiàn)了一些小孔后，雨水就能滲入。設(shè)計的過程中，確保雷達天線罩有足夠的樹脂含量以及至少3層的蒙皮，這樣蒙皮就不具備滲透性。同時，使用高密度蜂窩來提高雷達罩對冰雹和雨的抗沖擊性能。然而，為了提供給飛行員清晰的圖像，雷達天線罩必須降低雷達信號的傳輸損耗。因此，需要優(yōu)化設(shè)計兼具較長的使用壽命且性能良好的雷達圖像的雷達罩。定期檢查和盡快修復損傷才是保證使用壽命和圖像品質(zhì)的最好方法。

為了防止水或者其他液體通過纖維織物復合材料蒙皮浸入蜂窩，經(jīng)驗表明至少使用3層樹脂含量達50 %的蒙皮。如果只有一層蒙皮以及樹脂含量太低會導致大量進水及部件增重，這就違背了使用復合材料減重的初衷。為了達到無顯著增重的密封效果，可以使用3層薄織物來取代1層厚的織物。這一原則適用于所有的纖維及編織織物。雖然這可能會增加成本，但防水是首要的。類似的問題也發(fā)生在交叉鋪層的單向蒙皮上，如果該蒙皮每個方向只有1層的話。在這些案例中，中等倍數(shù)的放大鏡已經(jīng)足以顯示纖維之間的小孔，而拿掉蒙皮的話可以看到蜂窩中有大量的機油。

對于夾層結(jié)構(gòu)，內(nèi)蒙皮密封的比較便宜的可能替代方案是： 在表面加一層聚氟乙烯膜；在表面涂一層聚硫橡膠或者聚硫代醚密封劑；在表面使用鋁箔涂層。

對于外層蒙皮，應該使用好的底層涂料和罩面涂料。而對于雷達天線罩及機翼前緣，使用防腐蝕涂料或薄的聚氨酯橡膠防腐涂層。這些部件都必須應對雨水和冰雹的沖擊，通常都會由3層相對較厚的織物構(gòu)成的外部蒙皮。當蒙皮較薄時，在涂層之前確認蒙皮有較高的樹脂含量并且在蒙皮表面最好有一層樹脂覆膜。如果使用表面填料，它應該具有良好的斷裂伸長率。此外，填料的熱膨脹和濕膨脹系數(shù)應該和蒙皮相近。脆性材料會很快開裂并破壞罩面涂層。

雷達罩結(jié)構(gòu)中，也可以使用PMI泡沫作為芯材，取代蜂窩材料。

蜂窩部件封邊不良導致的進水：圖7設(shè)計了Nomex蜂窩芯材垂直端頭，芯材后退約3 mm并用灌封料填充。然后使用了2層玻璃纖維以封住邊緣。這2層是有滲透性的，并不足以隔絕水分，而且灌封料容易變脆并產(chǎn)生裂紋。透過玻璃纖維以及灌封料的裂紋的液體及水分的浸入十分嚴重。水分和液壓油會導致部件失效。通常前緣比后緣的情況更嚴重。前緣的灌封是非常困難的。如果在端部的膠接處密封不充分，水分將會到達芯材一側(cè)。灌封的目的是為了防止水分的進一步浸入，但是水分會通過端蓋內(nèi)側(cè)流入那些沒有完全灌封的孔隙。而且灌封料在一段時間后會裂開，芯材的膠膜將會提供另一條水分浸入的路徑[3]。

圖7 蜂窩板封邊問題示意圖Fig.7 Diagram of honeycomb panels edge sealing

針對上述問題，設(shè)計過程中建議使用端封的成型件(型材)，至少有3層織物，并有較高的樹脂含量?；蛘呤褂酶鄬颖〉牟ＡЮw維織物(至少3層)，采用韌性較好且提高樹脂含量。同時使用可以承受一些彎曲應力的強度更高的灌封料，并使得蜂窩可以放置在更深的位置。要求灌封料在固化階段可以承受一些位移，它還可能需要匹配蒙皮的熱膨脹和濕膨脹系數(shù)，例如12.5 mm。建議在玻璃纖維層或者端封型材外面涂上多硫化物或者其他密封劑。

蜂窩進水：蜂窩芯材進水的原因被認為是蜂窩孔起到了一個單向泵的作用。如果有小的流動通道，飛機爬升時，外部壓力減小，蜂窩內(nèi)的氣體向外滲出。而飛機下降時空氣又會滲入。在下一個爬升過程中，溫度下降，大部分的水汽會凝結(jié)成液體，而只有相對干燥的空氣會再次滲出。多次重復這個循環(huán)后，蜂窩內(nèi)的水量就相當可觀了。如果是鋁蜂窩結(jié)構(gòu)，那么腐蝕，脫膠以及失效就會是最后的結(jié)果。在復合材料蒙皮的芳酰胺紙蜂窩結(jié)構(gòu)中，除了邊緣以及嵌入件的滲入途徑，如果水能夠通過蒙皮滲入，那么水就能更多地浸入。蜂窩孔之間也不是完全封閉的，水可以從一個孔緩慢遷移到另一個孔。這降低了蒙皮與蜂窩之間的膠接強度并大大增加了部件的質(zhì)量。在飛機各翼的雷達天線罩和復合材料部件中(如機翼、水平尾翼、方向舵)，蒙皮上的小孔可能是由小的雷擊造成的而非任何設(shè)計上的缺陷。這些必須通過檢查發(fā)現(xiàn)并且及時修理。減少飛機翼段的尺寸。

8 結(jié)論

(1)當厚度較薄的復合材料零件需要相互連接時，考慮到螺栓連接導致的高擠壓應力或機械緊固件帶來的增重，可以選擇膠結(jié)；

(2)夾層結(jié)構(gòu)具有良好的結(jié)構(gòu)效率，對于視剛度為關(guān)鍵設(shè)計要求的復合材料部件尤其如此；共固化整體結(jié)構(gòu)是降低部件成本的另一選擇途徑，但是需要注意維修帶來的問題。

參考文獻：

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[2] 坎貝爾F C.先進復合材料的制造工藝[M].戴 棣，朱月琴，譯.上海：上海交通大學出版社，2016:184,204,210-211,331-332,341-345.

[3] ZENKERT D.The Handbook of Sandwich Construction[M].United Kingdom:Engineering Materials Advisory Services Ltd,1997:27,134, 211-216.