復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)在航空領(lǐng)域的運(yùn)用

◎?qū)O銳

在結(jié)合實(shí)際應(yīng)用案例的基礎(chǔ)上，可明確復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)以及常用芯材的一系列特點(diǎn)與性能。在分析夾層結(jié)構(gòu)芯材成型時可詳細(xì)了解到其中存在的重點(diǎn)與難點(diǎn)問題，通過確定復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)性能概況的方式科學(xué)改善復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中存在的不足，也可將最為科學(xué)的依據(jù)提供給復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，促使其在航空領(lǐng)域中充分發(fā)揮自身的價(jià)值與作用，推動航空航天事業(yè)進(jìn)一步發(fā)展，這也是提升我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平以及制造水平的必要條件。

設(shè)計(jì)人員在實(shí)際開展飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時，始終面對強(qiáng)結(jié)構(gòu)以及高效率這一要求。各類結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過程中都需要滿足不失穩(wěn)這一需求，尤其是在受到拉力、壓力以及剪切荷載作用力的情況下結(jié)構(gòu)不會發(fā)生改變。在航空領(lǐng)域當(dāng)中應(yīng)用復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)是其發(fā)展的主要趨勢與方向，也是在社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展過程中提出的客觀要求。現(xiàn)階段夾層結(jié)構(gòu)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用的范圍不斷拓寬，這充分說明復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)在航空領(lǐng)域起到的作用與價(jià)值。

一、常用芯材的客觀分析

1.蜂窩芯材的特性。

蜂窩材料具有各向異性的特點(diǎn)。蜂窩因?yàn)榇嬖陂_孔結(jié)構(gòu)，不適用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(yōu)點(diǎn)，它們是飛機(jī)結(jié)構(gòu)上廣泛使用的夾芯材料。但在某些情況下如面板出現(xiàn)裂紋和孔隙時，水或水汽就很容易進(jìn)入蜂窩。溫度下降后，進(jìn)入蜂窩孔中的水被冰凍后體積會發(fā)生膨脹，將破壞鄰近蜂窩孔格的粘接，降低了夾層結(jié)構(gòu)的性能，這時必須對蜂窩材料進(jìn)行維修。

強(qiáng)度以及比剛度較高，是鋁蜂窩這一結(jié)構(gòu)材料的明顯特征。剪切載荷較大的部位是鋁蜂窩層結(jié)構(gòu)應(yīng)用的主要位置，一般會利用金屬板材作為面板使用。在一定重量條件下，鋁蜂窩夾芯材料可以最大限度降低自身厚度。同時這也是其缺陷，在壁厚太薄的影響下，蜂窩表面可能會有嚴(yán)重的局部失穩(wěn)出現(xiàn)。在同一階段內(nèi)使用鋁蜂窩以及碳纖維面板時，無法順利結(jié)合兩種材料。在膨脹系數(shù)方面，上述兩種材料具備相當(dāng)大的差異，所以會導(dǎo)致明顯的固化變形問題出現(xiàn)。兩種材料之間極易發(fā)生電化學(xué)腐蝕問題。沒有恰當(dāng)處理電絕緣是導(dǎo)致其出現(xiàn)的主要原因。

2.泡沫芯材的特征。

在隔熱以及隔音能力方面，硬質(zhì)聚氨酯泡沫遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他泡沫，工藝簡單、價(jià)格便宜是硬質(zhì)聚氨酯泡沫的明顯優(yōu)勢與特征，但是其存在力學(xué)性能較差這一缺陷，在機(jī)械加工中極其容易出現(xiàn)易碎或者掉渣的問題。已成型的復(fù)合材料層壓板蒙皮腔體內(nèi)是注射硬質(zhì)聚氨酯泡沫的最終位置。在這一過程中不需要加工芯材外形，在結(jié)構(gòu)形成以及工藝方法方面不會涉及到較高的難度，可與多種材料之間有效連接。制造發(fā)泡工作在施工現(xiàn)場完成即可，將最大的便利性提供給復(fù)雜形狀構(gòu)件的內(nèi)腔用于填充，但是在發(fā)泡性能方面存在極大的不穩(wěn)定性。這也是引發(fā)超重問題的主要原因，其重心分布以及結(jié)構(gòu)剛度會受到較大程度的影響，其范圍密度最大可達(dá)到100Kg/m3。

在相同密度下，ROHACELL泡沫是強(qiáng)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(jié)構(gòu)具有良好的抗吸濕性，不易受潮和進(jìn)水，減少了在使用過程中的維修費(fèi)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(jié)構(gòu)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(qiáng)度。

二、夾層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及其成型工藝

1.蜂窩結(jié)構(gòu)。

首先，在航空領(lǐng)域，芳綸紙蜂窩的結(jié)構(gòu)常用于機(jī)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(jī)全動平尾采用了單臂梁全高度雙曲面芳綸紙蜂窩復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)。該平尾采用二次膠接成型工藝：上、下蒙皮等各零件單獨(dú)固化；金屬轉(zhuǎn)軸與復(fù)合材料梁共固化成型；然后采用二次膠接技術(shù)將轉(zhuǎn)軸梁、蜂窩、根肋、端肋、前緣條、后緣條等結(jié)構(gòu)進(jìn)行發(fā)泡預(yù)膠接，再將上、下蒙皮與其進(jìn)行二次膠接成型。

其次，全高度雙曲面芳綸紙蜂窩，型面復(fù)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(zhì)量。因此蜂窩加工質(zhì)量直接影響到平尾的氣動外形的好壞。采用普通的方法進(jìn)行加工無法滿足要求，故需要精確的蜂窩加工技術(shù)，需要在更精確的5坐標(biāo)數(shù)控銑床上進(jìn)行數(shù)控加工。為協(xié)調(diào)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(yàn)?zāi)みM(jìn)行模擬膠接狀態(tài)的協(xié)調(diào)檢查。在膠接前采取校驗(yàn)?zāi)ぃ鶕?jù)校驗(yàn)?zāi)ど系姆涓C印痕找到不貼合的區(qū)域，在不貼合的區(qū)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。

最后，施加外壓有利于翼盒產(chǎn)品的膠接質(zhì)量，但蜂窩承壓能力有限，長時間的抽真空，蜂格內(nèi)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(fù)壓情況下不會壓塌。

2.泡沫芯材。

首先，某飛機(jī)上蒙皮整體壁板采用泡沫夾層結(jié)構(gòu)，夾層結(jié)構(gòu)蒙皮由上下兩塊整體碳纖維蒙皮和中間12塊不同規(guī)格大小泡沫夾芯組成，零件外形呈雙曲面結(jié)構(gòu)，上下蒙皮厚2mm，中間用8mm厚的ROHA-CELL71XT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(yù)浸料和EW100A/NY9200GB玻璃布預(yù)浸料；泡沫芯為8mm厚ROHACELL71XT泡沫板。

其次，將成形好的泡沫板按照圖樣要求在外蒙皮上進(jìn)行粘接，在泡沫板上表面鋪貼SY-14A膠膜并進(jìn)烘箱加溫，同樣排除膠膜在加溫過程中產(chǎn)生的氣泡。按照圖樣要求鋪貼內(nèi)蒙皮，組裝氣密時將Airpad橡膠軟模蓋上整體壁板進(jìn)熱壓罐進(jìn)行加溫固化成型。某無人機(jī)機(jī)身壁板采用常溫復(fù)合材料ROHACELL泡沫夾層結(jié)構(gòu)。內(nèi)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。

結(jié)語：將復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)典型破壞模式發(fā)生的可能性控制在最小范圍，是開展夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的最終目標(biāo)。在選擇面板以及膠黏劑時，必須將設(shè)計(jì)條件以及受載情況作為依據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對上述內(nèi)容的合理選擇，這對設(shè)計(jì)載荷作用下強(qiáng)度以及剛度需求的滿足有重要作用。全高度夾層結(jié)構(gòu)主要在高載荷指數(shù)情況下使用。如果載荷指數(shù)整體較低，則需要結(jié)合實(shí)際利用夾層板結(jié)構(gòu)。