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

陳龍輝，付杰斌，王 強，李偉東，陳里根

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

0 引言

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

夾層結(jié)構(gòu)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(zhì)芯材所組成的不可拆卸的組合結(jié)構(gòu)件。 由于夾層結(jié)構(gòu)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(yōu)越等特點， 所以在飛機上獲得廣泛應(yīng)用。 對于結(jié)構(gòu)高度大的翼面結(jié)構(gòu)，蒙皮壁板（尤其是上翼面壁板）采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)取代加筋板能明顯減輕結(jié)構(gòu)重量，對于結(jié)構(gòu)高度小的翼面結(jié)構(gòu)（尤其是操縱面），采用全高度夾層結(jié)構(gòu)代替梁肋式結(jié)構(gòu)能帶來明顯的減重效果。

1 復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)概述

復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)由上、下一對復(fù)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(jié)構(gòu)。 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(nèi)拉伸、壓縮和面內(nèi)剪切載荷，芯子支承面板承受垂直于面板的壓縮應(yīng)力，并能防止面板發(fā)生軸壓引起的屈曲。 夾層結(jié)構(gòu)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(nèi)拉壓應(yīng)力和面內(nèi)剪應(yīng)力，而芯材（腹板）主要承受由橫向力產(chǎn)生的剪應(yīng)力。

圖1 復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)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(huán)境敏感，設(shè)計時要防潮密封；面板薄時對低能沖擊敏感；結(jié)構(gòu)破損后修補較困難。

復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)分為夾層板結(jié)構(gòu)和全高度夾層結(jié)構(gòu)（如圖2）。

圖2 夾層結(jié)構(gòu)形式

夾層板結(jié)構(gòu)的芯材有一定高度， 形成了可承受結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。

全高度夾層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)主要用于翼型高度不高且受載均勻無集中力的結(jié)構(gòu)。 如剛度要求高的飛行器的全高度舵面， 采用全高度夾層結(jié)構(gòu)提高了舵面的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。

由于層合板的層數(shù)減少， 降低了鋪層制作成型的工作量，同時因為夾層結(jié)構(gòu)的剛度較高，減少了加筋的數(shù)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(jié)構(gòu)的重量，增加結(jié)構(gòu)的剛度，提高結(jié)構(gòu)的強度等作用。

復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)具有高的抗彎剛度和最小的結(jié)構(gòu)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(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)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(fù)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(yīng)力等。

復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)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(zhì)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(jié)構(gòu)，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(yōu)點，它們是飛機結(jié)構(gòu)上廣泛使用的夾芯材料。 但在某些情況下如果面板出現(xiàn)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(fā)生膨脹， 將破壞鄰近的蜂窩孔格的粘接，降低了夾層結(jié)構(gòu)的性能，這時必須對蜂窩材料進行維修。

鋁蜂窩是一種比強度、比剛度較高的結(jié)構(gòu)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(dǎo)致蜂窩表面（尤其是蜂窩孔隙較大的位置）發(fā)生局部失穩(wěn)。 鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)一般應(yīng)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(fù)合材料面板膠接時難以配合， 且兩種材料的熱膨脹系數(shù)差別較大，導(dǎo)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(dāng)就容易發(fā)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(jié)構(gòu)具有重量輕、強度高、剛性大、電性能優(yōu)良、隔聲隔熱、工藝簡單、能成形較復(fù)雜的零件等優(yōu)點，目前應(yīng)用較為成熟。 由于有優(yōu)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(yīng)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(yīng)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(wěn)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(dǎo)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(yè)內(nèi)應(yīng)用廣泛， 通常與碳/玻璃纖維預(yù)浸料一起使用，應(yīng)用經(jīng)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(fù)合材料粘接和組裝時容易協(xié)調(diào)，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(jié)構(gòu)將使得舵面剛度好、重量輕， 而且全高度蜂窩結(jié)構(gòu)具有耐沖擊性能好的特點，彌補了復(fù)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(jié)構(gòu)，蜂窩內(nèi)易囤積水等液體，蜂窩與內(nèi)、外玻璃鋼面板膠接成形后，不易排除，在高空低溫環(huán)境下結(jié)冰，易漲破面板，造成面板脫膠，從而破壞壁板蒙皮結(jié)構(gòu)；另外，蜂窩結(jié)構(gòu)在使用過程中，會因為面板破壞，發(fā)生滲水問題。 蜂窩與壁板膠接面較小， 蜂窩內(nèi)需預(yù)浸一定厚度的膠粘劑，才能保證膠接強度，蜂窩內(nèi)預(yù)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(jié)構(gòu)超重的主要因素之一。

2.2 泡沫芯材

硬質(zhì)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(xué)性能并不突出，且機械加工過程中易碎或掉渣。硬質(zhì)聚氨脂泡沫注射填充在已成型的復(fù)合材料層壓板蒙皮腔體內(nèi)，不用加工芯材外形，結(jié)構(gòu)形式、工藝方法簡單，與多種材料粘接性好，能夠在現(xiàn)場發(fā)泡制造，便于填充復(fù)雜形狀構(gòu)件的內(nèi)腔；但發(fā)泡性能不穩(wěn)定，注射填充時泡沫芯材密度不易控制，結(jié)構(gòu)容易超重，影響結(jié)構(gòu)的重心分布和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(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，可提高膠接強度。

除了良好的力學(xué)性能外，ROHACELL泡沫優(yōu)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(wěn)定性，耐化學(xué)性能，尤其低溫情況下還具有很低的導(dǎo)熱系數(shù)。

ROHACELL泡沫在進行適當(dāng)?shù)母邷靥幚砗螅材艹惺芨邷氐膹?fù)合材料固化工藝要求，這樣使得ROHACELL泡沫在航空領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 此外，該種泡沫材料還能滿足通常的預(yù)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(shù)控加工得到復(fù)雜的3D泡沫芯材，得到的ROHACELL泡沫芯材適合于各種復(fù)合材料成型工藝，例如模壓成型、熱壓罐和液體成型技術(shù)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(yù)浸料， 可以與環(huán)氧樹脂或BMI樹脂實現(xiàn)共固化工藝， 制造夾層結(jié)構(gòu)構(gòu)件。ROHACELL泡沫和芳綸紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)均能實現(xiàn)共固化， 但是芳綸紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)會降低復(fù)合材料面板的強度， 為了避免在共固化過程中蜂窩發(fā)生芯材壓潰或側(cè)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(dǎo)致復(fù)合材料面板的孔隙率偏高。 另外，因為蜂窩結(jié)構(gòu)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(dǎo)致蒙皮纖維產(chǎn)生彎曲，導(dǎo)致復(fù)合材料蒙皮層合板的強度降低。ROHACELL泡沫在夾層結(jié)構(gòu)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(fù)合材料蒙皮層合板的強度。

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

為更直觀地對比各種芯材的力學(xué)性能， 現(xiàn)選取幾種常用的芯材對其性能數(shù)據(jù)進行對比，如表1。

表1 常用芯材性能數(shù)據(jù)對比

3 夾層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及其成型工藝

目前， 復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)在航空領(lǐng)域中應(yīng)用日益廣泛。 其中典型的夾層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

在航空領(lǐng)域， 芳綸紙蜂窩的結(jié)構(gòu)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(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)（如圖3）。

圖3 全高度蜂窩夾層結(jié)構(gòu)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(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)進行發(fā)泡預(yù)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(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?zāi)みM行模擬膠接狀態(tài)的協(xié)調(diào)檢查。 在膠接前采取校驗?zāi)ぃ鶕?jù)校驗?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。

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(chǎn)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(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(yù)浸料和EW100A/NY9200GB玻璃布預(yù)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(shù)模的幾何尺寸對不同規(guī)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(shù)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(yù)浸料鋪層角度方向偏差需要控制在一定范圍內(nèi)， 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(chǎn)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(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熱壓罐進行加溫固化成型。

某無人機機身壁板采用常溫復(fù)合材料ROHACELL泡沫夾層結(jié)構(gòu)（如圖4）。 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。

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(xù)在泡沫板上鋪貼內(nèi)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(jié)構(gòu)壁板

某無人機舵面是聚氨酯泡沫填充結(jié)構(gòu)（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(nèi)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(nèi)腔， 與蒙皮牢固結(jié)合， 發(fā)泡后蒙皮外形需符合設(shè)計要求。

圖5 全高度泡沫夾層結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)語

夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)能防止復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)典型破壞模式的發(fā)生， 然后再根據(jù)設(shè)計條件和受載情況合理選擇面板、芯子和膠粘劑，以滿足設(shè)計載荷作用下的強度、剛度要求。 在高載荷指數(shù)情況下常采用全高度夾層結(jié)構(gòu)， 在低載荷指數(shù)情況下常采用夾層板結(jié)構(gòu)。

[1]（美）牛春勻.實用飛機復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造[M].程小全，張紀奎譯.北京：航空工業(yè)出版社，2010.

[2]《飛機設(shè)計手冊》總編委會.飛機設(shè)計手冊第10冊結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：航空工業(yè)出版社，2010.

[3]楊乃賓等. 復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社2002.

[4]沈真.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊北京[M].北京：航空工業(yè)出版社2001.