ARA LL層板在某型飛機結構上的應用

李正暉 高麗紅 賀 輝 張 喆

（第一飛機設計研究院，陜西 西安 710089）

ARA LL層板在某型飛機結構上的應用

李正暉 高麗紅 賀 輝 張 喆

（第一飛機設計研究院，陜西 西安 710089）

某型飛機方向舵中段壁板上使用了ARALL層板代替傳統鋁合金板材，通過對ARALL層板的設計以及力學性能試驗，驗證了ARALL層板設計達到了研制要求，解決了某型飛機方向舵中段壁板釘孔振動疲勞裂紋及鉚釘松動等問題。

ARALL層板；飛機結構；應用

ARALL層板是世界上第一種商品化生產的纖維增強金屬基層板（FML），由荷蘭DELFT工業大學為NASA的航天飛機計劃而研制開發，1982年研制成功，被譽為未來飛機結構最有潛力的材料之一。它由芳綸纖維/環氧樹脂層與鋁合金薄板交替鋪層組成，結合了兩者的優點，具有非常優異的耐疲勞性能和損傷容限性能。

ARALL層板一般是由厚度約0.3mm的經表面處理并涂底膠的鋁合金板和厚度約0.2mm的芳綸纖維預浸料交替鋪層，經加溫加壓固化而成的層壓板材料，根據不同用途，可以設計制造出不同厚度的層壓板。ARALL層板的結構見圖1。這種材料結合了鋁合金和纖維/樹脂基復合材料的優點，克服了各自的缺點，具有密度小、強度高、耐環境、防雷擊、疲勞性能及破損安全性好、阻尼特性好及加工簡便等特點。此材料已在荷蘭Fokker公司的F-27,F-50機翼下面板，美國波音公司 C-17貨艙門上得到了成功的應用，獲得了減重23%～33%，疲勞壽命提高3倍以上的效果；德國空中客車公司（DAA）把這種材料用于A330/A340機身桶段拱頂，波音公司也將用于B-757客艙地板，符合美國宇航標準ASM 4254-1996《ARALL層板材料規范》，是航空航天用新型結構材料。

1 ARALL層板的主要特點

ARALL層板是在薄鋁合金膠接層板的基礎上發展起來的，由于在膠層中引入了規則排列的高強度高模量的纖維，大大提高了層板在纖維方向的極限強度和抗疲勞裂紋擴展能力，具備如下的優點。

● 比強度高。由于纖維的增強作用和層板的密度較小，ARALL在纖維方向的極限強度值遠大于相應的鋁合金，但斷裂延伸率比鋁合金的低；

● 疲勞性能好。當鋁合金一旦產生疲勞裂紋時，裂紋的擴展受到裂紋尖端完好纖維的止裂作用，纖維的這種“橋接”作用使層板具有優異的疲勞性能，特別是經預拉伸的層板，裂紋擴展速率將會因受阻而減慢，具有自行阻止裂紋擴展的能力；

● 損傷容限好。由于纖維對疲勞裂紋的抑制作用，加上膠粘劑層使應力分散，松弛和轉移，以及無裂紋的板有效地阻止裂紋板中的裂紋擴展，使得纖維鋁合金膠接層板具有很好的損傷容限，即使有幾個毫米長的疲勞裂紋仍可安全工作；

● 耐環境性好。由于外層鋁合金的保護作用，ARALL層板具有比纖維樹脂基復合材料更好的耐潮濕環境性能；

● 抗雷擊性好。層板的表面均為鋁合金，導電性好，具有抗雷擊的能力，并有減輕整體油箱重量的潛力；

式中，W維數為n×s，θ1為閾值，維數為s×1；f1（I1）為隱含層的傳遞函數，常用Sigmoid函數。

● 阻尼性能好。在1Hz～1 000Hz范圍內ARALL層板的聲阻性能比整體鋁板高2.3倍；

● 成形加工性好。具有相似鋁合金的成型加工特性，可以銑、切、磨、鉆，可鉆磨頭孔，進行鉚接或螺栓連接，也可以進行二次膠接（含表面處理和加溫固化）。采用合適工藝，可制成彎曲半徑僅幾個毫米的加強件。

但由于芳綸纖維與膠粘劑之間的界面結合差，導致ARALL的剝離強度較低，對缺口（纖維切斷）或沖擊敏感，相對于鋁合金來說，機械加工較為困難，且無法成型形狀復雜的制件；同時價格高昂，國內售價達到8 000元/kg左右，從而限制了其應用與發展。

2 ARALL層板的耐疲勞機理

ARALL結構上的特點決定了它具有優異的疲勞性能，在循環應力作用下，ARALL外層的鋁合金薄板產生微裂紋，芳綸纖維在裂紋之間搭橋，從而降低裂紋尖端的應力集中，避免了裂紋的擴展，阻止裂紋情況見圖2。

ARALL層板的疲勞性能遠遠高于鋁合金板材，兩者疲勞性能的對比見圖3。

3 ARALL層板在飛機結構上的應用研究

某型飛機方向舵中段壁板原使用LY12鋁合金板材，在飛行100h～200h后，由于劇烈振動經常會產生疲勞裂紋并出現鉚釘松動現象，嚴重影響飛行安全。圖4為方向舵簡圖。將壁板材料更換為耐疲勞性能好的材料是解決此問題較為安全及快捷的方法。

綜合考慮，為提高此部位的疲勞強度，徹底解決疲勞裂紋及鉚釘松動問題，同時減輕結構重量，方向舵中段蒙皮壁板采用耐疲勞性能優異的國產ARALL代替鋁合金，需對研制的ARALL進行應用研究，確保其質量穩定可靠，滿足設計要求。

3.1 ARALL層板設計

根據國外研究成果發現，ARALL中鋁板的厚度在0.3mm以下時疲勞性能最好（見圖5），選擇較薄的鋁合金薄板還可以降低材料密度。因此，選擇了使用0.254mm厚2024-T3鋁合金薄板（符合HB 5471-1991《2024鋁合金預拉伸板》）作為金屬層的ARALL，其總厚度為1.3mm，與原用1.2mm厚LY12-CZ鋁合金板厚度接近。

ARALL由3層2024-T3鋁合金薄板和2層kevlar49芳綸/樹脂層組成，密度為2.2g/cm3（采用0.3mm厚鋁合金薄板的材料密度為2.33g/cm3），粘接劑選用SY-14C，符合法宇航AIR 4108-1992《結構膠粘劑》的鑒定要求，結構和組成與國外的ARALL-2層板相近。因為方向舵中段蒙皮壁板受力方向單一，因此選擇單向芳綸纖維沿飛機航向鋪層。由于芳綸纖維和鋁合金的熱膨脹系數差異較大（芳綸纖維為-2×10-6K-1，鋁合金為23.2×10-6K-1），ARALL固化后芳綸纖維會受到壓縮應力，對疲勞性能產生不利的影響，因此，對固化后的層板施加預應力或使其產生預應變可以使芳綸纖維受到拉伸應力，從而進一步提高疲勞性能。對于大尺寸層板使用預應力法調整殘余應力比較困難，通過對層板進行0.5%的預應變來調整殘余應力。預應變和疲勞性能的關系見圖6。

3.2 ARALL層板力學性能研究

對ARALL層板進行力學性能驗證試驗，從而評估該材料的力學性能是否達到研制要求，并獲取材料力學性能數據，以供結構設計及強度計算使用。

力學試驗項目確定如下：

● 通過測試拉伸、壓縮、彎曲、剪切性能考察其常規性能；

● 通過浮滾剝離性能試驗考察鋁合金層和纖維/樹脂層之間的粘接性能；

● 通過面內剪切試驗考察工作區平面內承受剪切力的能力；

● 對于將在鉚釘孔周圍經常出現裂紋的部位使用的材料通過擠壓試驗考核層板銷孔和銷子結合處承受擠壓應力的能力；

● 通過缺口拉伸試驗考察耐損傷能力及裂紋敏感性、疲勞性能等；

● 通過濕熱環境試驗考察沿海濕熱氣候對材料性能的影響；

● 通過高溫試驗考察高速氣流沖刷產生熱量對材料性能的影響；

● 通過低溫試驗考察北方嚴寒氣候對材料性能的影響。

ARALL的常溫力學性能試驗項目見表1，試驗方法按GB/T 3354-1999《定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》、GB/T 3856-2005《單項纖維增強塑料平板壓縮性能試驗方法》、HB 7617-1998《纖維增強金屬基復合材料層板彎曲性能試驗方法》、HB 7237-1995《復合材料層合板面內剪切試驗方法》、GB/T 7122-1996《高強度膠粘劑剝離強度的測定浮滾法》，浮滾剝離試驗裝置與面內剪切試樣破壞形式分別見圖7與圖8。

表1 ARALL環境條件下力學性能測試結果（典型值）

上述力學性能試驗證明，ARALL的室溫、高溫、低溫及濕熱環境下的各種力學性能均滿足設計要求，同時，絕大部分環境條件下的力學性能數據與室溫條件下的力學性能數據相差不大，說明ARALL耐環境性能優異，對環境條件不敏感。與鋁合金相比，ARALL的綜合性能有所提高，其縱向性能大幅度提高，缺口拉伸性能也有相當大的改善。采用ARALL用于某型飛機方向舵中段蒙皮壁板，解決了釘孔振動疲勞裂紋及鉚釘松動等問題，同時在一定程度上減輕了結構重量，單機減重0.78kg。

4 結論

ARALL層板具有優異的減震性能和

隔音性能，能夠制成大型壁板結構，所需加強件少于鋁合金薄板，特別適合疲勞及抗損傷性能要求高的部位。 隨著纖維增強金屬基層板生產規模的擴大，生產工藝方法及成型設備的進一步完善，影響纖維增強金屬基層板擴大應用范圍的成本問題將得到解決。而激光成形及加工等新技術的發展，將促使纖維增強金屬基層板制件的加工及裝配成本降低。以ARALL層板為代表的纖維增強金屬基復合材料必將在航空領域發揮更大的作用。

[1] 陳紹杰，李萍，朱珊. 新型層板材料[J]. 航空制造工程，1991（5）.■

T-65

C

1003-6660（2017）03-0050-04

10.13237/j.cnki.asq.2017.03.012

[收修訂稿日期] 2017-05-09

（編輯：雨晴）