飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)腐蝕分析與防護(hù)

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摘 要：基于腐蝕環(huán)境和防護(hù)要求，對飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)腐蝕產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，并以此為基礎(chǔ)，結(jié)合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，闡述飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)機(jī)體材料相容性、結(jié)構(gòu)防腐蝕表面處理要求的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：化學(xué)腐蝕，電化學(xué)腐蝕，裝配組合

引言

復(fù)合材料能有效地減輕結(jié)構(gòu)重量，其已普遍應(yīng)用到飛機(jī)設(shè)計(jì)中。復(fù)合材料在使用過程中，可能遇到各種使用環(huán)境介質(zhì)，它們都可能引起復(fù)合材料的退化和變質(zhì)。另外，復(fù)合材料是高電位材料，當(dāng)與低電位材料相接時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)電偶腐蝕。

本文從分析復(fù)合材料的腐蝕機(jī)理出發(fā)，結(jié)合復(fù)合材料設(shè)計(jì)、使用要求，闡述飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面防護(hù)設(shè)計(jì)方案。

1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)防腐、密封設(shè)計(jì)

1.1 化學(xué)腐蝕防護(hù)

根據(jù)化學(xué)腐蝕發(fā)生的情況，防護(hù)層次可依照結(jié)構(gòu)制造流程按零件、組件、結(jié)構(gòu)部件順序?qū)嵤┍砻嫣幚砑敖缑婷芊獾姆雷o(hù)設(shè)計(jì)，如表1。

通過零件表面防護(hù)、裝配中表面防護(hù)和裝配后表面防護(hù)及相應(yīng)界面3個(gè)層次的防護(hù)設(shè)計(jì)，使表面防護(hù)措施的實(shí)施貫穿于制造的各個(gè)階段，多層次的將使用材料與應(yīng)用環(huán)境隔離，避免化學(xué)腐蝕情況發(fā)生。

1.2 電化學(xué)腐蝕防護(hù)

根據(jù)材料間電位活性差別，將常用材料分類如表2：

1.2.1 金屬材料間裝配/連接的防護(hù)

要防止電偶腐蝕，相互接觸的金屬要盡可能在同一電位組（見表2）內(nèi)選取。如果不可避免的出現(xiàn)電偶，可通過下述方式平衡電偶：

①電鍍一層相似金屬；

②使用附加的涂層、密封膠、膠帶和絕緣墊圈讓金屬絕緣，以破壞導(dǎo)電路徑；

③對永久性連接，用密封膠把穿過電解質(zhì)的連接區(qū)域覆蓋起來，讓連接絕緣。對非永久性連接用防腐的化合物。

1.2.2 金屬與復(fù)合材料間裝配/連接的防護(hù)

金屬和復(fù)合材料表面緊密接觸的情況，根據(jù)選用的材料，表面處理要作特殊考慮。

⑴玻璃纖維

玻璃纖維是不導(dǎo)電的，而且對任何其他材料都不會(huì)引起電化腐蝕，因而對電化腐蝕防護(hù)沒有特殊的要求。

⑵碳纖維

①用于與碳纖維直接接觸的材料選擇的優(yōu)先順序是鈦，不銹鋼和蒙乃爾合金。

②如果使用了以下一個(gè)或多個(gè)絕緣方法，那么可以將碳纖維層壓板與表2第Ⅳ組材料直接裝配：

a）在碳纖維層壓板的接觸部位鋪一層玻璃纖維或Kevlar預(yù)浸料；

b）在碳纖維零件的接觸面上，涂一層防水底漆。

③如果使用了以下所有的絕緣方法，可以將碳纖維層壓板與表2第II組或第III組材料（如：鋁、鍍鎘鋼）直接裝配。

在接觸區(qū)域，在碳纖維層壓板的表面鋪一層玻璃纖維預(yù)浸料。

可接受的備選方案是：

a）在陽極化、轉(zhuǎn)化涂層或鍍層后的鋁或鋼襯套零件上，至少涂一層防水底漆；

b）在碳纖維零件和接觸結(jié)構(gòu)之間使用永久的或可分離的表面密封，但不能使用涂滿粘合劑的閉合蜂窩泡沫膠。

有電位差的材料相連，就是要盡可能的阻斷電通路并避免電解液的滲入，全方位的破壞電腐蝕發(fā)生的三個(gè)條件。

1.3 緊固件裝配組合防護(hù)

飛機(jī)結(jié)構(gòu)可由碳纖維、鋁合金及鈦合金材料零件組成，緊固件的選用除滿足功能要求外，還要考慮緊固件材料與配合材料的電化腐蝕相容性及與被連接件裝配組合型式。

緊固件的選取，還要防止其與連接結(jié)構(gòu)之間發(fā)生電化腐蝕現(xiàn)象。根據(jù)表1、2及緊固件材料情況，用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的緊固件材料選擇的優(yōu)先順序應(yīng)是鈦，不銹鋼和蒙乃爾合金。

為防止在裝配時(shí)鉚接擊打及干涉配合的擠壓作用，使復(fù)合材料零件有分層的可能，建議飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)只選用鈦合金或不銹鋼的Hi-Lite釘桿和釘套或抗拉螺栓緊固件，且對復(fù)合材料件采用間隙配合。

2 結(jié)論

復(fù)合材料制件使用防護(hù)涂層，不但能獲得良好的裝飾性外觀，更重要的是可以減緩材料的吸濕和老化過程。飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)腐蝕帶來了飛機(jī)維護(hù)的重要問題，會(huì)直接決定飛機(jī)的使用壽命。腐蝕是一個(gè)自然現(xiàn)象，最好的辦法是采取完善的腐蝕防護(hù)與控制，將腐蝕破壞的速率降低到最小，使飛機(jī)實(shí)際壽命達(dá)到或超過設(shè)計(jì)壽命，確保飛機(jī)安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國航空研究院. 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊. 北京：航空工業(yè)出版社，2004.9.

[2]陸榕海，余飛，趙斌. 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)腐蝕分析及對策. 航空維修與工程，2006.2.

[3]方尚慶. 大型民用飛機(jī)復(fù)合材料整體油箱表面防護(hù)設(shè)計(jì)研究. 航空科學(xué)技術(shù)，2016.5.