復合材料夾層結構在航空領域的運用

◎孫銳

在結合實際應用案例的基礎上，可明確復合材料夾層結構以及常用芯材的一系列特點與性能。在分析夾層結構芯材成型時可詳細了解到其中存在的重點與難點問題，通過確定復合夾層結構性能概況的方式科學改善復合材料夾層結構設計工作，彌補傳統設計工作中存在的不足，也可將最為科學的依據提供給復合材料夾層結構，促使其在航空領域中充分發揮自身的價值與作用，推動航空航天事業進一步發展，這也是提升我國經濟發展水平以及制造水平的必要條件。

設計人員在實際開展飛機結構設計工作時，始終面對強結構以及高效率這一要求。各類結構在設計過程中都需要滿足不失穩這一需求，尤其是在受到拉力、壓力以及剪切荷載作用力的情況下結構不會發生改變。在航空領域當中應用復合材料夾層結構是其發展的主要趨勢與方向，也是在社會經濟不斷發展過程中提出的客觀要求。現階段夾層結構在飛機結構設計中使用的范圍不斷拓寬，這充分說明復合材料夾層結構在航空領域起到的作用與價值。

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。蜂窩因為存在開孔結構，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點，它們是飛機結構上廣泛使用的夾芯材料。但在某些情況下如面板出現裂紋和孔隙時，水或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后體積會發生膨脹，將破壞鄰近蜂窩孔格的粘接，降低了夾層結構的性能，這時必須對蜂窩材料進行維修。

強度以及比剛度較高，是鋁蜂窩這一結構材料的明顯特征。剪切載荷較大的部位是鋁蜂窩層結構應用的主要位置，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重的局部失穩出現。在同一階段內使用鋁蜂窩以及碳纖維面板時，無法順利結合兩種材料。在膨脹系數方面，上述兩種材料具備相當大的差異，所以會導致明顯的固化變形問題出現。兩種材料之間極易發生電化學腐蝕問題。沒有恰當處理電絕緣是導致其出現的主要原因。

2.泡沫芯材的特征。

在隔熱以及隔音能力方面，硬質聚氨酯泡沫遠遠高于其他泡沫，工藝簡單、價格便宜是硬質聚氨酯泡沫的明顯優勢與特征，但是其存在力學性能較差這一缺陷，在機械加工中極其容易出現易碎或者掉渣的問題。已成型的復合材料層壓板蒙皮腔體內是注射硬質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，在結構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。制造發泡工作在施工現場完成即可，將最大的便利性提供給復雜形狀構件的內腔用于填充，但是在發泡性能方面存在極大的不穩定性。這也是引發超重問題的主要原因，其重心分布以及結構剛度會受到較大程度的影響，其范圍密度最大可達到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；其閉孔結構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，有利于控制夾層結構重量；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。

二、夾層結構的應用及其成型工藝

1.蜂窩結構。

首先，在航空領域，芳綸紙蜂窩的結構常用于機翼前緣、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合材料夾層結構。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；金屬轉軸與復合材料梁共固化成型；然后采用二次膠接技術將轉軸梁、蜂窩、根肋、端肋、前緣條、后緣條等結構進行發泡預膠接，再將上、下蒙皮與其進行二次膠接成型。

其次，全高度雙曲面芳綸紙蜂窩，型面復雜，下陷多，膠接面積大，而膠接面之間的貼合度影響到膠接質量。因此蜂窩加工質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，需要在更精確的5坐標數控銑床上進行數控加工。為協調檢查各組件間的配合情況，讓壁板與蜂窩貼合的很好，工藝上采用校驗膜進行模擬膠接狀態的協調檢查。在膠接前采取校驗膜，根據校驗膜上的蜂窩印痕找到不貼合的區域，在不貼合的區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品的膠接質量，但蜂窩承壓能力有限，長時間的抽真空，蜂格內的空氣抽盡，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。

2.泡沫芯材。

首先，某飛機上蒙皮整體壁板采用泡沫夾層結構，夾層結構蒙皮由上下兩塊整體碳纖維蒙皮和中間12塊不同規格大小泡沫夾芯組成，零件外形呈雙曲面結構，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碳纖維單向預浸料和EW100A/NY9200GB玻璃布預浸料；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生的氣泡。按照圖樣要求鋪貼內蒙皮，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合材料ROHACELL泡沫夾層結構。內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。

結語：將復合材料夾層結構典型破壞模式發生的可能性控制在最小范圍，是開展夾層結構設計工作的最終目標。在選擇面板以及膠黏劑時，必須將設計條件以及受載情況作為依據，進而實現對上述內容的合理選擇，這對設計載荷作用下強度以及剛度需求的滿足有重要作用。全高度夾層結構主要在高載荷指數情況下使用。如果載荷指數整體較低，則需要結合實際利用夾層板結構。