直升機槳葉填芯材料發展現狀及應用

李志峰，王正峰

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001；2.海裝駐南昌地區航空軍事代表室，江西 南昌 330000)

0 引言

槳葉是直升機的關鍵動部件，提供了直升機飛行所需的升力和操縱力。幾十年來，各種直升機層出不窮，直升機槳葉構型也歷經演變。但無論金屬大梁槳葉(見圖1)還是復合材料大梁槳葉(見圖2)，從具體結構上看，都由蒙皮、大梁和填芯等組成。蒙皮和大梁是槳葉的主承力結構，槳葉填芯雖不直接承擔載荷，但卻維系著槳葉蒙皮和大梁的形狀，對其起重要的支撐作用。填芯對槳葉的制造質量影響很大，因此槳葉生產中必須首先依據填芯材料的壓縮強度，結合槳葉大梁和蒙皮的具體結構，通過一定數量縮比樣件工藝試驗摸索槳葉填芯的過盈量；然后通過對全尺寸槳葉無損檢測和破壞性切割檢查初步確定槳葉填芯材料的過盈量；最后按滿足槳葉疲勞壽命要求的產品狀態確定槳葉填芯材料的過盈量。槳葉填芯材料的壓縮強度和密度是槳葉設計選材考慮的重要參數。

圖1 金屬大梁槳葉剖面示意圖

圖2 復材大梁槳葉剖面示意圖

1 槳葉填充材料分類

槳葉填充材料屬于多孔固體。多孔固體主要有二維蜂窩結構、三維開孔泡沫和三維閉孔泡沫三種典型結構。二維蜂窩結構最簡單，六邊形做兩維排列，像蜜蜂的巢穴一樣堆積充滿平面空間。三維泡沫結構比較普遍，其孔穴由三維空間填充的多面體構成，如果組成泡沫的固體僅僅只是孔穴的棱邊，則稱該泡沫是開孔的，屬三維開孔泡沫；如果多面體的壁面也是固體的，以至于每個孔穴都與其相鄰的孔穴相互封閉隔離，則稱該泡沫是閉孔的，屬三維閉孔泡沫。

直升機槳葉研制史上，鋁蜂窩、玻璃布蜂窩、紙蜂窩、聚乙烯(PVC)泡沫、聚苯乙烯(PS)泡沫、聚氨酯(PUR)泡沫、聚醚酰亞胺(PEI)泡沫和聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)泡沫等都曾被用作填芯材料。在上述各種填芯材料中，芳綸紙蜂窩(見圖3)、硬質聚氨酯泡沫(見圖4)和聚甲基丙烯酰亞胺泡沫(見圖5)具有代表性且應用范圍較廣。

2 芳綸紙蜂窩

2.1 發展現狀

20世紀60年代，美國杜邦公司首先采用其發明的間位芳綸紙制成芳綸紙蜂窩并投入使用，該芳綸紙蜂窩在當今市場上應用比較廣泛。后來，杜邦公司又采用凱夫拉纖維與造紙用間位漿粕研制出了對位芳綸紙蜂窩。20世紀80年代以前，俄羅斯一直采用與美國相同的工藝方法制備芳綸紙蜂窩。后來俄羅斯技術人員調整了芳綸紙蜂窩生產工藝流程，解決了影響芳綸紙蜂窩力學性能的最關鍵的問題(浸膠工藝)，從根本上提高了芳綸紙蜂窩外觀和力學性能的均勻性，同時使原材料的浪費率由30%降到5%，大大降低了制作芳綸紙蜂窩的成本。

20世紀80年代末，中國一些院校和企業開始芳綸紙蜂窩研究，華南理工大學胡建[1]等指出國產芳綸紙與杜邦公司生產的芳綸紙相比還存在一定差距；郝巍[2]認為國產芳綸紙孔隙率偏大，對蜂窩的成型工藝有一定影響，會導致制備的蜂窩脆性大。目前，北京航空材料研究院采用煙臺氨綸集團旗下美士達公司生產的間位芳綸紙通過一系列成熟的工藝流程研制出了多種不同型號的芳綸紙蜂窩材料。

2.2 性能參數

芳綸紙蜂窩具有比強度高、結構穩定性好、隔熱阻燃等特點。芳綸紙蜂窩的密度一般在22kg/m3～150kg/m3。芳綸紙蜂窩的力學性能主要與蜂窩密度相關，對于同一種芳綸紙，蜂窩的壓縮強度和縱向剪切強度基本隨密度增大而增大。表1給出了國內外部分芳綸紙蜂窩的物理特性及力學性能。

2.3 工藝性

芳綸紙蜂窩的橫向剛度很小，加工時的裝夾方法對其加工效率和加工精度都有很大影響。實踐表明，傳統的零件裝夾方法不適用于芳綸紙蜂窩；通用數控加工設備及加工方法因存在裝夾、刀具和工藝策略等問題容易導致蜂窩加工時被扯起或出現其他質量等問題，適用性不強。

目前，部分企業采用超聲切割技術加工蜂窩。該技術的核心是超聲切割頭，其基本原理[3]是利用電子超聲發生器產生頻率為20kHz～30kHz的超聲波，通過切割頭內置的超聲-機械換能器將超聲信號轉換為超聲機械振動，再經過放大器將有限的超聲機械振動放大到切割所需的能量，最后該能量通過專用的刀具切割蜂窩。超聲波切割經常用到直刃和盤式兩種刀具，其中直刃刀具用于粗加工平面或曲面以及零件外形邊界的切斷等，盤式刀具用于半精或精加工平面或底面。

表1 國內外部分芳綸紙蜂窩物理特性及力學性能

蜂窩具有很強的延展性，因此加工過程中需對刀具的進給速度進行嚴格控制，特別是盤式刀，極易使蜂窩空格拉長或壓縮，會影響零件的型面加工精度和外形輪廓尺寸。

2.4 應用情況

芳綸紙蜂窩材料應用較廣，各主要直升機公司的代表性機種都采用了該材料。從直升機噸位上看，從輕型、中型到重型，基本全覆蓋。

1961年，波音公司縱列式運輸直升機CH-47“支奴干”(24噸級)首飛，其槳葉采用了紙蜂窩作為填芯材料。1966年，美國貝爾公司“噴氣突擊隊員”系列的貝爾206A直升機(2噸級)首飛，其主槳葉首先采用紙蜂窩作為填芯材料，由此開啟了貝爾公司紙蜂窩應用的序幕，其后研制的許多直升機均采用紙蜂窩。西科斯基公司的“黑鷹”直升機(10噸級)主槳葉采用了紙蜂窩作為填芯材料。波音公司研制的美國第二代武裝直升機“阿帕奇”(10噸級)主槳葉后腔填芯材料采用了紙蜂窩。

20世紀80年代，為對抗美國的“阿帕奇”武裝直升機，前蘇聯研制了其第二代武裝直升機(11噸級)。米里公司、卡莫夫公司分別研制了剪刀式尾槳構型的米-28N直升機和共軸式武裝直升機Ka-50，這兩型直升機槳葉均采用了芳綸紙蜂窩材料。1998年，卡莫夫公司Ka-27、Ka-28、Ka-29、Ka-31和Ka-32直升機在槳葉升級時用紙蜂窩替代了原來的鋁蜂窩。表2給出了紙蜂窩在部分直升機槳葉上的應用情況。

表2 紙蜂窩在部分槳葉上的應用情況

3 硬質聚氨酯泡沫

3.1 發展現狀

1958年，杜邦公司以異氰酸酯、多元醇和一氟三氯甲烷(CFC-11)發泡劑首先成功制備硬質聚氨酯泡沫。我國從20世紀50年代初開始研究聚氨酯泡沫，至今形成了引進技術生產甲苯二異氰酸酯、二苯基甲烷二異氰酸酯和多亞甲基多苯基異氰酸酯為主，輔以自主研發的技術生產六亞甲基二異氰酸酯、三氨基壬烷三異氰酸酯的生產格局。為改善硬質聚氨酯泡沫的性能，研究人員在不改變聚合物結構的前提下，在整個體系中加入適當的助劑對聚氨酯泡沫進行增強。巴志新[4]等研究發現用直徑10μm～15μm無堿破碎玻璃纖維增強聚氨酯泡沫，壓縮強度隨玻璃纖維粒度的細化而增大；趙斌[5]等研究發現用尼龍66纖維和SiO2顆粒作混合增強劑，能使泡沫的拉伸、壓縮和沖擊強度都明顯提高。

3.2 性能參數

硬質聚氨酯泡沫具有優良的物理力學性能、聲學性能和耐化學性能。硬質聚氨酯泡沫的壓縮強度和拉伸強度取決于其原料、配方和結構。其中泡沫密度是決定因素，隨著密度的增大，壓縮強度和拉伸強度明顯增大。表3給出了國內外部分硬質聚氨酯泡沫的物理特性及力學性能。

表3 國內外部分硬質聚氨酯泡沫的物理特性及力學性能

3.3 工藝性

硬質聚氨酯泡沫硬度不高，適用于簡單的機械加工或數控加工，但進給速度不能太大。從孔穴結構上看，硬質聚氨酯泡沫屬于不完全封閉結構，加工過程中產生的粉末量大且不易清理徹底，加工好的泡沫填芯在工序流轉中還會因摩擦和磕碰產生粉末，因此最終與槳葉其他零件裝配前必須采用除塵設備去除全部粉末，不然會直接影響與槳葉大梁和蒙皮等結構的粘接性能。

3.4 應用情況

從國內外應用情況來看，硬質聚氨酯泡沫主要應用在輕型、中型直升機槳葉上，尚未發現重型直升機槳葉應用該泡沫的先例。20世紀70年代，歐直公司開始在“松鼠”系列直升機(2噸級)和“海豚”系列直升機(4噸級)主槳葉上應用硬質聚氨酯泡沫。其2009年12月首飛的EC175直升機(6噸級)主槳葉填芯采用的仍是硬質聚氨酯泡沫。總體上看，硬質聚氨酯泡沫在直升機槳葉上的應用呈現下降趨勢，已逐漸被PMI泡沫替代。表4給出了硬質聚氨酯泡沫在部分槳葉上的應用情況。

表4 硬質聚氨酯泡沫材料在部分槳葉上的應用情況

4 聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)泡沫

4.1 發展現狀

1966年，德國羅姆(ROHM)公司首先用丙烯晴、甲基丙烯晴、丙烯酰胺和甲基丙烯酸酯熱塑性樹脂在180℃下發泡并交聯制作PMI泡沫。1967年日本積水化學公司采用輻射交聯法制作PMI泡沫。

目前,德國贏創德固賽公司的ROHACELL系列PMI泡沫在市場上占據著主導地位。2007年，湖南塑料研究所研制出PMI泡沫產品，并在2010年承擔了湖南省屬科研機構創新發展專項“大型復合材料構件用聚甲基丙烯酰亞胺泡沫材料中試研究機應用推廣”，2011年作為投資者之一成立了湖南兆恒科技有限公司，生產PMI泡沫[6]。中航復材技術中心與福建浩博合作，已成功研制出ACCPMI系列PMI泡沫材料，并建立了年產能力3000m3的PMI泡沫生產線[7]。

4.2 性能參數

PMI泡沫具有良好的力學性能、各向同性，具有良好的穩定性、耐化學性能，在低溫情況下還具有很低的熱導率。目前，相同密度情況下，PMI泡沫是拉伸和剪切模量、強度最高的聚合物泡沫材料。表5給出了部分PMI泡沫的物理特性及力學性能。

表5 國內外部分PMI泡沫的物理特性及力學性能

4.3 工藝性

PMI泡沫是三維閉孔泡沫，使用機械進行泡沫表面加工或開槽時，加工速度可以很快，能達到蜂窩的十倍。ROHACELL技術手冊[8]指出，采用螺旋狀嵌有60/72粒度的工業金剛石刀刃、轉速7200rpm～12000rpm或采用五點、淬火NONVAR工具鋼刀刃、轉速2800～3500rpm，通過選擇合適的數控加工進刀速度，可以獲得光滑的泡沫加工表面。

4.4 應用情況

PMI泡沫用作槳葉填芯，主要見于歐直公司，其20世紀80、90年代具有代表性的機型基本都選用了PMI泡沫，從起飛重量上看，應用范圍基本覆蓋了直升機的各種噸位。1987年，EH101直升機(15噸級)首飛，其主槳葉的前腔和中腔填芯都采用了PMI泡沫。1991年4月，EC625“虎”式直升機(6噸級)首飛，其主槳葉前腔填芯采用了PMI泡沫。1994年2月，EC135直升機(3噸級)首飛,其主槳葉前腔和后腔都采用了PMI泡沫。

1995年6月，法國、新加坡和中國聯合推出了EC120B輕型直升機(2噸級)，其主槳葉用PMI泡沫代替了原來的填充材料。1995年12月，法國、意大利、德國、英國和荷蘭5國聯合研制的NH90直升機(10噸級)主槳葉前三腔和尾槳葉也采用了PMI泡沫。英國韋斯特蘭公司研制的曾創造了直升機飛行速度世界紀錄的“山貓”直升機，其主槳葉改進時，最終用PMI泡沫代替了原來的芳綸紙蜂窩。

5 結論

經過幾十年的發展，直升機槳葉填芯材料物理性能和力學性能逐漸提高，與槳葉設計的材料體系和生產工藝更加匹配；填芯材料技術發展的區域不平衡仍然存在，但各直升機公司大都形成了與各自填芯材料的性能特點相適應的槳葉設計方法和生產工藝；歐直公司主槳葉填芯選材進一步精細化，部分槳葉同時選用了芳綸紙蜂窩和PMI泡沫；部分PMI泡沫料的尺寸穩定性指標尚不明確，有必要開展進一步研究；從槳葉弦向重心控制角度考慮，壓縮強度相同的情況下，密度低、工藝性能好的填芯材料更具有市場競爭力。