【摘要】航空產(chǎn)品的材料選擇直接影響了飛機(jī)性能和安全，對(duì)設(shè)計(jì)人員和加工人員提出較高要求。符合材料夾層結(jié)構(gòu)有著剛度重量比大、抗聲振疲勞性和抗機(jī)械疲勞性好、氣動(dòng)表面光滑等優(yōu)點(diǎn)，本文就針對(duì)復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)在航空領(lǐng)域的運(yùn)用展開解析。

【關(guān)鍵詞】復(fù)合材料；夾層結(jié)構(gòu)；航空領(lǐng)域；運(yùn)用

一、復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)概述

復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)由五個(gè)構(gòu)成要素組成：上下復(fù)合材料面板、夾芯、膠粘劑。膠粘劑將面板和夾芯黏合在一起，將兩者的載荷相互傳遞，面板承擔(dān)面內(nèi)的壓縮和拉伸，以及剪切載荷；夾層結(jié)構(gòu)的上下面板承受面內(nèi)拉壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，芯材承擔(dān)因橫向力產(chǎn)生的剪應(yīng)力。復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：彎曲剛度比較好；吸聲和隔聲、隔熱性能好；臨界屈曲載荷大；濕熱環(huán)境適應(yīng)性差，應(yīng)該注意防潮密封措施；面板薄時(shí)對(duì)低能沖擊反應(yīng)強(qiáng)；不易修補(bǔ)等。

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)。夾層板結(jié)構(gòu)的芯材高度較大，形成整體梁應(yīng)對(duì)剪力和彎矩，一般用在壁板蒙皮結(jié)構(gòu)上。全高度夾層結(jié)構(gòu)一般用在翼型高度低且受載較勻的結(jié)構(gòu)上。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)被廣泛運(yùn)用在剛度要求高的飛行器上，一般用于全高度舵面、機(jī)身、機(jī)翼、尾翼壁板等部位。

二、夾層結(jié)構(gòu)在航空領(lǐng)域的運(yùn)用及工藝

復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的芯材應(yīng)該具備的性能有：剛度和強(qiáng)度較高；價(jià)格低廉且工藝性能好；芯材和復(fù)合材料面板間的膠接性、電腐蝕性等相適應(yīng)。芯材主要分為兩類：

1、蜂窩芯材

蜂窩材料的各向異性較強(qiáng)，蜂窩的開孔結(jié)構(gòu)不能運(yùn)用濕法技術(shù)和樹脂注射技術(shù)。分類中的鋁蜂窩和芳綸紙蜂窩的壓縮模量高、重量低，因此是飛機(jī)常用材料。但是當(dāng)面板發(fā)生裂紋和空隙現(xiàn)象時(shí)，導(dǎo)致水和水汽進(jìn)入其中，蜂窩孔中的水會(huì)因溫度降低而結(jié)冰，進(jìn)而膨脹破壞鄰近的空格，使夾層機(jī)構(gòu)性能發(fā)生改變，需要及時(shí)修補(bǔ)蜂窩材料。

芳綸紙蜂窩結(jié)構(gòu)主要運(yùn)用在飛機(jī)的機(jī)翼前、尾部、起落架艙門、整流罩中。全高度雙曲面芳綸紙蜂窩的型面比較復(fù)雜，下陷較多，膠接面較大，貼合度對(duì)膠接質(zhì)量產(chǎn)生很大作用。所以蜂窩加工質(zhì)量對(duì)平尾的氣動(dòng)外形產(chǎn)生很大影響，不能采取常規(guī)方法加工，應(yīng)該運(yùn)用精確的蜂窩加工工藝，在5坐標(biāo)數(shù)控銑床上數(shù)控加工能取得較好效果。將壁板和蜂窩良好貼合，促進(jìn)各組件的協(xié)調(diào)運(yùn)行，通常運(yùn)用校驗(yàn)?zāi)ぜ夹g(shù)實(shí)行模擬膠接。膠接前利用校驗(yàn)?zāi)z查，結(jié)合校驗(yàn)?zāi)さ姆涓C印痕尋找不能貼合的地方，通過局部修銼技術(shù)或增加膠膜的方法，促進(jìn)膠接面的貼合度。為提高翼盒產(chǎn)品的膠接質(zhì)量，可以在外面加壓，控制好對(duì)蜂格內(nèi)的空氣抽空程度，避免因?yàn)閴毫^大導(dǎo)致蜂窩損傷。可以將蜂窩周圍進(jìn)行限位處理；蜂窩銑切公差取正差，對(duì)蜂窩的收縮進(jìn)行填補(bǔ)。

鋁蜂窩結(jié)構(gòu)材料的比強(qiáng)度和比剛度比較好，價(jià)格不高，鋁蜂窩夾芯可以在適合條件下做得非常薄。但是，但鋁蜂窩夾芯材料的壁厚太薄時(shí)，能引起蜂窩表面產(chǎn)生部分狀態(tài)不穩(wěn)。鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)通常在剪切載荷較大的部位運(yùn)用，面板廣泛使用金屬材質(zhì)。鋁蜂窩和碳纖維面板同時(shí)使用時(shí)，剛性的鋁蜂窩和復(fù)合材料面板很難實(shí)現(xiàn)良好的膠接，而且他們的熱膨脹系數(shù)差別很大，致使固化變形顯著，同時(shí)還要注意加強(qiáng)對(duì)電絕緣處理的效率，避免產(chǎn)生電化腐蝕的后果。鋁蜂窩芯材分為三種：第一種：LF21或LF2鋁箔制作，使用條件為-55℃～80℃；第二種：由LF2鋁箔材料制作，使用條件為-55℃～175℃；第三種：由LY12鋁箔制作，使用條件為-55℃～220℃。

玻璃布蜂窩采用玻璃布制作成蜂窩浸漬膠液再固化處理形成。此結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn)：重量不大、強(qiáng)度好、剛性和電性能優(yōu)良、隔熱隔聲效果好、操作簡(jiǎn)單、能制作比較復(fù)雜的零件，工藝相對(duì)完善。因?yàn)榻^緣效果和透電磁波性能較強(qiáng)，因此也可以運(yùn)用甾微波通信領(lǐng)域。價(jià)格相對(duì)與芳綸紙蜂窩低廉，運(yùn)用在某些型號(hào)的教練機(jī)背鰭上。

芳綸紙蜂窩的蜂窩壁能夠制作較厚，因此抗局部失穩(wěn)性能好。芳綸紙材質(zhì)不會(huì)導(dǎo)電，也可以避免發(fā)生接觸電化腐蝕現(xiàn)象。芳綸紙蜂窩能符合FST即煙霧毒性的規(guī)定。制作的夾芯材料在航空領(lǐng)域普遍運(yùn)用，一般結(jié)合碳、玻璃纖維預(yù)浸料共同使用，價(jià)格適中、運(yùn)用工藝成熟，芳綸紙蜂窩強(qiáng)度相對(duì)于鋁蜂窩較差，但是韌性和抗損傷性好，重量輕、壓縮強(qiáng)度高、剪切強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度良好、具有各向異性優(yōu)勢(shì)；彎曲剛度比和重量比較大；吸聲、隔聲、隔熱性能好；易于與復(fù)合材料進(jìn)行組裝，避免腐蝕現(xiàn)象發(fā)生。一般在舵面等翼型相對(duì)薄的部位運(yùn)用，利用全高度蜂窩結(jié)構(gòu)促進(jìn)舵面的剛度提升，重量減輕，全高度蜂窩結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的耐沖性，對(duì)復(fù)合材料缺乏抗沖擊性進(jìn)行了彌補(bǔ)。芳綸紙蜂窩芯材的不足是：很難順利制作曲板，蜂窩和型面不容易貼合，應(yīng)該銑切加工，但是因?yàn)榉涓C軟，裝夾困難影響加工效率；蜂窩的開孔結(jié)構(gòu)易吸收積水等，當(dāng)蜂窩和面板膠接后，不方便排凈積水，在發(fā)生降溫時(shí)致使積水結(jié)冰膨脹，將面板漲破發(fā)生脫膠，導(dǎo)致壁板蒙皮結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞；蜂窩結(jié)構(gòu)使用時(shí)可能發(fā)生面板損傷，發(fā)生滲水現(xiàn)象；夾芯機(jī)構(gòu)容易超重，因?yàn)榉涓C和壁板交接面不大，蜂窩內(nèi)必須預(yù)浸相當(dāng)厚度的膠粘劑才能牢固，而這個(gè)厚度通常難以控制，導(dǎo)致膠接件重量超重。

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(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但其力學(xué)性能并不突出，且機(jī)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(jiǎn)單，與多種材料粘接性好，能夠在現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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80Kg/m3-100Kg/m3。

在相同密度下，ROHACELL泡沫是強(qiáng)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??；其閉孔結(jié)構(gòu)具有良好的抗吸濕性，不易受潮和進(jìn)水，減少了在使用過程中的維修費(fèi)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(shí)，該中泡沫與壁板膠接面大，膠粘劑厚度均勻，可提高膠接強(qiáng)度。除了良好的力學(xué)性能外，ROHACELL泡沫優(yōu)點(diǎn)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(jiǎn)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(jìn)行適當(dāng)?shù)母邷靥幚砗?，也能承受高溫的?fù)合材料固化工藝要求，這樣使得ROHA-CELL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。

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