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        飛機復合材料結構腐蝕分析與防護

        2018-08-24 22:24:38張曾霞
        科學與財富 2018年24期

        張曾霞

        摘 要:基于腐蝕環(huán)境和防護要求,對飛機復合材料結構腐蝕產(chǎn)生的原因進行了分析,并以此為基礎,結合復合材料結構特點,闡述飛機復合材料結構機體材料相容性、結構防腐蝕表面處理要求的設計方案。

        關鍵詞:化學腐蝕,電化學腐蝕,裝配組合

        引言

        復合材料能有效地減輕結構重量,其已普遍應用到飛機設計中。復合材料在使用過程中,可能遇到各種使用環(huán)境介質,它們都可能引起復合材料的退化和變質。另外,復合材料是高電位材料,當與低電位材料相接時可能會出現(xiàn)電偶腐蝕。

        本文從分析復合材料的腐蝕機理出發(fā),結合復合材料設計、使用要求,闡述飛機復合材料結構表面防護設計方案。

        1 復合材料結構防腐、密封設計

        1.1 化學腐蝕防護

        根據(jù)化學腐蝕發(fā)生的情況,防護層次可依照結構制造流程按零件、組件、結構部件順序實施表面處理及界面密封的防護設計,如表1。

        通過零件表面防護、裝配中表面防護和裝配后表面防護及相應界面3個層次的防護設計,使表面防護措施的實施貫穿于制造的各個階段,多層次的將使用材料與應用環(huán)境隔離,避免化學腐蝕情況發(fā)生。

        1.2 電化學腐蝕防護

        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

        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,以破壞導電路徑;

        ③對永久性連接,用密封膠把穿過電解質的連接區(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 金屬與復合材料間裝配/連接的防護

        金屬和復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

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

        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或多個絕緣方法,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浸料。

        可接受的備選方案是:

        a)在陽極化、轉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構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)生的三個條件。

        1.3 緊固件裝配組合防護

        飛機結構可由碳纖維、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構之間發(fā)生電化腐蝕現(xiàn)象。根據(jù)表1、2及緊固件材料情況,用于飛機結構的緊固件材料選擇的優(yōu)先順序應是鈦,不銹鋼和蒙乃爾合金。

        為防止在裝配時鉚接擊打及干涉配合的擠壓作用,使復合材料零件有分層的可能,建議飛機復合材料結構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,且對復合材料件采用間隙配合。

        2 結論

        復合材料制件使用防護涂層,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。飛機復合材料結構腐蝕帶來了飛機維護的重要問題,會直接決定飛機的使用壽命。腐蝕是一個自然現(xiàn)象,最好的辦法是采取完善的腐蝕防護與控制,將腐蝕破壞的速率降低到最小,使飛機實際壽命達到或超過設計壽命,確保飛機安全與經(jīng)濟運行。

        參考文獻:

        [1]中國航空研究院. 復合材料結構設計手冊. 北京:航空工業(yè)出版社,2004.9.

        [2]陸榕海,余飛,趙斌. 復合材料結構腐蝕分析及對策. 航空維修與工程,2006.2.

        [3]方尚慶. 大型民用飛機復合材料整體油箱表面防護設計研究. 航空科學技術,2016.5.

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