趙連紅，金濤，張紅飛，慕仙蓮，劉成臣，王浩偉

（中國特種飛行器研究所 結(jié)構(gòu)腐蝕防護與控制航空科技重點實驗室，湖北 荊門 448035）

隨著航空裝備的更新，性能的不斷完善，以及裝備對安全性和長壽命等方面的更高要求，通過減少緊固件類結(jié)構(gòu)連接數(shù)量，降低結(jié)構(gòu)打孔開槽等易引起初始損傷的結(jié)構(gòu)連接形式，是有效減少航空設(shè)備質(zhì)量，降低疲勞損傷發(fā)生概率，提高設(shè)備使用壽命的重要方法。先進增強結(jié)構(gòu)作為一種新型的結(jié)構(gòu)形式[1-2]，按照飛機結(jié)構(gòu)的載荷分布及大小特點，有針對性地在飛機金屬高應(yīng)力區(qū)域、易出現(xiàn)疲勞損傷區(qū)域等結(jié)構(gòu)部位，通過增加金屬結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的傳遞路徑，減小局部區(qū)域的應(yīng)力水平，阻止金屬結(jié)構(gòu)裂紋擴展。在飛機制造過程中，利用碳纖維、玻璃纖維等復合材料增強帶強度大、密封小的特點，預先將增強帶膠接在飛機金屬結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力水平及已發(fā)生疲勞裂紋的部位，達到飛機結(jié)構(gòu)減重、提高金屬結(jié)構(gòu)疲勞和損傷容限性能的目的[3-4]。特別是隨著各種高性能膠黏劑的研制成功，膠接結(jié)構(gòu)強度和耐久性得到明顯提升，膠接施工工藝和設(shè)備的日益完善，先進增強結(jié)構(gòu)逐步應(yīng)用到航空設(shè)備生產(chǎn)制造使用維護中。該結(jié)構(gòu)不僅有效實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)減重、安全性提升的目的外，同時設(shè)備的檢修周期也縮短、制造使用維護成本也降低。

先進增強結(jié)構(gòu)是在損傷容限設(shè)計上發(fā)展起來的一種新型的增強結(jié)構(gòu)，能減低金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平，降低結(jié)構(gòu)使用過程中裂紋的產(chǎn)生及擴展，延長結(jié)構(gòu)修理間隔和使用壽命[5-6]，有效提高飛機結(jié)構(gòu)安全性，實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)減重[7-8]等。美國聯(lián)邦航空管理局在1993年報告中提出先進增強結(jié)構(gòu)，開展大量理論研究和試驗驗證，目前已在A400M、波音等飛機上進行廣泛應(yīng)用[9-11]。

隨著深海戰(zhàn)略的不斷推進，航空裝備環(huán)境適應(yīng)性顯得更為重要，飛機長期在沿海區(qū)域服役和使用，飛機結(jié)構(gòu)長期處于高濕高鹽環(huán)境中，在起飛和著陸過程中飛機內(nèi)部結(jié)構(gòu)易積聚冷凝水，形成干、濕交替的腐蝕環(huán)境。海洋環(huán)境中高鹽霧、高濕熱的腐蝕環(huán)境會對飛機金屬結(jié)構(gòu)造成不同程度的腐蝕，嚴重影響飛機安全性和可靠性[12]。先進增強結(jié)構(gòu)應(yīng)用到飛機高應(yīng)力結(jié)構(gòu)部位，能夠顯著抑制裂紋擴展[13]，增強結(jié)構(gòu)疲勞和損傷容限性能[14-15]，腐蝕環(huán)境下先進增強結(jié)構(gòu)的防護方法至關(guān)重要，因為先進增強結(jié)構(gòu)是金屬基體與復合材料連接而成，兩者存在電勢差，如果防護不當，極易形成電偶腐蝕[16]；導致腐蝕介質(zhì)侵入膠層，腐蝕金屬，破壞膠層，嚴重影響飛機安全。因此，需要采用恰當?shù)姆雷o體系和防腐蝕密封技術(shù)對先進增強結(jié)構(gòu)進行有效的防護，阻止腐蝕介質(zhì)的侵入，隔離電偶腐蝕形成環(huán)境，提高先進增強結(jié)構(gòu)抗腐蝕性能。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在2000年前，歐美國家在先進增強結(jié)構(gòu)理論研究和工程應(yīng)用方面開展了大量研究，主要研究先進增強結(jié)構(gòu)對于結(jié)構(gòu)疲勞和損傷容限性能提高的內(nèi)在機理，研究不同的增強材料對結(jié)構(gòu)的裂紋擴展、疲勞性能等方面的影響[17]。GLARE條帶能有效阻止疲勞裂紋擴展速率，特別是粘接前預拉伸止裂條帶，能有效減少鋁合金板中的殘余應(yīng)力，鋁合金板裂紋擴展壽命得到很大提高[18-19]，平均壽命提高了近3倍。在工程應(yīng)用方面，以色列航空公司IAI采用碳纖維增強復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱CFRP）增強筋條的鋁合金蒙皮開展室溫和低溫下的疲勞試驗。在A400M、波音等飛機中先進增強結(jié)構(gòu)也已經(jīng)開展應(yīng)用[20]。如圖1所示，針對框緣的受力和傳載特點，從GLARE條帶的鋪層設(shè)計、膠接和固化工藝等方面，在A400M飛機機身框緣條內(nèi)側(cè)膠接GLARE條帶，采用先進增強結(jié)構(gòu)形式，大大降低了飛機機身內(nèi)緣條的應(yīng)力水平，有效預防飛機機身框緣常出現(xiàn)的應(yīng)力水平高、易發(fā)生疲勞裂紋導致疲勞斷裂破壞等危及飛機壽命安全的問題。同時在波音、空客等飛機的艙門結(jié)構(gòu)、飛機機身框、飛機機翼梁緣條、飛機蒙皮與緣條連接等結(jié)構(gòu)部位也相繼運用了先進增強結(jié)構(gòu)形式，取得較好的工程應(yīng)用效果。充分說明了先進增強結(jié)構(gòu)是一種有效降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平、阻止結(jié)構(gòu)裂紋擴展、提高飛機疲勞性能的方法[21-.25]。

目前國內(nèi)對先進增強結(jié)構(gòu)分析方法的研究還很少，在先進增強技術(shù)應(yīng)用方面剛剛起步，但類似技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于飛機修補工作[26-35]，目的在于延長飛機損傷結(jié)構(gòu)的使用壽命。部分學者開展了復合材料與金屬連接結(jié)構(gòu)在腐蝕環(huán)境下的裂紋擴展試驗，其中上海飛機設(shè)計研究院的沈培良[16]進行一系列元件級疲勞性能對比試驗，通過對比二層2524-T3金屬蒙皮與一層GLARE條帶和三層2524-T3金屬蒙皮與二層GLARE條帶兩種結(jié)構(gòu)形式，研究2524-T3金屬蒙皮樣件在濕熱環(huán)境下的裂紋擴展性能。結(jié)果表明，在濕熱環(huán)境下，先進增強結(jié)構(gòu)比單一的鋁合金結(jié)構(gòu)有較好的抗裂紋擴展性能，且先進增強結(jié)構(gòu)條帶越寬、厚，抗裂紋擴展性能越好。在工程應(yīng)用方面[36]，復合材料膠接修補技術(shù)已應(yīng)用于軍機維護修理中，在某水上飛機中央上壁板和某戰(zhàn)斗機右翼翼根蒙皮等結(jié)構(gòu)中均已應(yīng)用，如圖2所示。

圖2 復合材料膠接修補技術(shù)應(yīng)用情況

先進增強結(jié)構(gòu)在防腐蝕工程應(yīng)用的研究較少，主要開展了金屬材料與復合材料兩種結(jié)構(gòu)形式的腐蝕特性研究。Matthijs[20]開展了鋁合金、普通鋼、不銹鋼和鈦合金等4種金屬與CFRP材料的連接結(jié)構(gòu)在鹽霧環(huán)境下的腐蝕行為研究，試驗件采用螺栓連接和膠接2種連接方式，開展75 ℃ NaCl溶液的實驗室加速試驗。結(jié)果表明，相較于栓接試件，膠接試件的腐蝕程度較輕。Murray[37]研究了LY12CZ鋁合金與碳纖維復合材料間的電偶腐蝕，金屬表面陽極的活性溶解和碳纖維陰極表面的氧化還原反應(yīng)影響鋁合金與碳纖維之間的腐蝕電流，得到電偶腐蝕電流與鋁合金和碳纖維的接觸面積成正比的結(jié)論。Tucker[38]開展了復合材料與鈦合金、不銹鋼、鋁合金等材料的腐蝕試驗，研究分析了不同金屬與復合材料發(fā)生的電偶腐蝕，金屬表面發(fā)生不同的腐蝕，形成了腐蝕損傷源，導致4種增強材料在腐蝕環(huán)境下的裂紋擴展速率不同，如圖3所示。王躍然等[39]開展了復合材料修補金屬薄板結(jié)構(gòu)的鹽霧腐蝕力學性能研究，研究結(jié)果表明，腐蝕環(huán)境下金屬鋁結(jié)構(gòu)和復合材料結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕，復合材料在腐蝕環(huán)境作用下加速腐蝕鋁合金，導致鋁合金的力學性能發(fā)生改變，整體力學性能下降趨勢明顯，初期下降較快，后期呈線性下降。肖加余[40-41]研究了復合材料修補金屬結(jié)構(gòu)的濕熱特性，對金屬與復合材料組成的整體結(jié)構(gòu)進行濕熱環(huán)境試驗，試驗結(jié)果表明，復合材料和膠黏劑吸濕吸潮，直接影響樹脂與纖維的粘接性能，導致復合材料修補結(jié)構(gòu)的力學性能大打折扣。杜奎等[42]針對復合材料修補金屬結(jié)構(gòu)進行了鹽霧環(huán)境下的疲勞試驗研究，研究表明，腐蝕環(huán)境對復合材料-金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕疲勞性能影響較大。陸峰[43-45]系統(tǒng)地開展了復合材料與合金鋼、鋁合金等金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕疲勞性能、電化學腐蝕特性等研究，同時從復合材料與金屬材料腐蝕的內(nèi)部機理出發(fā)，從表面處理方式、涂層防護、玻璃纖維織物和密封等方面研究了金屬-復材連接結(jié)構(gòu)的腐蝕防護方法。結(jié)果表明，環(huán)氧涂層和玻璃纖維織物的隔離能有效降低腐蝕。在海洋環(huán)境中，復合材料與不同金屬材料采用不同防護方法下試樣的外觀及性能測試結(jié)果見表1和表2[44]。

圖3 四種增強材料的裂紋擴展速率

總體而言，海洋環(huán)境下復合材料與金屬材料的腐蝕防護仍然是工程應(yīng)用的難點，先進增強結(jié)構(gòu)在腐蝕環(huán)境下也將面臨諸多腐蝕問題，直接影響先進增強結(jié)構(gòu)在飛機結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用性能。因此，做好先進增強結(jié)構(gòu)在飛機上應(yīng)用的腐蝕防護研究，對于提高結(jié)構(gòu)防腐蝕性能，加快工程化應(yīng)用程度有重要意義。

表1 復合材料與不同金屬材料在青島團島試驗站試樣外觀及性能測試結(jié)果

表2 復合材料與30CrMnSiA材料在海南萬寧試驗站的暴露試樣外觀及性能測試結(jié)果

2 先進增強結(jié)構(gòu)腐蝕防護研究

通過分析先進增強結(jié)構(gòu)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，腐蝕環(huán)境對先進增強結(jié)構(gòu)性能的影響較大。在工程應(yīng)用過程中，特別是飛機服役于沿海等海洋性氣候的區(qū)域。由于先進增強結(jié)構(gòu)在腐蝕介質(zhì)的作用下未做好密封和防護，致使先進增強結(jié)構(gòu)出現(xiàn)復合材料老化吸潮、復合與金屬結(jié)構(gòu)間膠層老化、內(nèi)部電偶腐蝕引起結(jié)構(gòu)脫膠、金屬結(jié)構(gòu)腐蝕等問題，導致飛機結(jié)構(gòu)出現(xiàn)腐蝕疲勞問題，嚴重影響飛機安全性和可靠性。在充分借鑒國內(nèi)外學者對腐蝕環(huán)境下復合材料-金屬連接結(jié)構(gòu)腐蝕性能的基礎(chǔ)上，開展先進增強結(jié)構(gòu)腐蝕防護工作，需從以下幾方面開展研究：先進增強結(jié)構(gòu)膠接技術(shù)[46-55]、腐蝕防護體系設(shè)計[56-57]、防腐蝕密封設(shè)計[58-60]以及試驗驗證[61-63]等技術(shù)，有助于提高先進增強結(jié)構(gòu)的防腐蝕性能。

2.1 膠接技術(shù)研究

先進增強結(jié)構(gòu)主要由金屬材料與復合材料膠接形成，在航空裝備的疲勞和損傷容限性能主要取決于膠接技術(shù)[48,50]，同時結(jié)構(gòu)膠接好壞與先進增強結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性能也有重要聯(lián)系。如何做好先進增強結(jié)構(gòu)的膠接技術(shù)研究是先進增強結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵。從鄭瑞琪、張恩天[48-49]在膠接性能研究中得到金屬表面處理[62]、膠粘劑類型[49,51]、膠接固化工藝[53,55]等方面對膠接性能有重要影響。首先是表面處理，從硫酸陽極化、鉻酸陽極化、硼硫酸陽極化、磷酸陽極化、溶膠-凝膠表面處理等常用表面處理方法中，優(yōu)選出綜合性能較好的表面處理；其次是膠黏劑，可以從J150、EC2216等液體膠粘劑和FM73等膠膜膠粘劑兩方面考慮，優(yōu)選出一種與表面處理匹配的膠黏劑；最后是膠接固化工藝，需要綜合考慮預浸料和膠黏劑的固化工藝，特別是固化溫度[55]，盡量保持兩種材料固化溫度一致，確保復合材料預浸料和膠粘劑在高溫固化中的性能最優(yōu)。先進增強結(jié)構(gòu)中復合材料預浸料的選用也很關(guān)鍵，確定應(yīng)用部位的結(jié)構(gòu)和受載特點，按照復合材料預浸料類型[55]的力學性能和耐腐蝕性能兩方面著手，從碳纖維預浸料增強帶、硼纖維預浸料增強帶、玻璃纖維預浸料增強帶等材料中，優(yōu)選增強材料。同時可以參照廖圣智[36]的等剛度理論來確定先進增強結(jié)構(gòu)材料類型、復合材料預浸料層數(shù)、復合材料形狀、尺寸等參數(shù)。

2.2 防護體系設(shè)計研究

按照先進增強結(jié)構(gòu)金屬-復合材料結(jié)構(gòu)特點，做好先進增強結(jié)構(gòu)的涂層防護[57]能有效提高結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性能。涂層能有效阻止外界腐蝕介質(zhì)進入涂層內(nèi)部，降低腐蝕介質(zhì)與先進增強結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕的可能性，有效提高結(jié)構(gòu)的防腐蝕性能。針對先進增強結(jié)構(gòu)的復合材料-金屬結(jié)構(gòu)膠接的結(jié)構(gòu)特點，分別做好復合材料和金屬材料涂層優(yōu)選兩部分工作。復合材料涂層可以從防護漆層和防護膠膜兩方面考慮；金屬材料防護涂層結(jié)合國內(nèi)外常用及先進防護漆層，按照涂層防腐性能試驗相關(guān)的國標、國軍標等要求，優(yōu)選出防護性能好且相互兼容的涂層體系。在涂層優(yōu)選的基礎(chǔ)上，考慮先進增強結(jié)構(gòu)在飛機應(yīng)用的結(jié)構(gòu)和環(huán)境特點，開展先進增強結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及環(huán)境適應(yīng)性評估分析。針對結(jié)構(gòu)在飛機應(yīng)用部位的環(huán)境特點，編制環(huán)境譜[64]、研究和驗證先進增強結(jié)構(gòu)環(huán)境適應(yīng)性[65]，最終確定先進增強結(jié)構(gòu)在飛機不同部位的結(jié)構(gòu)形式及涂層體系。

2.3 密封設(shè)計

防腐蝕密封設(shè)計是先進增強結(jié)構(gòu)防護的重要手段，通過對金屬材料-復合材料膠接部位開展防腐蝕密封設(shè)計[56]，能有效阻止腐蝕介質(zhì)進入金屬與復合材料膠接部位，防止腐蝕金屬基體導致的膠層破壞。防腐蝕密封設(shè)計需考慮密封劑選取、密封性能研究和結(jié)構(gòu)密封形式等方面。解決好先進增強結(jié)構(gòu)和密封劑在載荷環(huán)境下變形協(xié)調(diào)的問題是密封選材的關(guān)鍵[59]。開展不同載荷條件下金屬材料和復合材料各自的變形及力學性能，優(yōu)選出同時與金屬材料和復合材料變形匹配的密封材料，從密封材料應(yīng)力應(yīng)變性能、剝離強度性能、兼容性等性能著手，驗證密封劑材料與金屬-復材的匹配性。密封結(jié)構(gòu)設(shè)計對于密封性能影響較大[62]，從密封結(jié)構(gòu)形式[56]、密封尺寸[64]等方面研究先進增強結(jié)構(gòu)的密封結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合先進增強結(jié)構(gòu)的應(yīng)用區(qū)域和環(huán)境特點，可以從浸泡、濕熱、鹽霧、振動等相關(guān)試驗方面驗證先進增強結(jié)構(gòu)密封形式的密封性能。

3 結(jié)語

針對先進增強結(jié)構(gòu)研究國內(nèi)外現(xiàn)狀，分析了先進增強結(jié)構(gòu)金屬-復合材料膠接結(jié)構(gòu)特點，從膠接技術(shù)、防腐蝕密封技術(shù)、腐蝕防護體系設(shè)計、局部環(huán)境譜編制以及試驗驗證等方面開展了先進增強結(jié)構(gòu)的腐蝕防護探索研究。目的在于提高先進增強結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境下防腐蝕能力，加強先進增強結(jié)構(gòu)在航空裝備的工程應(yīng)用?？偠灾龊孟冗M增強結(jié)構(gòu)的新型增強材料、密封材料和防護涂層的研發(fā)和應(yīng)用至關(guān)重要。在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)腐蝕防護體系下，確保自身性能好的同時，提高增強材料自身耐蝕性能是解決腐蝕問題的根本方法，同時研發(fā)新型的密封材料和涂層體系是提高先進增強結(jié)構(gòu)耐蝕性的有效手段。