祝景萍 劉望子 江 躍

（昌河飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，景德鎮(zhèn) 333002）

0 引言

隨著直升機的發(fā)展，復(fù)合材料也在直升機上占據(jù)了越來越重要的位置。大量通信、導(dǎo)航設(shè)備加裝在復(fù)合材料零部件上，對零部件與設(shè)備連接通路的導(dǎo)電性提出了較高的要求。復(fù)合材料導(dǎo)電的方式很多，尤其是復(fù)合導(dǎo)電高分子材料［1-2］，甚至是納米級別［3］的導(dǎo)電復(fù)合材料的應(yīng)用，但考慮到強度、結(jié)構(gòu)、工藝及批產(chǎn)等因素，目前直升機復(fù)合材料的通用導(dǎo)電模式還是采用銅網(wǎng)+設(shè)備接口銅條/銅片的方式。按照傳統(tǒng)經(jīng)驗生產(chǎn)的直升機碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)電阻值一般≥50 mΩ，對新型、高精度的通信和導(dǎo)航設(shè)備性能帶來很大的影響。本文通過介紹某型號直升機復(fù)合材料尾梁導(dǎo)電結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進工藝過程，詳細闡述了影響直升機碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)因素及相應(yīng)的改進方法。

1 直升機復(fù)合材料尾梁導(dǎo)電要求及現(xiàn)狀

參照直升機的通用導(dǎo)電結(jié)構(gòu)設(shè)計，某直升機尾梁的電阻值應(yīng)滿足表1的要求。但在實際測量中發(fā)現(xiàn)，5架機（NO.1～NO.5）的電阻值都無法滿足要求。電阻實測值如表1所示。從表1可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的直升機復(fù)合材料尾梁導(dǎo)電效果不佳，急需進行工藝優(yōu)化、改進。另外，從圖1和表1中可以發(fā)現(xiàn)，所有測量距離與電阻值之間并沒有線性關(guān)系［4］，也不符合客觀規(guī)律。

表1 直升機尾梁導(dǎo)電要求及實測值1）Tab.1 Conductive requirements and measured data of helicopter tail beam

2 直升機復(fù)合材料尾梁導(dǎo)電結(jié)構(gòu)分析

針對直升機復(fù)合材料尾梁導(dǎo)電結(jié)構(gòu)進行分析，復(fù)合材料尾梁是通過碳纖維復(fù)合材料［5］表面的銅片-銅網(wǎng)-鉚釘-機加框-機身形成了導(dǎo)電通路，具體如圖1所示。

圖1 直升機尾梁導(dǎo)電通路圖Fig.1 Conductive path map of helicopter tail beam

復(fù)合材料尾梁導(dǎo)電效果不佳的原因可能如下。（1）設(shè)備接口銅片-銅網(wǎng)之間的連接問題。在直升機尾梁中，預(yù)埋的設(shè)備接口銅片與銅網(wǎng)之間直接接觸，沒有任何機械連接的方式。在直升機尾梁采用熱壓罐成型技術(shù)制造的時候，尾梁會受到3個標準大氣壓的壓力，復(fù)合材料預(yù)浸料所包含的膠液會在高溫（180 ℃左右）和壓力的雙重作用下產(chǎn)生隨機的流動，進一步滲入設(shè)備接口銅片-銅網(wǎng)的接觸面，形成局部或全面的膠液隔離層。眾所周知，純環(huán)氧樹脂屬于高分子絕緣材料［6］，從而產(chǎn)生導(dǎo)電效果差的問題。實際上，返修的3 架機（NO.1～NO.3）也證明了這個情況。（2）銅網(wǎng)自身的原因。某型號復(fù)合材料尾梁長達4 m，為了便于操作，施工時往往將其分成數(shù)段搭接而成。在搭接的位置，同樣存在膠液滲入銅網(wǎng)-銅網(wǎng)的接觸面，形成局部或全面的膠液絕緣層的問題。（3）銅網(wǎng)-鉚釘之間的連接問題。如果鉚接金屬連接框的金屬鉚釘全部落在了銅網(wǎng)的孔格之間而不是落在通網(wǎng)上，那么銅網(wǎng)-鉚釘之間的導(dǎo)電就主要依靠碳纖維-銅網(wǎng)傳導(dǎo)完成。碳纖維雖然導(dǎo)電，但其導(dǎo)電性能明顯弱于銅網(wǎng)，對尾梁的電阻會產(chǎn)生極大的影響。

考慮到鉚接金屬連接框的金屬鉚釘很多，第三類因素的極端情況發(fā)生的概率很低，因此，主要針對（1）、（2）類因素進行優(yōu)化、改進。

3 工藝優(yōu)化

3.1 工藝優(yōu)化方案

表2 復(fù)合材料尾梁導(dǎo)電備選方案Tab.2 Conductive alternative projects of composite tail beam

針對尾梁自身設(shè)備接口銅片-銅網(wǎng)之間的連接問題，主要是采取有效的工藝方法，阻止設(shè)備接口銅片-銅網(wǎng)的接觸面局部或全面的膠液絕緣層的形成。從上述機理出發(fā)，引伸出兩個改進方向:（1）在銅片周圍放置一圈干玻璃布吸膠，阻止膠液的滲入；（2）在設(shè)備接口銅片-銅網(wǎng)之間采取導(dǎo)電連接，形成導(dǎo)電界面。經(jīng)多方調(diào)查，發(fā)現(xiàn)可手工操作的、方便在復(fù)合材料特定的環(huán)境中實施的導(dǎo)電連接只有采用手工焊接［7］。因此，形成的工藝優(yōu)化方案見表2。為從表2中挑選出最佳工藝方案，需開展相應(yīng)的工藝驗證。

3.2 縮比工藝驗證

根據(jù)表2的工藝優(yōu)化方案，投入工藝試驗件進行驗證。為節(jié)約物料，按照實物與試樣比例4∶1進行縮比試驗，如圖2所示。將縮比驗證的試樣進行電阻值測量，具體結(jié)果如表3所示。

圖2 導(dǎo)電工藝方案縮比試驗Fig.2 Shrinkage test of conductive projects

從表3可以發(fā)現(xiàn):（1）在導(dǎo)電銅片周圍放一圈干玻璃布并不能夠起到阻止膠液滲入導(dǎo)電界面的作用，且易造成結(jié)構(gòu)分層的潛在問題；（2）除焊接對導(dǎo)電性能有明顯的提高外，其余的導(dǎo)電連接方式對導(dǎo)電性能幾乎沒有影響；（3）長度連續(xù)的銅網(wǎng)，其導(dǎo)電性能比不連續(xù)的銅網(wǎng)效果超出了50%以上。

表3 直升機尾梁縮比驗證結(jié)果Tab.3 Shrinkage verification results of helicopter tail beam

3.3 全尺寸模擬驗證

結(jié)合縮比驗證的結(jié)論，選取影響導(dǎo)電效果的結(jié)構(gòu)部分，按照方案b-5 完成了尾梁模擬工藝件，模擬件在導(dǎo)電結(jié)構(gòu)上與尾梁完全一致，簡化了與尾梁導(dǎo)電性能無關(guān)的部分，如外形及復(fù)合材料的鋪層結(jié)構(gòu)。如圖3所示。

圖3 尾梁全尺寸模擬試驗件Fig.3 Full size simulation sample of tail beam

對不同部位和距離的設(shè)備接口銅片-銅網(wǎng)之間的電阻進行測量，測量圖見圖4。結(jié)合圖4，測量不同位置上導(dǎo)電通路的電阻情況，測量結(jié)果見表4。

圖4 尾梁全尺寸試驗件電阻測量位置圖Fig.4 Resistance measurement locations of full size tail beam sample

表4 尾梁全尺寸試驗件電阻測量結(jié)果Tab.4 Resistance measurement results of full size tail beam sample

從表4可以看出，隨著導(dǎo)電通路的長度變化，其電阻值逐漸增加。電阻的增長并不嚴格按照線性關(guān)系增加，但卻是按照線性關(guān)系的趨勢在增加，具體如圖5所示，且仍難以滿足表1直升機尾梁導(dǎo)電技術(shù)要求。從尾梁全尺寸試驗件可以發(fā)現(xiàn)，采用手工焊接技術(shù)是一個提升尾梁導(dǎo)電結(jié)構(gòu)導(dǎo)電性的方法，且電阻穩(wěn)定、變化小，但仍然需要進一步優(yōu)化工藝，降低電阻值。

圖5 尾梁全尺寸試驗件電阻測量結(jié)果Fig.5 Resistance measurement results of full size tail beam sample

3.4 焊接工藝優(yōu)化

經(jīng)專業(yè)分析后發(fā)現(xiàn)，降低復(fù)合材料尾梁基體材料-銅網(wǎng)與基體上預(yù)埋的連接設(shè)備接口銅片之間的導(dǎo)電電阻，是提升復(fù)合材料尾梁導(dǎo)電結(jié)構(gòu)電阻性能的關(guān)鍵。因此，需要對焊接工藝進行攻關(guān)，如何減少焊接材料的堆積，降低銅網(wǎng)-銅片之間焊料的厚度成為攻關(guān)的重點。對多次手工焊接試驗件的導(dǎo)電率及焊接材料厚度進行測試，發(fā)現(xiàn)焊接材料厚度越厚的試樣導(dǎo)電率越低。一般來講，當技術(shù)文件沒有明確要求的時候，通常是采用手工方式進行焊接，手工進行焊接時焊層材料的厚度大約為0.8 mm。這種焊接質(zhì)量以及焊層的材料厚度完全不能滿足直升機復(fù)合材料尾梁導(dǎo)電結(jié)構(gòu)制造的要求。

通過查閱資料可知，通過采用表面處理的方式，可有效地提升手工焊接質(zhì)量。經(jīng)工藝試驗發(fā)現(xiàn)，對銅片進行鍍層預(yù)處理，可以得到一個良好的預(yù)處理界面，如圖6所示。在后續(xù)手工焊接的工序中，預(yù)處理層表面更容易擴散，進一步形成光滑的、均勻的預(yù)處理焊接層。不僅可以大大減少焊料的使用量，更達到了控制銅網(wǎng)-銅片之間焊料厚度的效果。經(jīng)測試，采用預(yù)處理過的銅片，在后續(xù)焊接時，焊層材料厚度可以從0.8降低至0.2 mm，且導(dǎo)電能力得到了很大的提升。預(yù)處理工藝優(yōu)化前后焊接對比效果如圖7所示。

圖6 銅片預(yù)處理效果Fig.6 Pretreatment effect of copper

圖7 預(yù)處理工藝優(yōu)化前后Fig.7 Before and after pretreatment process

3.5 裝機件驗證

結(jié)合生產(chǎn)實際情況，將尾梁導(dǎo)電結(jié)構(gòu)改進工藝應(yīng)用在了裝機件上。實施后，按照圖4對裝機件的電阻進行了測量，測量結(jié)果如表5所示。

表5 尾梁裝機件電阻測量結(jié)果Tab.5 Resistance measurement results of tail beam on helicopter

4 結(jié)論

經(jīng)過多次驗證并裝機驗證發(fā)現(xiàn)，直升機復(fù)合材料尾梁導(dǎo)電材料需連續(xù)，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)長度與電阻具有線性關(guān)系且可以通過對設(shè)備接口進行預(yù)處理的方式提升直升機復(fù)合材料尾梁的電導(dǎo)率，具體如下:（1）在導(dǎo)電方向上應(yīng)連續(xù)鋪放銅網(wǎng)，以保證導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的連續(xù)性；（2）在與其部位的部件導(dǎo)電連接時，用于連接的銅片需要進行預(yù)處理，再與銅網(wǎng)進行錫焊連接，可以獲得效果穩(wěn)定的導(dǎo)電界面；（3）導(dǎo)電效果與導(dǎo)電通路的長度和預(yù)處理質(zhì)量相關(guān)，基本屬于線性關(guān)系。