基于自然环境的民机复合材料结构设计技术

刘杰

(中航沈阳民用飞机有限责任公司,辽宁沈阳 110000)

基于自然环境的民机复合材料结构设计技术

刘杰

(中航沈阳民用飞机有限责任公司,辽宁沈阳 110000)

本文针对民用飞机碳纤维复合材料结构,梳理了其工作的各种自然环境条件(如腐蚀介质、侵蚀介质、高/低温、湿度、电磁环境、静电等不同环境)对复合材料结构的可能影响。并基于先进民机工程应用经验,从民用飞机强度、刚度、耐久性等设计原则的角度,针对不同的自然环境提供了不同的复合材料结构设计解决方案。

腐蚀 侵蚀 温度 表面防护 电磁防护

由于碳纤维复合材料(以下简称复合材料)与常规金属材料相比，具有比强度高、比模量高、疲劳性能优异等性能，因此现代先进民机的复合材料用量大幅提高。民用飞机复合材料结构的工程应用中，考虑复合材料受各种自然环境的影响，其结构设计技术也错综复杂。由于冲击损伤的影响更多地依赖于试验研究，所以本文暂不论述冰雹冲击等类似的环境影响，仅从腐蚀、侵蚀、液体、高温、闪电及电磁干扰等自然环境影响的角度，探究复合材料结构研究强度、刚度、耐久性下降等问题。本文基于先进民机研制经验，考虑不同自然环境的影响，有针对性地梳理出相应的复合材料环境设计解决方案。

1 电偶腐蚀与解决方案

复合材料结构常常处于老化环境中，包括湿热环境、腐蚀性液体(燃油、液压油、防冻液等)、复合材料结构与异电位材料直接连接时将会导致电偶腐蚀，因此复合材料零件选用紧固件和安装时需要关注电偶腐蚀问题。一般地，碳纤维和不锈钢(没有进行钝化处理的400系列不锈钢除外)、钛合金、铜合金等电位差异很小，而与普通的合金钢、铝合金、镉等电位差异较大。为了防止电偶腐蚀，对电位差很大的不同种类的材料接触处要进行相应的结构保护。可以参照以下设计解决方案。

(1)铝合金和碳纤维复合材料连接处需要彻底隔离并进行密封隔离，比如，在接合面处铺覆一层玻璃布，并延伸至复合材料件外至少25mm。(2)在选择与复合材料结构相连接的接头材料时，宜选择钛合金而不是铝合金材料。

2 侵蚀与解决方案

紫外线辐射、风化、砂蚀、雨水等侵蚀会使复合材料性能下降或退化。而紫外线辐射引起的损伤是非常缓慢的过程，只要表面涂层系统完好，可以不计及此类损伤。复合材料结构的迎风面容易受到砂蚀、雨水和风的侵蚀，需要特别注意气流对构件造成的分层威胁。可参照如下设计解决方案进行设计：

(1)应避免迎气流方向存在正阶差。(2)常采用特殊的包覆层对边缘包覆后再用密封剂对气动外形区域进行光顺处理。(3)需要在易受侵蚀区域涂覆Teflon涂层或者应用防磨带板。

3 液体暴露与解决方案

复合材料结构如长期暴漏在液体，如燃油、除冰液、液压油等液体环境下会导致结构吸湿，从而引起复合材料分层，继而导致复合材料结构强度/刚度/耐久性下降。民用飞机适航当局发布的咨询通告AC20-107B§“6材料和制造研发”中特别要求“结构使用的所有复合材料和工艺，通过足够的试制和试验以证明设计具有生产可重复性和可靠性”“，要求考虑到复合材料和工艺规范所允许的性能变化(如环境和偏差影响)”。民用飞机的环境常分为几个典型区域：不易腐蚀区、轻微腐蚀区、严重腐蚀区。对于长期暴露在液体环境下的复合材料结构，应根据不同的环境分区采取不同的表面处理。表面防护应依据不同的环境区域选择不同的表面处理材料、不同的表面处理工艺，表面处理要求和紧固件选择与安装等也相应地不同。

(1)喷漆前对复合材料结构进行专门的表面制备，再涂覆底漆和面漆。(2)复合材料结构要求对搬运、运输或安装过程中产生的损伤要有充分的防范措施。如采用防划底漆。(3)当不可卸紧固件连接复合材料构件时，一般要求紧固件用密封剂或者底漆湿安装。(4)复合材料结构件加工或者修剪后的截面一般可通过涂覆兼容性树脂的方式保护，避免分层。(5)外表面一般为气动面，可采用针孔表面膜填充，再涂覆底漆、面漆。(6)除油箱以外的内表面，可以铺覆Tedlar起到防水作用，也可以采用针孔表面膜填充后再涂覆底漆、面漆。(7)对于复合材料油箱，内部应涂覆防潮防菌清漆。(8)考虑纸蜂窝易吸潮的缺点，尽量避免使用纸蜂窝。如无法避免采用纸蜂窝时，防水保护措施是需要特别注意的。根据环境分区的不同，采取的防水措施略有差异。(9)液体容易聚集的区域，应采用先进的排水设计：1)布置合理数量的排水孔。排水孔数量一般遵照整机排水要求，同时要注意使得在复合材料件上开孔对纤维造成的切断尽量减少。2)合适的排水孔或通道尺寸。通常地，排水孔最小直径为9.5mm。排水通道都应具有至少0.6mm2的横截面积以及大于5mm的尺寸。复合材料T型长桁立边或者Ω型长桁侧边需要开排水孔时，注意排水孔和底边之间要留有安全距离的材料。3)合理的排水路径并满足尽量短的原则。如，在结构的最低点经常开设排水孔(如，非增压区)、布置排水阀(如，增压区)、设置通畅的排水/液通道、排水/液管路等。排水/液通道设置时，要确保排出的液体，不可以回流或倒吸，也不可弥漫到复合材料制件上。排水效率一般通过试验证实。4)结构件连接时尽量避免在复合材料结构件上制盲孔。5)复合材料铺层过渡区尽量避免产生凹槽、甚至是尖角，避免结构连接处产生有害的缝隙。所有可能积液的空腔或沟槽都应用化合物填平，以让液体通过最近的排放孔排出，但不应堵住通道。而且，为了避免增加不必要的重量，所设置的排水路径要确保使用的填平化合物最少。

4 温度影响和设计考虑

通常地，飞机结构正常使用温度为-50℃～+70℃。由于复合材料树脂受温度变化的影响很大，常常导致复合材料机械性能发生严重变化。更需要特别注意的是，CFRP和不同膨胀系数的材料连接时，受温度变化的影响，被连接的两个结构件均会产生温度应力。据空客的使用经验，在初步设计中，建议在关键的复合材料和金属混杂连接部位，考虑温度影响时，需提高5%的疲劳分散系数(如能采取释放温度应力的措施的除外)。全尺寸静力试验可以在临界工作温度下，并考虑整个飞机结构寿命期间所吸收水分影响的载荷系数来完成。在疲劳试验中考虑平均湿度和室温下进行，在损伤容限试验中，不同试验阶段分别考虑平均湿度和平均温度或最大湿度和最大温度。对高温区，民用飞机适航规章要求防火和/或耐火。因此，在选择树脂时，需要重点考虑材料的使用温度。

5 电磁干扰与电磁防护

复合材料结构自身电传导特性差，尤其在雷击情况下，如无任何附加的传导措施，复合材料结构会导致击穿性破坏。常见的电荷来源有闪电、HIRF(高强度辐射场)、静电等。应根据飞机部件所在的雷击分区和HIRF分区，采取相应的防护措施。电磁防护设计思路大致有隔离设计以及传导设计两种。为了有效避免电荷对结构或者系统造成损害，需要电搭

接保证结构的电连续性，提供一个低阻抗的电通道，并尽量保证电荷在飞机的外表面。为了保证传导效率，除了按照通用的设计方法外，型号设计中常采取以下措施：

(1)首先应该合理利用现有的金属结构形成导电通路，使得传导路径最短，且保证金属件的横截面积足够大，从而避免增加重量。如机翼金属翼梁缘条可以作为分流条。(2)一般根据不同的雷击分区环境，独立或混合使用以下常见防护措施：外表面铺覆金属网(铜网、铝网等);金属分流条;紧固件传导或放电刷。注释：目前先进民用飞机不采用表面火焰喷涂铝技术，主要由于喷涂层厚度不易控制等因素限制。(3)选用合理的金属网厚度与单位重量，避免传导效率不足或重量增加。(4)对于复合材料活动构件一般存在一定间隙。应在活动构件之间采用实现电荷的传导。通常，每个操纵面至少有一个跳线。跳线应尽量短。特别注意的是，在复合材料油箱内部，应注意不能使用搭接线。(5)细节设计时注意避免结构急剧的弯曲和尖角。(6)导电效率一般需要通过试验证实，必要时，适航当局会提出目击试验过程。(7)复合材料外翼油箱结构，紧固件采用轻微干涉配合，对防雷击是有效的。(8)对于电荷可能导致的可燃性气体点火的区域，应重点考虑隔离设计措施。

6 结语

在民用飞机复合材料结构设计中，只有充分考虑复合材料结构

在各种自然环境中的影响，对不同环境进行正确判断，并运用本文提出的经过使用经验表明或经试验验证合理的设计技术，才能克服复合材料的缺点，充分发挥复合材料的优势。

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