复合材料夹层结构在航空领域的应用

陈龙辉，付杰斌，王 强，李伟东，陈里根

（中航工业洪都，江西南昌330024）

0 引言

在飞机结构设计中， 高结构效率的要求是设计人员的巨大挑战。 这就要求所设计的板、壁、墙类结构在承受拉、压及剪切载荷的综合作用下不失稳，并尽可能轻、薄。 传统的是用长桁和肋/框组成纵、横向加强件来提高板件稳定性的设计方法， 在飞机结构设计中仍有一定范围的使用。 同时，一些新型结构形式也日益被广泛使用，比如夹层结构。

夹层结构指由两层或多层高强度、 高模量的薄板间加厚度大、 密度小的轻质芯材所组成的不可拆卸的组合结构件。 由于夹层结构具有气动表面光滑、刚度重量比大、抗声振疲劳和抗机械疲劳性好，以及绝热隔声性能优越等特点， 所以在飞机上获得广泛应用。 对于结构高度大的翼面结构，蒙皮壁板（尤其是上翼面壁板）采用蜂窝夹层结构取代加筋板能明显减轻结构重量，对于结构高度小的翼面结构（尤其是操纵面），采用全高度夹层结构代替梁肋式结构能带来明显的减重效果。

1 复合材料夹层结构概述

复合材料夹层结构由上、下一对复合材料面板、夹芯与胶粘剂组成（如图1）。 这五个要素组成了一个整体的夹层结构。 胶粘剂将面板和夹芯胶接成整体，并传递面板和芯子之间的载荷， 面板主要承受面内拉伸、压缩和面内剪切载荷，芯子支承面板承受垂直于面板的压缩应力，并能防止面板发生轴压引起的屈曲。 夹层结构传递载荷的方式类似于工字梁，上下面板主要承受由弯矩引起的面内拉压应力和面内剪应力，而芯材（腹板）主要承受由横向力产生的剪应力。

图1 复合材料夹层结构

复合材料夹层结构具有如下特点： 具有大的弯曲刚度/重量比及弯曲强度/重量比； 具有良好的吸声，隔声和隔热性能；具有大的临界曲屈载荷；对湿热环境敏感，设计时要防潮密封；面板薄时对低能冲击敏感；结构破损后修补较困难。

复合材料夹层结构分为夹层板结构和全高度夹层结构（如图2）。

图2 夹层结构形式

夹层板结构的芯材有一定高度， 形成了可承受结构双向弯矩的整体梁，以承受剪力和弯矩。 主要用于壁板蒙皮等结构。

全高度夹层结构由蒙皮及梁的上、 下缘条传递弯矩， 芯材传递剪力， 蒙皮及梁组成的闭室传递扭矩。 这种受力形式下，全高度夹层结构主要用于翼型高度不高且受载均匀无集中力的结构。 如刚度要求高的飞行器的全高度舵面， 采用全高度夹层结构提高了舵面的弯曲刚度和扭转刚度。

由于层合板的层数减少， 降低了铺层制作成型的工作量，同时因为夹层结构的刚度较高，减少了加筋的数量，这有利于冲击荷载的扩散。 作为孔隙材料芯材可以起到减轻结构的重量，增加结构的刚度，提高结构的强度等作用。

复合材料夹层结构具有高的抗弯刚度和最小的结构重量， 因此被广泛用于刚度要求高的飞行器的全高度舵面、机身、机翼、尾翼壁板等部件。

2 常用芯材及其特性

复合材料夹层结构选用芯材不仅要有足够的强度和刚度，较低的价格和较好的工艺性，还要考虑芯材与复合材料面板间的相互匹配， 包括与面板间的胶接性、电腐蚀性和热应力等。

复合材料夹层结构中的芯材主要有蜂窝和泡沫。 蜂窝主要有芳纶纸纸蜂窝、 玻璃布蜂窝和铝蜂窝。 泡沫主要有硬质聚氨脂泡沫和ROHACELL泡沫。

2.1 蜂窝芯材

蜂窝材料具有各向异性的特点， 蜂窝因为存在开孔结构，不适用一些湿法工艺或树脂注射工艺（如RTM树脂传递模塑）。

铝蜂窝或芳纶纸蜂窝具有压缩模量高和重量轻的优点，它们是飞机结构上广泛使用的夹芯材料。 但在某些情况下如果面板出现裂纹和孔隙时， 水和水汽就很容易进入蜂窝，温度下降后，进入蜂窝孔中的水被冰冻以后会发生膨胀， 将破坏邻近的蜂窝孔格的粘接，降低了夹层结构的性能，这时必须对蜂窝材料进行维修。

铝蜂窝是一种比强度、比刚度较高的结构材料，同时价格也比较便宜。 铝蜂窝夹芯材料在一定的重量条件下，可以做得很薄。 然而，这种壁厚太薄可能会导致蜂窝表面（尤其是蜂窝孔隙较大的位置）发生局部失稳。 铝蜂窝夹层结构一般应用在剪切载荷较大的部位，其面板通常采用金属板材。 因为铝蜂窝和碳纤维面板一同使用时， 刚性的铝蜂窝与刚性的复合材料面板胶接时难以配合， 且两种材料的热膨胀系数差别较大，导致的固化变形也较为明显，而且如果两种材料之间的电绝缘处理不当就容易发生电化腐蚀。

铝蜂窝芯材分为三类，Ⅰ类：由LF21或LF2铝箔制成，在-55℃～80℃长期使用；Ⅱ类：由LF2铝箔制成，在-55℃～175℃长期使用； Ⅲ类： 由LY12铝箔制成，在-55℃～220℃长期使用。

玻璃布蜂窝是用玻璃布制成蜂窝浸渍胶液固化而成的。 玻璃布蜂窝夹层结构具有重量轻、强度高、刚性大、电性能优良、隔声隔热、工艺简单、能成形较复杂的零件等优点，目前应用较为成熟。 由于有优良的绝缘性和透电磁波性能， 其在微波通信中也获得广泛应用，而价格与芳纶蜂窝相比要便宜。 该种材料在某型号教练机背鳍上有应用。

芳纶纸蜂窝又称NOMEX蜂窝， 采用芳纶纸浸润酚醛树脂制成。 芳纶纸蜂窝和铝蜂窝相比，抗局部失稳的能力强得多， 因为芳纶纸蜂窝的蜂窝壁可以做得相对厚一些。 另外，因为芳纶纸材料不导电，不存在接触电化腐蚀的问题。 芳纶纸蜂窝还能够满足FST（烟雾毒性）要求。

芳纶纸蜂窝夹芯在业内应用广泛， 通常与碳/玻璃纤维预浸料一起使用，应用经验丰富，成本适中，芳纶纸蜂窝强度比铝蜂窝略低， 但它有良好的韧性和抗损伤能力，重量较轻，有足够高的压缩强度、剪切强度和良好的疲劳强度，有各向异性的特点；有大的弯曲刚度/重量比及弯曲强度/重量比；有良好的吸声、隔声和隔热性能；与复合材料粘接和组装时容易协调，并且没有腐蚀问题。 常用于舵面等翼型比较薄的地方，采用全高度蜂窝结构将使得舵面刚度好、重量轻， 而且全高度蜂窝结构具有耐冲击性能好的特点，弥补了复合材料抗冲击性能差的缺点。

芳纶纸蜂窝芯材的缺点是制造曲板较困难，蜂窝与型面贴合较难，需铣切加工，但蜂窝较软，不易装夹，加工困难；蜂窝为开孔结构，蜂窝内易囤积水等液体，蜂窝与内、外玻璃钢面板胶接成形后，不易排除，在高空低温环境下结冰，易涨破面板，造成面板脱胶，从而破坏壁板蒙皮结构；另外，蜂窝结构在使用过程中，会因为面板破坏，发生渗水问题。 蜂窝与壁板胶接面较小， 蜂窝内需预浸一定厚度的胶粘剂，才能保证胶接强度，蜂窝内预浸的胶粘剂的厚度不容易控制，因此，胶接件重量难以精确控制，这是芳纶纸蜂窝夹芯结构超重的主要因素之一。

2.2 泡沫芯材

硬质聚氨酯泡沫与其他泡沫相比， 有较好地隔热及隔音的能力，且成形工艺简单，价格便宜，但其力学性能并不突出，且机械加工过程中易碎或掉渣。硬质聚氨脂泡沫注射填充在已成型的复合材料层压板蒙皮腔体内，不用加工芯材外形，结构形式、工艺方法简单，与多种材料粘接性好，能够在现场发泡制造，便于填充复杂形状构件的内腔；但发泡性能不稳定，注射填充时泡沫芯材密度不易控制，结构容易超重，影响结构的重心分布和结构刚度，其密度范围为80 Kg/m3-100Kg/m3。

在相同密度下，ROHACELL泡沫是强度和刚度最高的泡沫材料。 ROHACELL泡沫板为各向同性材料，横向、纵向和法向都有较高的剪切模量，横向、法向变形小；其闭孔结构具有良好的抗吸湿性，不易受潮和进水，减少了在使用过程中的维修费用；其树脂吸收率低， 一定程度上减少了面板和芯材之间的树脂量，有利于控制夹层结构重量；ROHACELL泡沫板固化时， 该中泡沫与壁板胶接面大， 胶粘剂厚度均匀，可提高胶接强度。

除了良好的力学性能外，ROHACELL泡沫优点还有：密度较小，良好的隔热和隔音性能，良好的抗冲击损伤性能及施工简便性， 具有良好的热稳定性，耐化学性能，尤其低温情况下还具有很低的导热系数。

ROHACELL泡沫在进行适当的高温处理后，也能承受高温的复合材料固化工艺要求，这样使得ROHACELL泡沫在航空领域得到了广泛的应用。 此外，该种泡沫材料还能满足通常的预浸料固化工艺的蠕变性能要求以及FST（烟雾毒性）要求。 ROHACELL泡沫可以通过热成形或者数控加工得到复杂的3D泡沫芯材，得到的ROHACELL泡沫芯材适合于各种复合材料成型工艺，例如模压成型、热压罐和液体成型技术等。

ROHACELL泡沫高温下耐蠕变性能使得该泡沫能够适用高温固化的树脂和预浸料， 可以与环氧树脂或BMI树脂实现共固化工艺， 制造夹层结构构件。ROHACELL泡沫和芳纶纸蜂窝夹层结构均能实现共固化， 但是芳纶纸蜂窝夹层结构会降低复合材料面板的强度， 为了避免在共固化过程中蜂窝发生芯材压溃或侧移， 通常采用的固化压力为0.28MPa-0.35MPa，而不是层压板通常采用的0.69MPa，这样会导致复合材料面板的孔隙率偏高。 另外，因为蜂窝结构的孔隙直径较大， 只在蜂窝壁位置才对蒙皮有支撑，这样会导致蒙皮纤维产生弯曲，导致复合材料蒙皮层合板的强度降低。ROHACELL泡沫在夹层结构的共固化工艺过程中作为芯模，借助于良好的耐压缩蠕变性能，可显著提高复合材料蒙皮层合板的强度。

除了用于常见的全高度夹层结构、 夹层结构蒙皮以外， 还可以使用ROHACELL泡沫材料作为筋条结构的填充芯材。

为更直观地对比各种芯材的力学性能， 现选取几种常用的芯材对其性能数据进行对比，如表1。

表1 常用芯材性能数据对比

3 夹层结构的应用及其成型工艺

目前， 复合材料夹层结构在航空领域中应用日益广泛。 其中典型的夹层结构有机翼前缘、方向舵、起落架舱门、翼身和翼尖整流罩等。

3.1 蜂窝结构

在航空领域， 芳纶纸蜂窝的结构常用于机翼前缘、尾翼、起落架舱门和其它各种舱门和整流罩。 某型教练机全动平尾采用了单臂梁全高度双曲面芳纶纸蜂窝复合材料夹层结构（如图3）。

图3 全高度蜂窝夹层结构全动平尾

该平尾采用二次胶接成型工艺：上、下蒙皮等各零件单独固化；金属转轴与复合材料梁共固化成型；然后采用二次胶接技术将转轴梁、蜂窝、根肋、端肋、前缘条、后缘条等结构进行发泡预胶接，再将上、下蒙皮与其进行二次胶接成型。

全高度双曲面芳纶纸蜂窝，型面复杂，下陷多，胶接面积大， 而胶接面之间的贴合度影响到胶接质量。 因此蜂窝加工质量直接影响到平尾的气动外形的好坏。 采用普通的方法进行加工无法满足要求，故需要精确的蜂窝加工技术，需要在更精确的5坐标数控铣床上进行数控加工。

为协调检查各组件间的配合情况， 让壁板与蜂窝贴合的很好， 工艺上采用校验膜进行模拟胶接状态的协调检查。 在胶接前采取校验膜，根据校验膜上的蜂窝印痕找到不贴合的区域， 在不贴合的区域增加胶膜或局部修锉蜂窝来解决不贴合问题， 力求胶接面的配合满足胶接工艺要求。

施加外压有利于翼盒产品的胶接质量， 但蜂窝承压能力有限， 长时间的抽真空， 蜂格内的空气抽尽，蜂格易变形，过大的压力会将蜂窝压塌。 考虑到蜂窝承受不了大的压力，将其周边限位，使蜂窝在抽真空负压情况下不会压塌； 蜂窝铣切公差完全取正差（0mm～+0.3mm），弥补蜂窝加温产生的收缩；采取在真空检查合格后， 在升温到胶膜软化的一个温度点，抽真空排除气泡后，停抽真空，加外压0.2MPa～0.3MPa胶接。

3.2 泡沫芯材

某飞机上蒙皮整体壁板采用泡沫夹层结构，夹层结构蒙皮由上下两块整体碳纤维蒙皮和中间12块不同规格大小泡沫夹芯组成， 零件外形呈双曲面结构， 上 下 蒙 皮 厚2mm， 中 间 用8mm 厚 的ROHACELL71XT泡沫板加SY-14A组合胶接而成。

碳纤维蒙皮采用T700SC/NY9200GB碳纤维单向预浸料和EW100A/NY9200GB玻璃布预浸料；泡沫芯为8mm厚ROHACELL71XT泡沫板；胶粘剂为SY-14A胶膜。

按照泡沫板数模的几何尺寸对不同规格尺寸的泡沫板进行下料，周边放余量，将下好料的泡沫板按照图样尺寸位置在成型模上进行热加温校形， 成型完成后在泡沫板的周边参照数模尺寸进行加工。

在壁板的成型模凹模上按照图样要求铺贴外蒙皮， 每一层单向预浸料铺层角度方向偏差需要控制在一定范围内， 铺贴完后在模具上组装气密进热压罐加温固化成型。

对外蒙皮表面用丙酮清理3-4遍；在蒙皮粘接泡沫板的位置铺贴一层SY-14A胶膜并进烘箱加温，排除胶膜在加温过程中产生的气泡。

将成形好的泡沫板按照图样要求在外蒙皮上进行粘接， 在泡沫板上表面铺贴SY-14A胶膜并进烘箱加温，同样排除胶膜在加温过程中产生的气泡。

按照图样要求铺贴内蒙皮， 组装气密时将Airpad橡胶软模盖上整体壁板进热压罐进行加温固化成型。

某无人机机身壁板采用常温复合材料ROHACELL泡沫夹层结构（如图4）。 内外面板为常温玻璃钢， 泡沫夹芯为ROHACELL 闭孔泡沫。 将ROHACELL泡沫加温成形，加温前先烘干，由加温箱取出的泡沫板放在模具上成形。

在阴模上按照图样铺层方向铺贴外蒙皮， 将加温并修配好的泡沫板按照图样在外蒙皮上进行粘接，继续在泡沫板上铺贴内蒙皮，采用抽真空固化，真空度不低于-0.092MPa，零件含胶量控制在40%－45%。

图4 Rohacell泡沫夹层结构壁板

某无人机舵面是聚氨酯泡沫填充结构（如图5），面板为EW100A/J-4，固化后单层厚度0.15mm。 蒙皮和端肋胶接形成内腔之后， 灌注聚氨酯泡沫塑料。要求聚氨酯泡沫密度控制在8kKg/m3-100kg/m3， 充满内腔， 与蒙皮牢固结合， 发泡后蒙皮外形需符合设计要求。

图5 全高度泡沫夹层结构舵面

聚氨酯泡沫允许采用厚的ROHACELL 31A泡沫板机械加工成型面，加工后在泡沫型面上铺叠蒙皮。为保证蒙皮外形符合气动要求，应使表面光滑，可在外表面用工艺蒙皮或其他方法来保证型面， 后抽真空固化成形。

4 结语

夹层结构的设计应能防止复合材料夹层结构典型破坏模式的发生， 然后再根据设计条件和受载情况合理选择面板、芯子和胶粘剂，以满足设计载荷作用下的强度、刚度要求。 在高载荷指数情况下常采用全高度夹层结构， 在低载荷指数情况下常采用夹层板结构。

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