复合材料夹层结构在航空领域的运用

◎孙锐

在结合实际应用案例的基础上，可明确复合材料夹层结构以及常用芯材的一系列特点与性能。在分析夹层结构芯材成型时可详细了解到其中存在的重点与难点问题，通过确定复合夹层结构性能概况的方式科学改善复合材料夹层结构设计工作，弥补传统设计工作中存在的不足，也可将最为科学的依据提供给复合材料夹层结构，促使其在航空领域中充分发挥自身的价值与作用，推动航空航天事业进一步发展，这也是提升我国经济发展水平以及制造水平的必要条件。

设计人员在实际开展飞机结构设计工作时，始终面对强结构以及高效率这一要求。各类结构在设计过程中都需要满足不失稳这一需求，尤其是在受到拉力、压力以及剪切荷载作用力的情况下结构不会发生改变。在航空领域当中应用复合材料夹层结构是其发展的主要趋势与方向，也是在社会经济不断发展过程中提出的客观要求。现阶段夹层结构在飞机结构设计中使用的范围不断拓宽，这充分说明复合材料夹层结构在航空领域起到的作用与价值。

一、常用芯材的客观分析

1.蜂窝芯材的特性。

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。但在某些情况下如面板出现裂纹和孔隙时，水或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后体积会发生膨胀，将破坏邻近蜂窝孔格的粘接，降低了夹层结构的性能，这时必须对蜂窝材料进行维修。

强度以及比刚度较高，是铝蜂窝这一结构材料的明显特征。剪切载荷较大的部位是铝蜂窝层结构应用的主要位置，一般会利用金属板材作为面板使用。在一定重量条件下，铝蜂窝夹芯材料可以最大限度降低自身厚度。同时这也是其缺陷，在壁厚太薄的影响下，蜂窝表面可能会有严重的局部失稳出现。在同一阶段内使用铝蜂窝以及碳纤维面板时，无法顺利结合两种材料。在膨胀系数方面，上述两种材料具备相当大的差异，所以会导致明显的固化变形问题出现。两种材料之间极易发生电化学腐蚀问题。没有恰当处理电绝缘是导致其出现的主要原因。

2.泡沫芯材的特征。

在隔热以及隔音能力方面，硬质聚氨酯泡沫远远高于其他泡沫，工艺简单、价格便宜是硬质聚氨酯泡沫的明显优势与特征，但是其存在力学性能较差这一缺陷，在机械加工中极其容易出现易碎或者掉渣的问题。已成型的复合材料层压板蒙皮腔体内是注射硬质聚氨酯泡沫的最终位置。在这一过程中不需要加工芯材外形，在结构形成以及工艺方法方面不会涉及到较高的难度，可与多种材料之间有效连接。制造发泡工作在施工现场完成即可，将最大的便利性提供给复杂形状构件的内腔用于填充，但是在发泡性能方面存在极大的不稳定性。这也是引发超重问题的主要原因，其重心分布以及结构刚度会受到较大程度的影响，其范围密度最大可达到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。

二、夹层结构的应用及其成型工艺

1.蜂窝结构。

首先，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。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。

其次，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。

最后，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。

2.泡沫芯材。

首先，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ROHA-CELL71XT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。

其次，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。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。

结语：将复合材料夹层结构典型破坏模式发生的可能性控制在最小范围，是开展夹层结构设计工作的最终目标。在选择面板以及胶黏剂时，必须将设计条件以及受载情况作为依据，进而实现对上述内容的合理选择，这对设计载荷作用下强度以及刚度需求的满足有重要作用。全高度夹层结构主要在高载荷指数情况下使用。如果载荷指数整体较低，则需要结合实际利用夹层板结构。