碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料日漸廣泛地運(yùn)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)中.docx

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料日漸廣泛地運(yùn)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)中。復(fù)合材料地引入很大程度地提高了飛機(jī)地整體性，但由于檢查、拆裝、維護(hù)地需要以及工藝地限制、結(jié)構(gòu)和工藝分離面仍是不可避免地。和金屬件一樣，復(fù)合材料各零部件間也要通過(guò)連接而成為一個(gè)整體。 復(fù)合材料地連接方式有粘結(jié)、機(jī)械連接和混合連接三種。機(jī)械連接由于具有可靠性高，便于重復(fù)拆裝，并對(duì)環(huán)境和疲勞影響不敏感等特點(diǎn)，而成為一種最常用方式，如F-16垂尾、F-18機(jī)翼、AV-8B機(jī)翼和前機(jī)身、B-1水平安定面等的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，均采用了以機(jī)械連接為主的連接方式，其中AV-8機(jī)翼上有3000個(gè)緊固件，前機(jī)身有2450個(gè)緊固件用于復(fù)合材料的連接。 由于復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特點(diǎn)，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)機(jī)械連接與金屬結(jié)構(gòu)的機(jī)械連接有極大的不同，主要表現(xiàn)在下面四個(gè)方面： .碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件裝配前鉆孔困難，刀具磨損快，孔的出口端易產(chǎn)生分成； .用于碳纖維復(fù)合材料連接的緊固件易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，需采取防腐措施；.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在實(shí)施機(jī)械連接過(guò)程中易產(chǎn)生損傷，因此緊固件的機(jī)構(gòu)和裝配方法不同于金屬； .復(fù)合材料接頭的強(qiáng)度不僅與接頭尺寸有關(guān)，還受其他多種因素的影響。 這些特點(diǎn)大大增加了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接的復(fù)雜性。二、碳纖維復(fù)合材料的制孔工藝 復(fù)合材料層壓板的主要弱點(diǎn)之一是層間剪切強(qiáng)度低，因此鉆孔時(shí)的軸向力易引起層間分離和出口端的分層，另一個(gè)文題是碳纖維對(duì)刀具的磨損嚴(yán)重，刀具使用壽命短。此外，能導(dǎo)電的碳粉塵會(huì)引起電器設(shè)備的短路。為了解決這些問(wèn)題，常采取下列措施。 1.改進(jìn)刀具材質(zhì) 碳纖維的硬度是HRC5365,相當(dāng)于高速鋼的硬度，所以用高速鋼鉆頭碳纖維復(fù)合材料磨損很快，通常只能鉆幾個(gè)孔，必須選用硬質(zhì)和金作刀具材料，國(guó)產(chǎn)Y330硬質(zhì)合金的約HRC90,抗彎強(qiáng)度約2000MPa,試驗(yàn)證明比較適于制作復(fù)合材料鉆孔刀具。在鋼基體上電鍍一層人造金鋼砂可進(jìn)一步提高鉆頭的使用壽命，也是一種常采用的措施。 2.改進(jìn)鉆頭的幾何參數(shù)和鉆頭形式 研究表明，鉆孔時(shí)作用在層壓板上的軸向進(jìn)給力越大，作用在中間層上的拉伸力越大，產(chǎn)生分層性的可能也就越大，而鉆頭幾何參數(shù)和形式都會(huì)影響軸向進(jìn)給力，實(shí)踐證明，鉆頭采用100?120的頂角，15?25的后角，25?30的旋轉(zhuǎn)角，0.9?1.4mm的鉆芯厚度比較理想。另外為了改善孔的質(zhì)量，延長(zhǎng)鉆頭使用壽命，人們還研制了雙刃扁鉆和四刃絞刀式扁鉆。 3.改進(jìn)鉆削工藝 鉆削試驗(yàn)表明，鉆孔時(shí)產(chǎn)生的軸向力與鉆削進(jìn)給速度直接有關(guān)，進(jìn)給速度為0.01mm/r時(shí)，軸向力為13.44kg,進(jìn)給速度為0.07mm/r時(shí)，軸向力增加到28.29kg,因此，為保證孔的質(zhì)量，宜采用低進(jìn)給速度和較高的轉(zhuǎn)速。但轉(zhuǎn)速太高會(huì)影響鉆頭的使用壽命。綜合考慮各種因素，一些飛機(jī)制造公司制定了鉆孔的進(jìn)給速度和轉(zhuǎn)速規(guī)范如下： 當(dāng)制孔只在碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中進(jìn)行時(shí)，對(duì)于直徑為3.175mm?9.525mm的孔，選用鉆削參數(shù)為： 鉆速 900?2700rpm 進(jìn)給速度 0.013?0.056mm/r 而當(dāng)制孔在碳纖維復(fù)合材料和鋁合金組合結(jié)構(gòu)中進(jìn)行時(shí)，鉆孔參數(shù)按鋁合金工藝參數(shù)。 為了準(zhǔn)確地控制進(jìn)給速度，人們研制出了可控進(jìn)給精密風(fēng)鉆，這種風(fēng)鉆在國(guó)外已經(jīng)應(yīng)用，國(guó)內(nèi)正在研制中。 另外，在結(jié)構(gòu)敞開(kāi)地條件下，空的出口面墊一塊硬塑料墊板，在結(jié)構(gòu)不敞開(kāi)時(shí)，孔的出口面共固化一層玻璃布，可以有效的防止表層的剝離。4.改善工作環(huán)境為了防止碳?jí)m的污染，加工時(shí)要用吸塵器把粉塵及時(shí)吸走。三、碳纖維復(fù)合材料接頭的防腐碳纖維復(fù)合材料中的碳纖維能導(dǎo)電，而且與大多數(shù)合金有較大的電位差，與金屬接觸時(shí)極易引起金屬的電化學(xué)腐蝕，因此必須注意接頭的防腐，防腐可采取下面幾種措施。1.選用鈦合金緊固件材料的電位值顯示，只有鈦合金、耐蝕不銹鋼、蒙耐爾合金等金屬材料在電位上與碳纖維復(fù)合材料匹配。而上述材料中，鈦合金最輕，比強(qiáng)度和比剛度最高，因此成為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)緊固件中應(yīng)用最多的材料。國(guó)外主要是用Ti-6AI-4V合金，相當(dāng)于我國(guó)的TC4鈦合金。但這種合金屬型，冷塑形較差，緊固件需要熱鐓成型，而我國(guó)尚無(wú)可供生產(chǎn)的熱鐓設(shè)備。后來(lái)問(wèn)世的型鈦合金冷塑性較好，我國(guó)工作者正致力于用合金制作緊固件，并已積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。國(guó)產(chǎn)型鈦合金有Ti-22,47121等。2.在復(fù)合材料和金屬之間墊襯片當(dāng)碳纖維復(fù)合材料和金屬件連接時(shí)，在對(duì)接和搭接處墊一層玻璃布或Kevlar布，可以有效地防止金屬地腐蝕，通常這層襯布預(yù)先與復(fù)合材料鞏固化在一起，當(dāng)緊固件螺帽是鋁合金時(shí)，對(duì)螺帽進(jìn)行陽(yáng)極化，涂漆等表面處理，然后墊純鈦墊片，也可以防止鋁合金地腐蝕。3.對(duì)接頭進(jìn)行全封閉用密封膠把接頭完全封閉起來(lái)，使得電解質(zhì)不能侵入，也就防止了接頭地腐蝕。具體地方法是在緊固件上涂膠，進(jìn)行濕裝配，再在接頭上涂膠，常用地密封膠有環(huán)氧聚西先樹(shù)脂等。由于復(fù)合材料接頭地防腐是一個(gè)很重要地問(wèn)題，而且沒(méi)有一種單一的方法能完全有效，實(shí)際上常常是幾種方法并用，圖1是一個(gè)較典型的復(fù)合材料接頭的防腐情況。這里螺栓為鈦合金，螺母是鋁合金，為防止螺栓與螺母間的電化學(xué)腐蝕，安裝時(shí)，高鎖螺栓螺紋浸漬環(huán)氧樹(shù)脂漆后才插入孔內(nèi)進(jìn)行濕安裝。為防止鋁螺母與復(fù)合材料間的電偶腐蝕，二者之間加純鈦墊圈進(jìn)行隔離。安裝完畢后，再在整個(gè)外露區(qū)涂一層環(huán)氧樹(shù)脂底漆和一層聚氨酯清漆進(jìn)行全封閉四.復(fù)合材料接頭的裝配與金屬材料相比，復(fù)合材料性脆，纖維和基體間易剝離，表層易受損傷，各向異性顯著，應(yīng)力集中高等缺點(diǎn)，因此其機(jī)械連接工藝與金屬有顯著的不同。1.鉚接的選用由于復(fù)合材料有延伸率小，層間強(qiáng)度低，抗沖擊能力低等弱點(diǎn)鉚接易引起復(fù)合材料層壓板孔內(nèi)壁及表皮的損傷，國(guó)外普片認(rèn)為，只有在復(fù)合材料金屬傳載接頭上才允許使用鉚接，但是由于鉚接在機(jī)械連接中工藝最簡(jiǎn)單，成本最低，增重也最少，所以即使在全復(fù)合材料接頭上，設(shè)計(jì)人員仍希望在承力不大的部位采用鉚接。大量實(shí)驗(yàn)證明，只要選用塑性好的材料（鋁合金是飛機(jī)鉚接最常用的材料，但考慮電化學(xué)腐蝕的存在，復(fù)合材料用純鈦TAI）制造鉚釘，并在結(jié)構(gòu)和工藝上采取一定的措施（如控制釘桿的膨脹量，采用壓鉚而非錘鉚等），鉚接在飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上還是可以得到應(yīng)用的。常用的鉚釘有兩大類(lèi)：釘桿有鐓粗的鉚釘需在鐓頭端加一鋼性金屬墊片來(lái)控制釘桿的膨脹量，并且用壓鉚而不用錘鉚，國(guó)內(nèi)某機(jī)全復(fù)合材料垂尾采用3.5純鈦鉚釘進(jìn)行鉚接，選用下列工藝參數(shù)，證明是可行的。鉚孔直徑： 3.80.10墊圈直徑： 3.60.10鐓頭直徑： 1.4d0.01頓頭高度： 0.6d0.05 d鉚釘直徑釘桿沒(méi)有膨脹的鉚釘如空尾鉚釘，抽芯鉚釘、雙金屬鉚釘、鈦鈮合金空芯鉚釘?shù)?，這些新型鉚釘由于釘桿基本沒(méi)有膨脹，不會(huì)引起層壓板的開(kāi)裂，在國(guó)外已得到的廣泛的應(yīng)用。常用緊固件的特點(diǎn)2.鉚接的選用需要重復(fù)拆裝及承載較大的接頭大都采用螺栓連接。鈦合金螺栓除了普通六角形凸頭螺栓外，更常用的是高鎖螺栓，高鎖螺栓具有較高且均衡的夾緊力，有自鎖能力，利用風(fēng)扳機(jī)可單面安裝。機(jī)械性能實(shí)驗(yàn)表明，鈦合金高鎖螺栓的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度都不低于高強(qiáng)度鋼螺栓的相應(yīng)值。3。特種緊固件的選用飛機(jī)上有一些特殊的部位對(duì)連接有特殊的要求，如結(jié)構(gòu)不敞開(kāi)，只能從單面安裝；結(jié)構(gòu)表面傾斜度大；或者結(jié)構(gòu)有密封要求等。在這些情況下，前面提到的螺接和鉚接常難以實(shí)現(xiàn)或達(dá)不到要求，因此國(guó)內(nèi)外有研制出了一些特種緊固件，常見(jiàn)的有鈦環(huán)槽釘，螺紋抽釘?shù)?。這些緊固件因具有裝配力小，加緊力可控，密封等優(yōu)點(diǎn)而在復(fù)合材料接頭上得到了廣泛的應(yīng)用。4.干涉配合的選用前面所講的配合中，都盡量避免釘桿和孔徑的過(guò)盈配合，這時(shí)因?yàn)樵趶?fù)合材料的早期應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)干涉配合連接會(huì)引起結(jié)構(gòu)的分層損壞，因此認(rèn)為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)不宜采用干涉配合。但近期研究表明，適當(dāng)?shù)母缮媪亢洼^高的測(cè)向壓力同時(shí)作用，有利于提高接頭的強(qiáng)度和疲勞壽命，有利于接頭的密封，問(wèn)題的關(guān)鍵是干涉量的控制要適當(dāng)，并且釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)和安裝工藝上，要設(shè)法使孔壁只只產(chǎn)生輕微的毛刷狀分成損傷。因此國(guó)外專(zhuān)門(mén)研制出了用于干涉配合的緊固件干涉配合鈦環(huán)槽釘。目前已研制出的復(fù)合材料緊固件種類(lèi)很多，使用時(shí)要根據(jù)具體情況進(jìn)行選用，表中列出了幾種常用的鈦合金緊固件的形狀、材料、特點(diǎn)。五、接頭幾何參數(shù)和影響接頭強(qiáng)度的因素復(fù)合材料接頭的破壞有拉伸、剪切、擠壓、劈裂和拉脫五種形式（如圖2所示）。前三種與金屬相同，后兩種是復(fù)合材料所特有的。在這五種破壞形式中，只有擠壓破壞是局部破壞，且承載強(qiáng)度最高，因此設(shè)計(jì)人員總力求把接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成僅可能發(fā)生這種破壞的形式，這就要求接頭（如圖3所示）有足夠大的邊距和端距。通常要求復(fù)合材料接頭的幾何尺寸滿(mǎn)足下列條件：與金屬材料不同的是，復(fù)合材料接頭的強(qiáng)度不僅取決于材質(zhì)和幾何參數(shù)，還受其他多種因素的影響。 1.纖維方向目前飛機(jī)用復(fù)合材料，大多采用0、90、45四鐘方向鋪設(shè)纖維，各定向?qū)铀急壤煌脤訅喊褰宇^的強(qiáng)度就不同。實(shí)驗(yàn)證明，在合適的接頭參數(shù)下，欲使接頭僅發(fā)生擠壓破壞，45鋪層的比列應(yīng)大于40，90鋪層應(yīng)占10?40。2.擰緊力矩?cái)Q緊力矩是影響復(fù)合材料層壓板接頭接頭強(qiáng)度的重要因素之一。擰緊力矩的存在有利于防止纖維樹(shù)脂界面剝離。這種剝離會(huì)引起孔邊毛刷狀破壞而造成接頭實(shí)效，所以適當(dāng)?shù)脑龃髷Q緊力會(huì)使接頭強(qiáng)度提高。但擰緊力矩過(guò)大將導(dǎo)致緊固件預(yù)拉伸載荷量增大，而且還會(huì)引起復(fù)合材料表層損傷，因此要綜合考慮，不同的緊