復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在民用飛機(jī)上的應(yīng)用

引言001隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通運(yùn)輸領(lǐng)域特別是航空交通領(lǐng)域，面臨著兩項任務(wù):結(jié)構(gòu)整體減重和與減重直接相關(guān)的效益問題－降低油耗。結(jié)構(gòu)重量和燃料消耗在航空領(lǐng)域尤為重要。目前，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在航空工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，主要應(yīng)用部件包括機(jī)身、艙門、機(jī)翼、尾翼、地板、整流罩和雷達(dá)罩等。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)提供了良好的強(qiáng)度重量比。與復(fù)合材料蒙皮相比，它們在承受橫向和彎曲載荷時的表現(xiàn)得更為優(yōu)異，這得益于它們的結(jié)構(gòu)形式，即由兩個薄而硬的層包圍的厚而輕的核心。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的大量應(yīng)用顯著減輕了飛機(jī)結(jié)構(gòu)的重量，得益于其良好的抗壓和抗彎性能，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)逐漸向地板等主承力結(jié)構(gòu)上發(fā)展。本文內(nèi)容主要分為三個部分，首先，分析了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展和發(fā)展過程;其次，結(jié)合目前使用的機(jī)型梳理了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在典型飛機(jī)部件上的應(yīng)用情況。最后，介紹了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在民機(jī)地板上的應(yīng)用現(xiàn)狀。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)002蜂窩夾層結(jié)構(gòu)最早起源于仿生學(xué)，與同類型的實心材料相比，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有比強(qiáng)度高、比剛度大、質(zhì)量輕的特點，因此，在航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用。復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在極小重量增加的情況下，可以有效地提高抗彎剛度，增強(qiáng)承受彎矩和壓力能力，是一種較理想的航空航天輕量化結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)主要包含三部分組成:面板、蜂窩芯和膠粘劑。(1)面板。夾層結(jié)構(gòu)中面板是主要承力部分，相對于芯子材料，面板材料具有密度大、模量高和強(qiáng)度高等特點。復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的面板材料通常為鋁合金、鈦合金、玻璃鋼等材料。目前航空結(jié)構(gòu)中采用的大多是碳纖維或玻璃纖維的單向帶或織物復(fù)合材料。(2)蜂窩芯。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的性能和蜂窩的幾何形狀與蜂窩芯子的材質(zhì)有關(guān)，一般根據(jù)材質(zhì)可用鋁蜂窩芯、芳綸紙蜂窩芯、玻璃鋼蜂窩芯等。芳綸紙蜂窩按照種類分為間位芳綸紙蜂窩和對位芳綸紙蜂窩。間位芳綸紙蜂窩是間苯二甲酰氯和間苯二胺進(jìn)行界面縮聚或低溫溶液縮聚得到的間位芳綸，市場上最常見的是美國杜邦公司在20世紀(jì)60年代首先發(fā)明并投入使用的間位芳綸。對位芳綸紙蜂窩是對苯二胺和對苯二甲酰氯縮聚得到對位芳綸，商品名稱為Kevlar?，F(xiàn)有的芳綸紙蜂窩芯主要是間位芳綸，對位芳綸研究的非常少，主要的應(yīng)用機(jī)型如表1所示。芳綸紙蜂窩又稱NOMEX蜂窩，采用芳綸紙浸潤酚醛樹脂制成。芳綸紙蜂窩和鋁蜂窩相比，抗局部失穩(wěn)的能力強(qiáng)得多，因為芳綸紙蜂窩的蜂窩壁比鋁蜂窩厚。Nomex蜂窩的制備是由芳綸紙涂膠、疊合、壓制、切割、拉伸、定型、浸膠、固化、片切九個工序組成。中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司對芳綸紙蜂窩的浸膠工藝進(jìn)行了改善，總結(jié)了孔格、紙厚等工藝參數(shù)，推導(dǎo)出了密度控制經(jīng)驗公式。蘇州有限公司使用國產(chǎn)芳綸紙制備的蜂窩，抗壓及抗剪性能已經(jīng)能夠達(dá)到HB5435－89和BMS8－124的要求，介電性和阻燃性也滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。中國有限公司旗下的公司將其生產(chǎn)的間位芳綸紙通過一系列成熟的工藝流程制備出了不同型號的蜂窩芯子。其芯材及夾層結(jié)構(gòu)在常溫下的平面抗壓縮性能和抗剪切性能均能夠達(dá)到波音BMS8－124標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo)值，能夠滿足力學(xué)性能的使用要求。(3)

膠粘劑。航空蜂窩夾層結(jié)構(gòu)用的膠粘劑通常是結(jié)構(gòu)膠粘劑，結(jié)構(gòu)膠粘劑是指在預(yù)定時間內(nèi)，在使用環(huán)境中能承受相當(dāng)?shù)牧?，并具有與被粘物相匹配的強(qiáng)度和耐久的使用壽命。根據(jù)樹脂基體一般分為三大類，第一種環(huán)氧類，環(huán)氧樹脂具有工藝性優(yōu)異，適用期長的優(yōu)點，最高耐溫可達(dá)232℃;第二類是雙馬來酰亞胺類，溫度可以達(dá)到232℃以上，主要用于溫度更高的軍用飛機(jī)上;第三種是氰酸酯類，氰酸酯的耐溫性和介電性，耐濕熱性能都很優(yōu)異，所以主要用于有電氣性能要求的元件中。航空常用的環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠粘劑如表2所示。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在典型飛機(jī)部件上的應(yīng)用003就大型民用飛機(jī)而言，波音747(1969年2月9日首飛)的設(shè)計采用了很大比例的夾心結(jié)構(gòu)(圖1)。它的機(jī)翼表面約有一半，包括前緣和后緣，由玻璃纖維和Nomex蜂窩制成。在波音747中，機(jī)身圓柱殼主要是Nomex蜂窩，地板，側(cè)面板，高架垃圾箱和天花板也都是蜂窩結(jié)構(gòu)。大多數(shù)襟翼都用相同的蜂窩結(jié)構(gòu)制成，但也使用了鋁蜂窩和表皮。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在B787上應(yīng)用包括方向舵、升降舵、翼尖、發(fā)動機(jī)機(jī)艙等部位。其中發(fā)動機(jī)短艙和反推力裝置采用HexWeb蜂窩及HexPly8552/AS4預(yù)浸料，HexWeb蜂窩具有質(zhì)量輕、剛度大的優(yōu)點，還具有吸聲功能，已被世界各大發(fā)動機(jī)制造商使用。波音707只有8%是蜂窩結(jié)構(gòu)，較新的波音757/46蜂窩結(jié)構(gòu)占46%。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在大型民用飛機(jī)上的應(yīng)用最早是在空中客車公司的A310飛機(jī)的方向舵上，后用于A320、A340方向舵。最大的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)舵面是A340方向舵，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)面積為15.3m2。單機(jī)用量最大的為A380飛機(jī)，其蜂窩夾層結(jié)構(gòu)用量達(dá)4000m2，主要用于包括腹部整流罩、地板等大尺寸結(jié)構(gòu)件，地板主要采用M.C.GillCorp.的Gillfab4909夾層板，芯材為Kevlar蜂窩?！翱湛虯380”上的地板結(jié)構(gòu)大量采用了Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制作，優(yōu)良的材料使得A380的運(yùn)行壽命可達(dá)20000小時，保證了該機(jī)型可服役10年以上。此后，復(fù)合材料的使用顯著增加，尤其是ATＲ72，第一架具有碳素基本結(jié)構(gòu)(機(jī)翼箱)認(rèn)證的民用飛機(jī)(見圖2)。如圖3所示，在二級結(jié)構(gòu)中夾層材料的比例一直在下降。對于A380，波音787或空客A350，只有腹部整流罩，機(jī)艙和前起落架車門，一些副翼和方向舵仍由夾心結(jié)構(gòu)制成，其他部分是自加固的整體結(jié)構(gòu)。與民用大飛機(jī)相比，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在通用飛機(jī)上的應(yīng)用主要表現(xiàn)為在機(jī)身上的使用，如HawkerBeechcraf的PremierI，豪克4000及“首相”IA飛機(jī)，龐巴迪宇航公司里爾85飛機(jī)等。其中PremierI是第一架通過FAA認(rèn)證的全復(fù)合材料機(jī)身噴氣公務(wù)機(jī)，整個機(jī)身采用面板為碳纖維的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，整體厚度為20.6mm，機(jī)身無桁條和框架，比傳統(tǒng)鋁結(jié)構(gòu)減重25%，且增加了13%的客艙空間。目前生產(chǎn)的Hawker4000飛機(jī)，其機(jī)身結(jié)構(gòu)是由3個筒體結(jié)構(gòu)在機(jī)翼處連接組成，筒體為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，蒙皮的鋪貼采用MAG辛辛那提公司的Viper自動鋪絲機(jī)鋪放。俄羅斯將Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料構(gòu)件大量應(yīng)用于襟翼、副翼、機(jī)身壁板、發(fā)動機(jī)、駕駛艙、貨艙、水平尾翼、機(jī)翼前緣、直升機(jī)旋翼尾梁等飛機(jī)部件上。國內(nèi)由中航工業(yè)哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限公司等單位生產(chǎn)的某機(jī)型中大量采用了樹脂基復(fù)合材料(如垂尾、槳葉、平尾和旋翼等)和Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料(機(jī)身板件、地板、尾梁等)，明顯減輕了整體機(jī)身的重量，提高了部件的抗疲勞強(qiáng)度，改善了氣動特性從而提高了直升機(jī)的飛行品質(zhì)。據(jù)統(tǒng)計，除了發(fā)動機(jī)和傳動系統(tǒng)外，將近有300個飛機(jī)零部件是由Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制作而成，使用了3種密度、12種規(guī)格的Nomex蜂窩芯材，整體機(jī)身中Nomex蜂窩芯材料用量超過200m2，其覆蓋面積占整體機(jī)身80%左右，是當(dāng)前國內(nèi)使用Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料最多的機(jī)種之一。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在民機(jī)地板上的應(yīng)用0044.1飛機(jī)客貨艙地板研究現(xiàn)狀傳統(tǒng)的飛機(jī)地板客貨艙地板采用金屬結(jié)構(gòu)，每塊地板有幾百個鉚釘和螺釘，還需要用彈性襯墊與機(jī)身結(jié)構(gòu)隔離，因而成本昂貴。而采用復(fù)合材料可以大大提高地板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、疲勞和防腐蝕性能，可以把連接件減少一個數(shù)量級，可顯著減輕地板結(jié)構(gòu)重量。飛機(jī)地板復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的面板通常采用玻璃纖維預(yù)浸料、碳纖維和Kevlar預(yù)浸料，基體選用環(huán)氧樹脂或酚醛樹脂。蜂窩芯子常用Nomex蜂窩。4.2夾層結(jié)構(gòu)在地板上的應(yīng)用波音公司234型民用Chinook直升機(jī)的主艙地板每塊尺寸2.5m×2.2m，共由4塊組成。面板為玻璃纖維/Kevlar49復(fù)合材料，芯子為Nomex蜂窩，夾層地板的上、下面板鋪層各為四層，對稱于中間的蜂窩芯子。一、二層為0°玻璃纖維預(yù)浸料，三、四層為0°方向Kevlar49纖維預(yù)浸料。Nomex芯子高度為38mm，格子邊長2mm，密度48kg/m3。面板與芯子用EA9膠膜膠接。波音777、波音787夢幻客機(jī)等飛機(jī)型號的客艙地板也選用復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)的Gillfab4223夾層結(jié)構(gòu)面板選用玻璃纖維織物，基體為酚醛樹脂，芯子為GillcoreHD間位蜂窩，膠膜選用環(huán)氧體系。整個夾層結(jié)構(gòu)厚度12.6mm，上面板厚度1.27mm，下面板厚度0.508mm。Gillfab4223夾層結(jié)構(gòu)應(yīng)用于空客A318/A319/A320/A321/A330/A340/A300/A310/A300－600。生產(chǎn)的Gillfab4505夾層結(jié)構(gòu)面板選用碳纖維單向帶(表面一層為玻璃纖維預(yù)浸料)，基體為酚醛樹脂，芯子為GillcoreHD間位蜂窩，膠膜選用環(huán)氧體系。整個夾層結(jié)構(gòu)厚度9.5mm，上下面板厚度0.5mm。Gillfab4505夾層結(jié)構(gòu)應(yīng)用于空客A318/A319/A320/A321/A330/A340。福克100飛機(jī)的貨艙地板結(jié)構(gòu)比較簡單，是一種復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，外部蒙皮為高性能熱塑性復(fù)合材料的板材，夾芯為Nomex蜂窩。蒙皮與芯子用環(huán)氧膠膜膠接而成。北京玻鋼院復(fù)合材料有限公司牛芳旭等采用自制的玻璃纖維增強(qiáng)酚醛樹酯預(yù)浸料作為面板原材料，通過熱壓成型制備了某型號Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)貨艙地板。系統(tǒng)評價了該地板的力學(xué)性能和阻燃性能，分析了預(yù)浸料類型、固化溫度、成型工藝對蜂窩板力學(xué)性能的影響，研究了蜂窩板阻燃性能的影響因素。結(jié)果表明，采用自制預(yù)浸料制備的貨艙地板力學(xué)性能優(yōu)異，長梁彎曲極限載荷可達(dá)4348N，載荷445N時的撓度僅為6.79mm，沖擊性能可達(dá)1