復合材料蜂窩夾層結構在民用飛機上的應用

引言001隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，交通運輸領域特別是航空交通領域，面臨著兩項任務:結構整體減重和與減重直接相關的效益問題－降低油耗。結構重量和燃料消耗在航空領域尤為重要。目前，蜂窩夾層結構在航空工業(yè)中得到了廣泛的應用，主要應用部件包括機身、艙門、機翼、尾翼、地板、整流罩和雷達罩等。蜂窩夾層結構提供了良好的強度重量比。與復合材料蒙皮相比，它們在承受橫向和彎曲載荷時的表現(xiàn)得更為優(yōu)異，這得益于它們的結構形式，即由兩個薄而硬的層包圍的厚而輕的核心。蜂窩夾層結構的大量應用顯著減輕了飛機結構的重量，得益于其良好的抗壓和抗彎性能，蜂窩夾層結構逐漸向地板等主承力結構上發(fā)展。本文內(nèi)容主要分為三個部分，首先，分析了蜂窩夾層結構的研究進展和發(fā)展過程;其次，結合目前使用的機型梳理了蜂窩夾層結構在典型飛機部件上的應用情況。最后，介紹了蜂窩夾層結構在民機地板上的應用現(xiàn)狀。蜂窩夾層結構002蜂窩夾層結構最早起源于仿生學，與同類型的實心材料相比，蜂窩夾層結構具有比強度高、比剛度大、質量輕的特點，因此，在航空航天、交通運輸?shù)阮I域得到了廣泛的運用。復合材料蜂窩夾層結構在極小重量增加的情況下，可以有效地提高抗彎剛度，增強承受彎矩和壓力能力，是一種較理想的航空航天輕量化結構。復合材料蜂窩夾層結構主要包含三部分組成:面板、蜂窩芯和膠粘劑。(1)面板。夾層結構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、模量高和強度高等特點。復合材料夾層結構的面板材料通常為鋁合金、鈦合金、玻璃鋼等材料。目前航空結構中采用的大多是碳纖維或玻璃纖維的單向帶或織物復合材料。(2)蜂窩芯。蜂窩夾層結構的性能和蜂窩的幾何形狀與蜂窩芯子的材質有關，一般根據(jù)材質可用鋁蜂窩芯、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，主要的應用機型如表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。中航復合材料有限責任公司對芳綸紙蜂窩的浸膠工藝進行了改善，總結了孔格、紙厚等工藝參數(shù)，推導出了密度控制經(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)能夠達到HB5435－89和BMS8－124的要求，介電性和阻燃性也滿足標準要求。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。其芯材及夾層結構在常溫下的平面抗壓縮性能和抗剪切性能均能夠達到波音BMS8－124標準中的指標值，能夠滿足力學性能的使用要求。(3)

膠粘劑。航空蜂窩夾層結構用的膠粘劑通常是結構膠粘劑，結構膠粘劑是指在預定時間內(nèi)，在使用環(huán)境中能承受相當?shù)牧?，并具有與被粘物相匹配的強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232℃;第二類是雙馬來酰亞胺類，溫度可以達到232℃以上，主要用于溫度更高的軍用飛機上;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)氧樹脂結構膠粘劑如表2所示。蜂窩夾層結構在典型飛機部件上的應用003就大型民用飛機而言，波音747(1969年2月9日首飛)的設計采用了很大比例的夾心結構(圖1)。它的機翼表面約有一半，包括前緣和后緣，由玻璃纖維和Nomex蜂窩制成。在波音747中，機身圓柱殼主要是Nomex蜂窩，地板，側面板，高架垃圾箱和天花板也都是蜂窩結構。大多數(shù)襟翼都用相同的蜂窩結構制成，但也使用了鋁蜂窩和表皮。蜂窩夾層結構在B787上應用包括方向舵、升降舵、翼尖、發(fā)動機機艙等部位。其中發(fā)動機短艙和反推力裝置采用HexWeb蜂窩及HexPly8552/AS4預浸料，HexWeb蜂窩具有質量輕、剛度大的優(yōu)點，還具有吸聲功能，已被世界各大發(fā)動機制造商使用。波音707只有8%是蜂窩結構，較新的波音757/46蜂窩結構占46%。蜂窩夾層結構在大型民用飛機上的應用最早是在空中客車公司的A310飛機的方向舵上，后用于A320、A340方向舵。最大的蜂窩夾層結構舵面是A340方向舵，蜂窩夾層結構面積為15.3m2。單機用量最大的為A380飛機，其蜂窩夾層結構用量達4000m2，主要用于包括腹部整流罩、地板等大尺寸結構件，地板主要采用M.C.GillCorp.的Gillfab4909夾層板，芯材為Kevlar蜂窩?！翱湛虯380”上的地板結構大量采用了Nomex蜂窩夾層結構復合材料制作，優(yōu)良的材料使得A380的運行壽命可達20000小時，保證了該機型可服役10年以上。此后，復合材料的使用顯著增加，尤其是ATＲ72，第一架具有碳素基本結構(機翼箱)認證的民用飛機(見圖2)。如圖3所示，在二級結構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，機艙和前起落架車門，一些副翼和方向舵仍由夾心結構制成，其他部分是自加固的整體結構。與民用大飛機相比，蜂窩夾層結構在通用飛機上的應用主要表現(xiàn)為在機身上的使用，如HawkerBeechcraf的PremierI，豪克4000及“首相”IA飛機，龐巴迪宇航公司里爾85飛機等。其中PremierI是第一架通過FAA認證的全復合材料機身噴氣公務機，整個機身采用面板為碳纖維的蜂窩夾層結構，整體厚度為20.6mm，機身無桁條和框架，比傳統(tǒng)鋁結構減重25%，且增加了13%的客艙空間。目前生產(chǎn)的Hawker4000飛機，其機身結構是由3個筒體結構在機翼處連接組成，筒體為蜂窩夾層結構，蒙皮的鋪貼采用MAG辛辛那提公司的Viper自動鋪絲機鋪放。俄羅斯將Nomex蜂窩夾層結構復合材料構件大量應用于襟翼、副翼、機身壁板、發(fā)動機、駕駛艙、貨艙、水平尾翼、機翼前緣、直升機旋翼尾梁等飛機部件上。國內(nèi)由中航工業(yè)哈爾濱飛機工業(yè)集團有限公司等單位生產(chǎn)的某機型中大量采用了樹脂基復合材料(如垂尾、槳葉、平尾和旋翼等)和Nomex蜂窩夾層結構復合材料(機身板件、地板、尾梁等)，明顯減輕了整體機身的重量，提高了部件的抗疲勞強度，改善了氣動特性從而提高了直升機的飛行品質。據(jù)統(tǒng)計，除了發(fā)動機和傳動系統(tǒng)外，將近有300個飛機零部件是由Nomex蜂窩夾層結構復合材料制作而成，使用了3種密度、12種規(guī)格的Nomex蜂窩芯材，整體機身中Nomex蜂窩芯材料用量超過200m2，其覆蓋面積占整體機身80%左右，是當前國內(nèi)使用Nomex蜂窩夾層結構復合材料最多的機種之一。蜂窩夾層結構在民機地板上的應用0044.1飛機客貨艙地板研究現(xiàn)狀傳統(tǒng)的飛機地板客貨艙地板采用金屬結構，每塊地板有幾百個鉚釘和螺釘，還需要用彈性襯墊與機身結構隔離，因而成本昂貴。而采用復合材料可以大大提高地板結構的強度、剛度、疲勞和防腐蝕性能，可以把連接件減少一個數(shù)量級，可顯著減輕地板結構重量。飛機地板復合材料夾層結構的面板通常采用玻璃纖維預浸料、碳纖維和Kevlar預浸料，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夾層結構在地板上的應用波音公司234型民用Chinook直升機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°玻璃纖維預浸料，三、四層為0°方向Kevlar49纖維預浸料。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夢幻客機等飛機型號的客艙地板也選用復合材料夾層結構。生產(chǎn)的Gillfab4223夾層結構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。整個夾層結構厚度12.6mm，上面板厚度1.27mm，下面板厚度0.508mm。Gillfab4223夾層結構應用于空客A318/A319/A320/A321/A330/A340/A300/A310/A300－600。生產(chǎn)的Gillfab4505夾層結構面板選用碳纖維單向帶(表面一層為玻璃纖維預浸料)，基體為酚醛樹脂，芯子為GillcoreHD間位蜂窩，膠膜選用環(huán)氧體系。整個夾層結構厚度9.5mm，上下面板厚度0.5mm。Gillfab4505夾層結構應用于空客A318/A319/A320/A321/A330/A340。福克100飛機的貨艙地板結構比較簡單，是一種復合材料夾層結構，外部蒙皮為高性能熱塑性復合材料的板材，夾芯為Nomex蜂窩。蒙皮與芯子用環(huán)氧膠膜膠接而成。北京玻鋼院復合材料有限公司牛芳旭等采用自制的玻璃纖維增強酚醛樹酯預浸料作為面板原材料，通過熱壓成型制備了某型號Nomex蜂窩夾層結構貨艙地板。系統(tǒng)評價了該地板的力學性能和阻燃性能，分析了預浸料類型、固化溫度、成型工藝對蜂窩板力學性能的影響，研究了蜂窩板阻燃性能的影響因素。結果表明，采用自制預浸料制備的貨艙地板力學性能優(yōu)異，長梁彎曲極限載荷可達4348N，載荷445N時的撓度僅為6.79mm，沖擊性能可達1