飞机用复合材料的设计和维修展望

2018-06-23王振林谢寄清郭垠昊

中国塑料 2018年6期

王振林，杨勇，谢寄清*，郭垠昊

(1.哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，哈尔滨 150066；2.湖南兆恒材料科技有限公司，长沙 410000)

0 前言

玻璃纤维是20世纪40年代开始生产，二战后与聚酯和环氧树脂结合使用为航空航天复合材料产业奠定了基础。20世纪60年代出现的新型高性能纤维，如硼(1966年)、碳(1968年)、芳酰胺纤维(1972年)和高性能聚乙烯(1987年)，加速了先进复合材料在航天航空领域的应用趋势。大型商用和军用飞机其复合材料的使用比例约占到结构质量的35 %～50 %，而旋翼机和公务机则高达60 %～80 %。

起初，复合材料应用于现代飞机的如整流罩等次结构件。目前复合材料也应用于主结构件，在某些情况下，甚至应用于整个机翼和机身。第一架波音707有约2 %的结构为复合材料，而今天的波音767则有约35 %的结构为复合材料。Beech Starship是第一个认证的全复合材料结构通航飞机，贝尔 - 波音的V-22倾转旋翼飞机是同类飞机中第一种全复合材料结构。

设计师希望能够设计并制造出对称的层压板，固化前后不发生变形并满足使用阶段的载荷和环境要求。通常，我们在层压板所有结构分析完成以后，再去考虑很多节点设计，但是有些细节最好能提前考虑。

本文在整理了国内外的部分维修问题以后，总结出一些设计经验希望对国内复合材料的结构设计有所帮助。

1 考虑冲击载荷下蜂窝夹层结构的设计

在保证减重的前提下，复合材料部件使用蜂窝夹层结构(图1)需要考虑以下几个因素：

对于蜂窝夹层结构板，在蒙皮质量和芯材质量相同的时候，结构具有最好的弯曲性能。如果需要进一步提高局部的压缩性能(如地板)，最好是增加蜂窝芯材的密度而不是蒙皮的厚度[1]。

图1 蜂窝结构Fig.1 Honeycomb sandwich structure

为了在质量增加最小的前提下，提高抗冲击性能，增加芯材的密度比增加同样质量的上下面板带来的效果更加显著。这也适用于更大的冲击性能和各种型号的蜂窝板。目前设计的蜂窝结构有一个常见的问题，就是冲击损伤，它不能承受车辆或者其他一些重物的冲击，例如可能会有来自跑道的石块或者其他不可避免的来源。在设计中，需要考虑，例如维修过程中需要考虑到坠落物的冲击损伤，同时维修过程中要提供并使用合适的垫子。在机场转场过程中，可能的车辆撞击可以通过员工培训以及相关规定来解决。蜂窝板的损伤有一个优点：蒙皮的贯穿、可视并很容易修复。但实心层板的冲击损伤并不总是可视的，因此需要仔细检查一定程度的目视勉强可见冲击损伤(BVID)，另外，设计也需要允许一定程度看不见的损伤。

芳酰胺纸蜂窝和金属蜂窝比，破坏前会有更大的变形。但是，如果冲击特别严重，会发生断裂。如果压力加载在破坏区域，会发出类似饼干压碎的声音，芯材完全破坏。铝合金蜂窝在冲击载荷作用下，发生屈曲，并保持约1/2的压缩强度。因此，对于直接承载货物的货舱地板，和只承受人行载荷的飞机地板相比，最好采用铝合金蒙皮加上铝合金蜂窝。金属蒙皮可以更好地承受来自金属部件的摩擦而且金属蜂窝在冲击载荷作用下性能更佳。

复合材料蒙皮芳酰胺纸蜂窝板比较容易维修，表面经过适当的清洁和干燥后，稍许打磨，表面就可以准备好。对于地板，在相同夹层结构板材中切割出一块取代损伤区域，蜂窝接头部位灌胶，然后用玻璃纤维织物叠层连接蒙皮。在维修过程中，推荐采用高性能的室温固化树脂。

使用没有经过良好表面处理的铝合金蜂窝，如防腐处理、树脂浸渍处理及阳极化处理，会加剧蜂窝的脱胶。建议使用一层胶膜而不是完全依赖于预浸料蒙皮胶接在蜂窝上时预浸料中多余的树脂。这种胶膜应该有最低的吸水率，通常比预浸料中的树脂基体韧性更强，因此有更好的抗冲击性能。

2 空调管卡和蜂窝接触面位置的设计

如图2所示是一个空调舱门，在这里空调管道上的卡扣螺丝造成结构破坏，因为破坏看不见，不会被发现并及时得到密封或者修理，导致问题变大，增加了维修难度和时间。当面层刺穿以后，碳纤维/芳酰胺纤维蒙皮中的芳酰胺纤维层类似灯芯将水导入到芯材中，此时需要挖出很大面积的蜂窝，清除里面的杂质。内侧蒙皮上的铝电磁屏蔽层需要热黏接。0.05 mm的铝箔，施工和修理起来都非常困难。

(a)管卡的接触面问题 (b)接触面的解决方案图2 空调管和夹层结构板的节点处理Fig.2 Air duct and sandwich panel interference design

3 板前缘的节点设计

板的前缘破坏是板材另一种常遇到的问题，例如检修门、发动机短舱、前起落架舱门和有气流经过的具有前缘的板。闭合机构要设计正确，避免关闭以后，板材因为气动载荷，部分被拉进气流中。板材边缘任何在气流中的凸起都会导致结构的快速破坏。

对于通过闩锁闭合的发动机短舱和其他任何板材，而非前缘布满螺丝的方式，更容易出现问题。破坏从磨损逐步开始，如果在这个阶段不修理，很快会发生分层和脱落。这时，需要花费大量的时间来进行维修。有的因为提供的新的板材尺寸过大需要裁切才能安装上，这也会让问题更加严重。如果这一阶段做的不好，操作过程中也会产生一些分层，很快扩展并分层。建议采用图3的构造，对前缘进行保护。除前缘以外，其他的边缘也可能需要保护，也可以使用金属边缘[2]。

(a)前缘玻璃纤维包覆 (b)金属或塑料边缘图3 复合材料层板的前缘处理Fig.3 Leading edge design of composite laminate

发动机短舱常常有几层织物一直铺到边缘，没有采用包边铺层防止开裂，如果边缘碰到地面，会产生大的开裂和分层。对此，我们可以在设计中加上塑料块或者轮子，让边缘抬离地面。大型或者重型部件需要设计把手，在合适的位置设置安装握点以及起重机的起吊点。

4 紧固件孔的设计

一般而言，具有明确载荷传递路径的薄结构是胶接的良好对象，而载荷传递路径复杂的厚结构则更适合于紧固件连接。胶黏剂应承受剪切载荷，应避免拉伸、劈裂和剥离载荷，以防止过早破坏。接头设计应总是使破坏发生在接头之外，即接头的强度大于被胶接件。胶接结构有可能减少最终部件的零件和紧固件数量，并因此降低复合材料结构的成本。胶接中最为关键的工艺问题是表面处理。表面处理不当，接头的耐久性就无法实现。复合材料的表面处理相比于铝或钛简单许多。使用胶黏剂对复合材料零件进行胶接时，所有已固化的零件在胶接前需彻底烘干。可以通过预装配，确保被胶接零件配合到位而不会形成凸出或低陷区，避免产生胶层过厚或脱粘的问题。

复合材料部件，采用埋头紧固件紧固时，必须更加注意正确的标准扭矩值和操作过程中的控制，它比金属所使用的扭矩负载值要低。避免过紧，造成孔磨损和边缘开裂。为了检查或维护，需要定期拆卸的面板，可能需要安装金属边缘带或使用某些快速释放紧固件。如果是大型面板，设计时，需要切成小段，以确保只有少量的紧固件需要经常被拆卸。频繁拆卸的面板，可以使用金属嵌入件和/或快速释放紧固件安装。应在铆钉、特殊紧固件或螺栓的背面使用大型垫圈。复合材料不能采用冲击铆，因为它会导致分层。如果嵌入件尚未安装，埋头螺栓头位置建议使用弹性垫圈，避免螺栓旋转时发生磨损。复合材料(特别是碳复合材料)的紧固件应由耐腐蚀钢或钛制成。图4(a)列出了典型的紧固件孔损坏。可能的解决方案：在所有螺栓位置加入嵌入件，如图4(b)所示，最好是选择弹性垫圈，如图4(c) 所示。图4(d)显示了2种类型的金属边缘，以适应埋头孔。

(a)常见紧固件孔的破坏 (b)在全部螺栓位置填充 (c)弹性垫圈 (d)2种类型的金属边缘图4 紧固件孔的破坏和设计改进Fig.4 Failure of fastener hole and solution

5 单面紧固件的应用

所有的飞行控制面和发动机整流罩结构，我们常常采用单面紧固件将面板连接到结构上。维修过程中如果必须拆除面板，耗费大量的人力和停机时间，造成成本的增加。从相对软的碳纤维板上取出钛紧固件需要非常小心，常常会造成额外的损坏和修理。因此，建议任何需要拆卸维修的结构都应避免使用单面紧固件。

一些飞机的舵面，除了在肋和长桁位置，复合材料面板使用单面铆钉以外，在后缘交接位置，也采用胶接加铆接的形式。这种设计通常会在拆卸过程中造成二次损坏，导致更多的修复工作[图5(a)]。建议结构设计的时候，采用可拆卸螺母和螺栓。如果一侧不好操作，建议采用自锁螺母[图5(b)]。如图5(c)和5(d)所示为襟翼结构中使用单面紧固件的案例。图5(c)是现有的襟翼结构设计，修复需要断开黏结和/或钻出紧固件, 以允许拆卸零件进行维修。图5(d)建议的解决办法是使用螺栓和自锁螺母。在这种情况下, 对可能需要拆卸的襟翼结构的所有部分都附有螺栓和自锁螺母, 以简化拆卸修复。

(a)需要避免的后缘结构 (b)改进的后缘 (c)现有的襟翼结构 (d)改进的襟翼结构图5 后缘和襟翼结构Fig.5 Trailing edge design and flap structure

6 芳酰胺纤维的应用

芳酰胺纤维具有“毛细作用”，为了避免芳酰胺纤维将水导入部件，任何使用芳酰胺纤维材料制作的部件都必须密封好。在每个螺栓位置，用胶粘嵌入件，对密封纤维束的末端进行密封,如图6, 封边并且胶接两部分组合嵌入件以最小化吸水问题。建议用粘接胶和密封胶粘接金属或塑料镶边条，尤其对这些部件作现场尺寸裁切的时候。

图6 封边并且胶接两部分组合嵌入件Fig.6 Edge sealing and two-part inserts bonding

而这并不仅限于芳酰胺纤维，尽管芳酰胺纤维的问题更加严重一点。复合材料的任何切缘都会受到纤维方向导湿问题的影响。各种纤维复合材料的设计都应该考虑这一点。为了避免产生纤维束的末端，可以在干法预浸料铺层过程中通过将纤维缠绕在孔塞周围，避免将来钻孔加工。这样能减少因钻孔而切断纤维带来的纤维束导湿量，避免因为切断纤维而带来的面板强度的损失，降低边缘分层的可能性。也建议使用玻璃纤维代替芳酰胺纤维，当然，这会增加质量。或者采用包边或者封边。芳酰胺纤维复合材料的树脂基体建议采用低黏度树脂，这样可以更有效地包封芳酰胺纤维。铆接和螺栓孔处的金属或者纤维增强塑料嵌入件应该胶接到位，密封铆接及螺栓孔的边缘，从而减少这些位置的损伤。这对芳酰胺纤维部件而言是必不可少的，对所有纤维复合材料而言也非常必要。嵌入件应该与复合材料部件有尽可能相近的热膨胀系数并且使用韧性好的树脂来进行胶接，从而避免因温度应力而导致的脱胶。

复合材料在维修过程中，问题主要发生在部件上不可见的区域，或者就是一开始的损伤太小而没有得到及时的注意。磨损或损伤处会发生进水，如果修理必须延迟的话，最好的解决方法就是尽快密封还处于允许范围内的损伤。

7 复合材料部件的进水问题

蜂窝组件的制造较困难，同时在使用过程中会经常地遭遇与耐久性相关的问题。铝制蜂窝易发生严重的腐蚀。而当内部含有水分时，所有的蜂窝均可因反复经历结冰——解冻循环而损坏。此外，有液体水存在且组件被加热至100 ℃以上时，会出现蒸气压引起的分层危险。结构设计的时候要考虑蒙皮以及端头的防水。泡沫塑料芯材夹层结构的制造较蜂窝结构相对容易，但目前泡沫塑料的力学性能不如蜂窝，而且存在力学性能离散性大的问题。另一方面，泡沫塑料芯材的饱和吸水量相当高。2种类型的芯材均可采用下述方法之一来制成复合材料结构：或预先固化复合材料零件然后将其与芯材胶接，或将组件与预浸料铺层同时共固化。

雷达天线罩：考虑到对雷达传输性能的影响，避雷带很少布置在雷达罩的前端。而前端很容易发生小的雷击，产生雷击孔，而且受到雨水的冲击也很大。通常采用聚氨酯护套及涂层保护方案帮助抵抗雨水的冲击。但是出现了一些小孔后，雨水就能渗入。设计的过程中，确保雷达天线罩有足够的树脂含量以及至少3层的蒙皮，这样蒙皮就不具备渗透性。同时，使用高密度蜂窝来提高雷达罩对冰雹和雨的抗冲击性能。然而，为了提供给飞行员清晰的图像，雷达天线罩必须降低雷达信号的传输损耗。因此，需要优化设计兼具较长的使用寿命且性能良好的雷达图像的雷达罩。定期检查和尽快修复损伤才是保证使用寿命和图像品质的最好方法。

为了防止水或者其他液体通过纤维织物复合材料蒙皮浸入蜂窝，经验表明至少使用3层树脂含量达50 %的蒙皮。如果只有一层蒙皮以及树脂含量太低会导致大量进水及部件增重，这就违背了使用复合材料减重的初衷。为了达到无显著增重的密封效果，可以使用3层薄织物来取代1层厚的织物。这一原则适用于所有的纤维及编织织物。虽然这可能会增加成本，但防水是首要的。类似的问题也发生在交叉铺层的单向蒙皮上，如果该蒙皮每个方向只有1层的话。在这些案例中，中等倍数的放大镜已经足以显示纤维之间的小孔，而拿掉蒙皮的话可以看到蜂窝中有大量的机油。

对于夹层结构，内蒙皮密封的比较便宜的可能替代方案是：在表面加一层聚氟乙烯膜；在表面涂一层聚硫橡胶或者聚硫代醚密封剂；在表面使用铝箔涂层。

对于外层蒙皮，应该使用好的底层涂料和罩面涂料。而对于雷达天线罩及机翼前缘，使用防腐蚀涂料或薄的聚氨酯橡胶防腐涂层。这些部件都必须应对雨水和冰雹的冲击，通常都会由3层相对较厚的织物构成的外部蒙皮。当蒙皮较薄时，在涂层之前确认蒙皮有较高的树脂含量并且在蒙皮表面最好有一层树脂覆膜。如果使用表面填料，它应该具有良好的断裂伸长率。此外，填料的热膨胀和湿膨胀系数应该和蒙皮相近。脆性材料会很快开裂并破坏罩面涂层。

雷达罩结构中，也可以使用PMI泡沫作为芯材，取代蜂窝材料。

蜂窝部件封边不良导致的进水：图7设计了Nomex蜂窝芯材垂直端头，芯材后退约3 mm并用灌封料填充。然后使用了2层玻璃纤维以封住边缘。这2层是有渗透性的，并不足以隔绝水分，而且灌封料容易变脆并产生裂纹。透过玻璃纤维以及灌封料的裂纹的液体及水分的浸入十分严重。水分和液压油会导致部件失效。通常前缘比后缘的情况更严重。前缘的灌封是非常困难的。如果在端部的胶接处密封不充分，水分将会到达芯材一侧。灌封的目的是为了防止水分的进一步浸入，但是水分会通过端盖内侧流入那些没有完全灌封的孔隙。而且灌封料在一段时间后会裂开，芯材的胶膜将会提供另一条水分浸入的路径[3]。

图7 蜂窝板封边问题示意图Fig.7 Diagram of honeycomb panels edge sealing

针对上述问题，设计过程中建议使用端封的成型件(型材)，至少有3层织物，并有较高的树脂含量。或者使用更多层薄的玻璃纤维织物(至少3层)，采用韧性较好且提高树脂含量。同时使用可以承受一些弯曲应力的强度更高的灌封料，并使得蜂窝可以放置在更深的位置。要求灌封料在固化阶段可以承受一些位移，它还可能需要匹配蒙皮的热膨胀和湿膨胀系数，例如12.5 mm。建议在玻璃纤维层或者端封型材外面涂上多硫化物或者其他密封剂。

蜂窝进水：蜂窝芯材进水的原因被认为是蜂窝孔起到了一个单向泵的作用。如果有小的流动通道，飞机爬升时，外部压力减小，蜂窝内的气体向外渗出。而飞机下降时空气又会渗入。在下一个爬升过程中，温度下降，大部分的水汽会凝结成液体，而只有相对干燥的空气会再次渗出。多次重复这个循环后，蜂窝内的水量就相当可观了。如果是铝蜂窝结构，那么腐蚀，脱胶以及失效就会是最后的结果。在复合材料蒙皮的芳酰胺纸蜂窝结构中，除了边缘以及嵌入件的渗入途径，如果水能够通过蒙皮渗入，那么水就能更多地浸入。蜂窝孔之间也不是完全封闭的，水可以从一个孔缓慢迁移到另一个孔。这降低了蒙皮与蜂窝之间的胶接强度并大大增加了部件的质量。在飞机各翼的雷达天线罩和复合材料部件中(如机翼、水平尾翼、方向舵)，蒙皮上的小孔可能是由小的雷击造成的而非任何设计上的缺陷。这些必须通过检查发现并且及时修理。减少飞机翼段的尺寸。