民机复合材料结构研发技术
陈琦+张晓哲+李景钰
[摘 要]复合材料夹层结构零件因其优越的性能在民用飞机设计领域得到广泛应用。民机蜂窝夹层结构零件构型较为复杂，固化成型时易出现质量问题。本文对影响蜂窝夹层结构零件的诸多因素进行剖析、总结。旨在指导生产规避风险。
[关键词]蜂窝，蜂窝夹层结构，成型
中图分类号：V214.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）06-0349-01
引言
复合材料夹层结构是将面板的高强度和高模量与芯材的低密度和高刚性结合起来，使其具有优越的比刚度、比模量，较好的抗机械疲劳性，较大的临界曲屈载荷，光滑的气动表面，以及优良的绝热隔声性能等优点[1]。其中典型的夹层结构有机翼前缘、方向舵、起落架舱门、翼身和翼尖整流罩等，这些夹层结构的应用明显减轻了结构重量。由于其显著的优良特性，夹层结构作为一种新型结构形式在航空复合材料制造领域占据了越来越大的比重。[2]通常民机设计中蜂窝夹层结构零件的结构比较复杂，加之蜂窝特殊的材料及结构属性，在共固化成型过程中极易出现蜂窝变形、滑移、坍塌、孔隙等质量问题。为了成功制造出符合设计要求的蜂窝夹层结构零件，我们对影响零件成型的因素进行分析探讨和总结。
1 蜂窝夹层结构零件的材料及结构
1.1 材料
当今民机制造领域最流行的蜂窝材料为芳纶纸蜂窝。因芳纶纸蜂窝具有优良的高模、高强、阻燃、轻质、耐高温、低介电损耗等优点，迅速得到波音、空客等航空制造厂商的青睐。芳纶纸蜂窝芯材由压制的芳纶纸薄片构成，这些芳纶纸薄片经树脂浸渍，用胶粘剂或增容树脂胶接，拉伸成特定尺寸的蜂窝格子。[3]由于芳纶本身含有极性很强的酰胺基团，具有较强的吸水性，对湿度影响很敏感，在加工的过程中易受潮。蜂窝芯受潮后不但会降低蜂窝结构的力学强度，同时也会影响蜂窝夹层结构的胶接质量，易导致蒙皮与蜂窝芯之间的脱粘。
1.2 结构
蜂窝夹层结构零件主要由上、下面板，胶层及中间的蜂窝夹芯组成，如图1所示。在实际生产中，根据零件的设计要求将蜂窝芯铣切至相应的形状。因为蜂窝结构的特殊性，在蜂窝芯的储存、处理和包装过程中易受到油、水、灰尘的污染，同时这种结构易遭受外力损伤。
2 蜂窝夹层零件成型工艺
2.1 蜂窝铣切
蜂窝芯在铺叠前需要进行一定的切割加工，以满足装配、连接等要求，所以蜂窝芯复合材料的切割加工是蜂窝材料制品从研制到应用中的一个重要环节。夹层结构中，相对于纵向强度，夹芯板层间（面板与芯子及铺层之间）强度特别低。因此层间损伤问题一直是蜂窝夹芯板结构设计与维护中一个突出的问题。其中一个主要原因是蜂窝芯零件的铣切质量很难达到设计要求，主要受到主轴转速、进给速度、铣削宽度、铣削深度等几方面的影响。
2.2 蜂窝拼接
在制造大尺寸、复杂型面的夹层结构零件时，因预浸料、胶膜的幅宽限制，单张蜂窝的尺寸限制需要进行蜂窝拼接。并且多数夹层结构零件外形都是曲面的，根据零件结构需要采用不同厚度的蜂窝，所以铺放蜂窝芯材时也不可避免地要进行拼接。蜂窝的特殊结构导致其高度方向具有较高的抗压强度，但蜂窝孔格的W向和L向则不具备较高的承压能力。目前的蜂窝拼接是通过发泡胶固化工艺实现的。在发泡胶升温过程中体积膨胀会对蜂窝壁产生一个侧向的压力，使蜂窝芯发生形变，蜂窝芯位置滑移，表面平整度下降。[4]同时利用发泡胶固化时发泡剂分布不均易引起局部过量发泡
2.3 固化成型
目前蜂窩夹层零件主要是通过共固化工艺固化成型的。典型蜂窝夹层零件的封装如图2所示。
蜂窝夹层零件在固化过程中受到压力和温度的共同作用，蜂窝芯会产生收缩变化。毕红艳等人的研究数据表明，在180℃条件下分别施加0.6MPa、0.45MPa和0.3MPa的压力，蜂窝压缩量分别为3.95%、2.88%和1.9%。[5-6]可见随着温度和压力的上升，蜂窝的压缩量在增大。在共固化过程中，由于蜂窝芯的原因，蒙皮成型压力不能太高，通常采用0.3MPa左右的压力，而压力分布不匀将导致蒙皮产生孔隙密集。此外封装方式也会影响蜂窝夹层零件的表面状态及内部质量。经生产验证孔隙率的大小与透气毡的铺放位置有关。透气毡铺放于上面板时上面板孔隙率较低；透气毡铺放于下面板时下面板孔隙率较低。这表明真空袋内导气过程对孔隙的形成或消除有明显影响，真空作用有助于面板内部挥发分和气泡的排出。
结论
本文针对蜂窝夹层结构零件的材料、结构及成型工艺进行了一系列的分析，归纳总结了影响蜂窝夹层结构零件成型质量的影响因素。本文旨在指导生产，明确蜂窝夹层结构零件制造过程中的关键点，提前规避风险，保证产品的合格率。
参考文献
[1] 马科峰，张广成，刘良威等.夹层结构复合材料的吸波隐身技术研究进展[J].材料开发与应用，20lO，25（6）：53—57.
[2] 陈龙辉，付杰斌，王强，李伟东，陈里根.复合材料夹层结构在航空领域的应用.教练机，2014，2：44-48.
[3] 马春花，刘玉.国产芳纶纸蜂窝性能的研究.高科技纤维与应用，20l3，38（3）：20—24.
[4] 汪亮，孙玲.变截面蜂窝夹层结构复合材料胶接工艺研究.玻璃钢/复合材料，2009，3：65-70
[5] 程鹏飞，石少卿，郭剑峰.垂直压力作用下蜂窝夹层结构承载力的研究.四川建筑，2007，27（5）：140-142.
[6] 毕红艳，段友社，陈永清，侯军生，李察.复合材料蜂窝夹层结构的共固化成型工艺研究.第17届全国复合材料学术会议论文，670-674.
