航空用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)及制造工藝

中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司 程文禮 袁 超 邱啟艷 王清明 陳 靜

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)通常是由比較薄的面板與比較厚的蜂窩芯膠接而成，如圖1所示。由于其具有質(zhì)量輕、彎曲剛度與強度大、抗失穩(wěn)能力強、耐疲勞、吸音、隔音和隔熱性能好等優(yōu)點，長期以來備受航空領(lǐng)域的關(guān)注。在航空工業(yè)發(fā)達(dá)國家，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料已成功地大量應(yīng)用于飛機的主、次承力結(jié)構(gòu)，如機翼、機身、尾翼、雷達(dá)罩及地板、內(nèi)飾等部位。表1列出了國外主要機型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的使用狀況。

圖1 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of honeycomb sandwich structure

表1 國外主要機型及其蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的使用

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的設(shè)計和制造工藝是先進飛機研制的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著新材料、新工藝和新技術(shù)的發(fā)展，飛機結(jié)構(gòu)用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在蜂窩類型、規(guī)格（容重與孔格大小）、預(yù)浸料特性（流變特性、自粘性、懸垂性）及面板厚度、膠膜選擇及使用與否均有新的特點，其結(jié)構(gòu)特性與成型工藝、性能和成本有著密切關(guān)系。本文對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料與性能及其結(jié)構(gòu)與工藝進行了分析。

1 材料體系與性能

1.1 蜂窩芯子

蜂窩種類包括Nomex 蜂窩、鋁蜂窩及玻璃布蜂窩等，其功能是將上、下面板隔開，以承受由一個面板傳遞到另一個面板的載荷和橫向剪力。根據(jù)孔格形狀可分為正六邊形、過拉伸、單曲柔性、雙曲柔性、增強正六邊形和管狀等，如圖2所示[1]。在這些蜂窩夾芯材料中，以增強正六邊形強度最高，正六邊形蜂窩次之。由于正六邊形蜂窩制造簡單，用料省，強度也較高，故應(yīng)用最廣。應(yīng)用上，由于NOMEX蜂窩與鋁蜂窩相比，局部失穩(wěn)的問題要小得多，而且NOMEX材料不導(dǎo)電，不存在電化腐蝕問題，還能夠滿足FST（煙霧毒性）等要求，所以在航空制造上具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域[2]。表2列出了Hexcel與中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司相同級別的Nomex蜂窩的性能。

不同規(guī)格的蜂窩具有不同的密度和力學(xué)性能，密度小于48kg/m3的蜂窩屬于低密度蜂窩，這類蜂窩在民機、直升機、無人機等亞音速飛機上具有廣闊的使用前景。密度為48～80kg/m3的蜂窩稱為中、高密度蜂窩，具有較高的強度及剛度，廣泛應(yīng)用于某些有特殊力學(xué)性能要求的部位，如殲擊機的平尾、鴨翼及方向舵等。目前國外航空用蜂窩的生產(chǎn)廠家主要有Hexcel、M.C.Gill、Plascore、Advanced Honeycomb Technologies及Euro-technologies Inc.等，國內(nèi)主要是中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司。不同廠家生產(chǎn)的Nomex 蜂窩制造標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品性能是有差異的，選用時可參考GJB1874及其他有關(guān)資料[3]。

1.2 面板材料

面板種類包括鋁合金、玻璃鋼及碳纖維復(fù)合材料等，目前航空結(jié)構(gòu)上采用的大多為碳纖維單向帶或織物增強復(fù)合材料。面板主要功能是提供要求的軸向彎曲和面內(nèi)剪切剛度。面板材料的選擇需要考慮重量、承載、腐蝕、表面質(zhì)量及成本。因此，針對結(jié)構(gòu)形式和工藝需要進行具體選擇。目前，Hexcel、Cytec及ACG(Advanced Composites Group)等公司均開發(fā)出了適用于各種用途的材料體系，如HexPly 8552及CYCOM977-2，國內(nèi)中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司開發(fā)的BA9913中溫環(huán)氧及BA9916-II高溫環(huán)氧體系等。

圖2 幾種典型蜂窩幾何形狀Fig.2 Geometry of typical cellular

表2 NRH系列與HRH-10系列蜂窩性能

隨著對低成本的追求，熱壓罐外固化預(yù)浸料（OOA prepreg）技術(shù)在最近10年得到了快速發(fā)展。相對于傳統(tǒng)的熱壓罐固化預(yù)浸料體系，OOA預(yù)浸料體系在烘箱內(nèi)即可加熱固化，大大節(jié)省了熱壓罐設(shè)備費用。用于航空結(jié)構(gòu)的OOA預(yù)浸料應(yīng)具有固化后層板低孔隙含量，固化后性能與熱壓罐成型相當(dāng)?shù)奶攸c，而且還應(yīng)具有好的粘性及可操作性，可用于自動鋪帶/鋪絲操作。目前，已經(jīng)商業(yè)化的航空用熱壓罐外固化預(yù)浸料樹脂體系主要為環(huán)氧樹脂體系，如表3所示[4]。

目前，一些廠家還開發(fā)了可直接與蜂窩復(fù)合制造夾層結(jié)構(gòu)的預(yù)浸料，其采取共固化方法制備的夾層結(jié)構(gòu)性能能夠滿足設(shè)計與使用要求。由于不使用膠膜，簡化了工藝，降低了成本，減輕了結(jié)構(gòu)重量。文獻(xiàn)[5]研究了MTM45-1/Nomex蜂窩的性能，指出其夾層結(jié)構(gòu)符合航空主承力結(jié)構(gòu)對空隙的要求，并且其基本力學(xué)性能與Cycom977-2/AF191/Nomex夾層結(jié)構(gòu)相當(dāng)，可以用于主承力結(jié)構(gòu)。

表3 商業(yè)化的航空用熱壓罐外固化預(yù)浸料樹脂體系

1.3 結(jié)構(gòu)膠粘劑

結(jié)構(gòu)膠粘劑主要功能是將剪力傳遞至蜂窩芯子和由蜂窩芯子傳遞給面板。根據(jù)基體類型可以分為環(huán)氧類、酸馬來酰亞胺類及氰酸酯類膠粘劑等。其中環(huán)氧類具有高的強度和韌性及工藝性，可耐溫到200℃，故被廣泛應(yīng)用于航空結(jié)構(gòu)中；酸馬來酰亞胺類可以在更高的溫度下（230℃）保持較好的性能，主要用于超音速飛機的膠接；氰酸酯具有好的介電性能和低的熱膨脹系數(shù)，主要用于功能結(jié)構(gòu)的膠接，膠粘劑還可以根據(jù)物理狀態(tài)和組分進行劃分。

膠粘劑的選擇除考慮強度和使用溫度外，還需考慮質(zhì)量、工藝性及儲存期等，一般用于蜂窩膠接的膠膜質(zhì)量為150～400g/m2。其工藝性除與共固化預(yù)浸料的化學(xué)特性及固化工藝性兼容外，還要與蜂窩拼接膠、發(fā)泡膠及表面處理劑兼容。成型過程中膠粘劑應(yīng)具有足夠的流動性，能夠在面板與蜂窩孔壁之間形成膠瘤，但也不能從面板上完全流進蜂窩孔格內(nèi)，膠粘劑儲存期在-18℃一般不低于6個月。

目前，主要的航空用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)膠粘劑有Hexcel的REDUX系列、3M的Scotch-Weld?系列、Cytec的FM系列和Henkel的Hysol系列等，表4列出了國外幾種典型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)膠粘劑及其基本性能。國內(nèi)黑龍江石化院的J-47C、J-95、J-116A及中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司的SY-14C和SY-24C等均已在航空構(gòu)件上使用。

表4 幾種典型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)膠粘劑及其性能

2 結(jié)構(gòu)特點及制造方法

2.1 結(jié)構(gòu)特點及成型方式

目前，航空用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)主要有兩類，第一類為蜂窩夾層壁板結(jié)構(gòu)，如圖3（a），主要用于機身和機翼結(jié)構(gòu)。其特點是上、下面板較薄，一般不超過1mm，整個蜂窩夾層板厚度一般不超過30mm，結(jié)構(gòu)內(nèi)部有梁/墻作為支撐，與機體的連接主要通過金屬預(yù)埋件或梁/墻上的接頭；第二類為全高度變截面結(jié)構(gòu)，如圖3（b），主要用于方向舵和升降副翼等。其特點是梁肋等零件固化后通過鉚釘聯(lián)接在一起，梁肋零件與蜂窩芯材之間一般采用發(fā)泡膠填充，整個零件與機體的連接主要依靠復(fù)合材料或金屬梁上的接頭。

圖3 典型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)Fig.3 Typical honeycomb sandwich structure

夾層結(jié)構(gòu)的成型方法可以根據(jù)面板與蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的成型步驟分為二次膠接法和共固化法，針對形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)還可以采取膠接共固化或分步固化。不同成型方式及特點如表5所示。

2.2 制造工藝

2.2.1 熱壓罐工藝

傳統(tǒng)的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)主要采用熱壓罐工藝，它的最大優(yōu)點是能在大范圍內(nèi)提供好的外加壓力、真空及溫度精度，可以滿足各種材料對加工工藝條件的要求，而且能夠制造形狀復(fù)雜的零件。熱壓罐成型的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件具有力學(xué)性能優(yōu)異、面板孔隙率低、樹脂含量均勻及內(nèi)部質(zhì)量良好等優(yōu)點。熱壓罐成型時工藝輔助材料及封裝方式如圖4所示。但該方法經(jīng)濟性差，設(shè)備一次性投入及維護成本較高，目前主要用于生產(chǎn)高性能復(fù)合材料。

表5 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)成型方式

圖4 熱壓罐成型典型封裝方式Fig.4 Typical bagging of autoclave process

2.2.2 真空袋工藝

真空袋工藝的特點是設(shè)備簡單，投資少，易于操作。但傳統(tǒng)預(yù)浸料/真空袋工藝能達(dá)到的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不太高，一般用于承力較小的結(jié)構(gòu)。這是因為與熱壓罐工藝相比，雖然鋪疊和封裝技術(shù)基本相同，但其成型壓力小，較低的壓力可能導(dǎo)致空氣從蜂窩孔格內(nèi)流入面板，造成高孔隙率。因此，空氣必須在樹脂軟化之前從蜂窩孔格中排出。J. Kratz等人[6]指出，如果在加熱前，蜂窩孔格內(nèi)的壓力降低到0.05MPa或更低，空氣就不會流入面板，即空氣在固化過程中仍然留在芯材內(nèi)。制造上可以通過采用低面密度的玻璃纖維織物作為導(dǎo)氣介質(zhì)排出蜂窩孔格內(nèi)的空氣，但固化后織物會留在夾層結(jié)構(gòu)中增加重量，事實上，目前許多帶載體的膠膜其載體也可以起到導(dǎo)氣作用。另外，新的OOA預(yù)浸料通過控制干纖維的浸潤程度（見圖5[7]）來提供足夠的排氣通道及通過樹脂流變性能的優(yōu)化達(dá)到“可控流動性”來實現(xiàn)固化過程中氣體的排出，降低面板的孔隙率，得到高質(zhì)量的夾層結(jié)構(gòu)零件。

圖5 預(yù)浸料浸潤程度對比Fig.5 Comparison of prepreg wetting degree

2.2.3 模壓工藝

模壓工藝兼有熱壓罐工藝和真空袋工藝的優(yōu)點，具有成型壓力大、成型效率高及經(jīng)濟性好等特點，能夠準(zhǔn)確保證夾層結(jié)構(gòu)的厚度和尺寸，構(gòu)件同時具有兩個光潔表面。通常用于批生產(chǎn)，采用模壓工藝的構(gòu)件有飛行控制部件及直升機旋翼等。其主要缺點是模具成本相對較高，特別是結(jié)構(gòu)較大的復(fù)雜零件，圖6為模壓工藝制造蜂窩夾層結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 模壓工藝制造蜂窩夾層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Diagram of honeycomb molding process

2.2.4 液體成型工藝

除上述傳統(tǒng)工藝外，Euro-Composites公司開發(fā)了蜂窩液體成型工藝（EC-HLM）首次在RI（Resin Infusion）工藝中使用蜂窩，其主要特點就是在蜂窩與面板預(yù)成型體之間放置一層阻擋層，防止低粘度的注射樹脂流入蜂窩孔格。成型過程中先將阻擋層與蜂窩芯預(yù)固化粘合在一起，再進行樹脂灌注，如圖7所示[8]。與采用傳統(tǒng)的預(yù)浸料/熱壓罐技術(shù)制造的部件相比，此工藝降低了材料成本（干織物和純樹脂代替預(yù)浸料），減輕了10%～15%的質(zhì)量（膠膜減少），降低了工藝成本（不采用熱壓罐工藝），減少時間30%，并且提高了水密性，降低了面板的孔隙率（蜂窩孔格密封）。該技術(shù)已經(jīng)在A380上得到應(yīng)用。

圖7 蜂窩液體成型工藝Fig.7 Honeycomb liquid molding

3 結(jié)束語

目前，我國航空復(fù)合材料，尤其是蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在設(shè)計上仍較多地采用傳統(tǒng)的方法與經(jīng)驗，可供選擇的材料體系較少，制造工藝方面也顯得落后。未來的航空用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)技術(shù)依然需要在設(shè)計、材料、制造工藝及成本與維修等方面開展全面而深入的研究。

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