ARA LL層板在某型飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

李正暉 高麗紅 賀 輝 張 喆

（第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710089）

ARA LL層板在某型飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

李正暉 高麗紅 賀 輝 張 喆

（第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710089）

某型飛機(jī)方向舵中段壁板上使用了ARALL層板代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋁合金板材，通過對ARALL層板的設(shè)計(jì)以及力學(xué)性能試驗(yàn)，驗(yàn)證了ARALL層板設(shè)計(jì)達(dá)到了研制要求，解決了某型飛機(jī)方向舵中段壁板釘孔振動(dòng)疲勞裂紋及鉚釘松動(dòng)等問題。

ARALL層板；飛機(jī)結(jié)構(gòu)；應(yīng)用

ARALL層板是世界上第一種商品化生產(chǎn)的纖維增強(qiáng)金屬基層板（FML），由荷蘭DELFT工業(yè)大學(xué)為NASA的航天飛機(jī)計(jì)劃而研制開發(fā)，1982年研制成功，被譽(yù)為未來飛機(jī)結(jié)構(gòu)最有潛力的材料之一。它由芳綸纖維/環(huán)氧樹脂層與鋁合金薄板交替鋪層組成，結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有非常優(yōu)異的耐疲勞性能和損傷容限性能。

ARALL層板一般是由厚度約0.3mm的經(jīng)表面處理并涂底膠的鋁合金板和厚度約0.2mm的芳綸纖維預(yù)浸料交替鋪層，經(jīng)加溫加壓固化而成的層壓板材料，根據(jù)不同用途，可以設(shè)計(jì)制造出不同厚度的層壓板。ARALL層板的結(jié)構(gòu)見圖1。這種材料結(jié)合了鋁合金和纖維/樹脂基復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)，克服了各自的缺點(diǎn)，具有密度小、強(qiáng)度高、耐環(huán)境、防雷擊、疲勞性能及破損安全性好、阻尼特性好及加工簡便等特點(diǎn)。此材料已在荷蘭Fokker公司的F-27,F-50機(jī)翼下面板，美國波音公司 C-17貨艙門上得到了成功的應(yīng)用，獲得了減重23%～33%，疲勞壽命提高3倍以上的效果；德國空中客車公司（DAA）把這種材料用于A330/A340機(jī)身桶段拱頂，波音公司也將用于B-757客艙地板，符合美國宇航標(biāo)準(zhǔn)ASM 4254-1996《ARALL層板材料規(guī)范》，是航空航天用新型結(jié)構(gòu)材料。

1 ARALL層板的主要特點(diǎn)

ARALL層板是在薄鋁合金膠接層板的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，由于在膠層中引入了規(guī)則排列的高強(qiáng)度高模量的纖維，大大提高了層板在纖維方向的極限強(qiáng)度和抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力，具備如下的優(yōu)點(diǎn)。

● 比強(qiáng)度高。由于纖維的增強(qiáng)作用和層板的密度較小，ARALL在纖維方向的極限強(qiáng)度值遠(yuǎn)大于相應(yīng)的鋁合金，但斷裂延伸率比鋁合金的低；

● 疲勞性能好。當(dāng)鋁合金一旦產(chǎn)生疲勞裂紋時(shí)，裂紋的擴(kuò)展受到裂紋尖端完好纖維的止裂作用，纖維的這種“橋接”作用使層板具有優(yōu)異的疲勞性能，特別是經(jīng)預(yù)拉伸的層板，裂紋擴(kuò)展速率將會(huì)因受阻而減慢，具有自行阻止裂紋擴(kuò)展的能力；

● 損傷容限好。由于纖維對疲勞裂紋的抑制作用，加上膠粘劑層使應(yīng)力分散，松弛和轉(zhuǎn)移，以及無裂紋的板有效地阻止裂紋板中的裂紋擴(kuò)展，使得纖維鋁合金膠接層板具有很好的損傷容限，即使有幾個(gè)毫米長的疲勞裂紋仍可安全工作；

● 耐環(huán)境性好。由于外層鋁合金的保護(hù)作用，ARALL層板具有比纖維樹脂基復(fù)合材料更好的耐潮濕環(huán)境性能；

● 抗雷擊性好。層板的表面均為鋁合金，導(dǎo)電性好，具有抗雷擊的能力，并有減輕整體油箱重量的潛力；

式中，W維數(shù)為n×s，θ1為閾值，維數(shù)為s×1；f1（I1）為隱含層的傳遞函數(shù)，常用Sigmoid函數(shù)。

● 阻尼性能好。在1Hz～1 000Hz范圍內(nèi)ARALL層板的聲阻性能比整體鋁板高2.3倍；

● 成形加工性好。具有相似鋁合金的成型加工特性，可以銑、切、磨、鉆，可鉆磨頭孔，進(jìn)行鉚接或螺栓連接，也可以進(jìn)行二次膠接（含表面處理和加溫固化）。采用合適工藝，可制成彎曲半徑僅幾個(gè)毫米的加強(qiáng)件。

但由于芳綸纖維與膠粘劑之間的界面結(jié)合差，導(dǎo)致ARALL的剝離強(qiáng)度較低，對缺口（纖維切斷）或沖擊敏感，相對于鋁合金來說，機(jī)械加工較為困難，且無法成型形狀復(fù)雜的制件；同時(shí)價(jià)格高昂，國內(nèi)售價(jià)達(dá)到8 000元/kg左右，從而限制了其應(yīng)用與發(fā)展。

2 ARALL層板的耐疲勞機(jī)理

ARALL結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)決定了它具有優(yōu)異的疲勞性能，在循環(huán)應(yīng)力作用下，ARALL外層的鋁合金薄板產(chǎn)生微裂紋，芳綸纖維在裂紋之間搭橋，從而降低裂紋尖端的應(yīng)力集中，避免了裂紋的擴(kuò)展，阻止裂紋情況見圖2。

ARALL層板的疲勞性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋁合金板材，兩者疲勞性能的對比見圖3。

3 ARALL層板在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用研究

某型飛機(jī)方向舵中段壁板原使用LY12鋁合金板材，在飛行100h～200h后，由于劇烈振動(dòng)經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋并出現(xiàn)鉚釘松動(dòng)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響飛行安全。圖4為方向舵簡圖。將壁板材料更換為耐疲勞性能好的材料是解決此問題較為安全及快捷的方法。

綜合考慮，為提高此部位的疲勞強(qiáng)度，徹底解決疲勞裂紋及鉚釘松動(dòng)問題，同時(shí)減輕結(jié)構(gòu)重量，方向舵中段蒙皮壁板采用耐疲勞性能優(yōu)異的國產(chǎn)ARALL代替鋁合金，需對研制的ARALL進(jìn)行應(yīng)用研究，確保其質(zhì)量穩(wěn)定可靠，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1 ARALL層板設(shè)計(jì)

根據(jù)國外研究成果發(fā)現(xiàn)，ARALL中鋁板的厚度在0.3mm以下時(shí)疲勞性能最好（見圖5），選擇較薄的鋁合金薄板還可以降低材料密度。因此，選擇了使用0.254mm厚2024-T3鋁合金薄板（符合HB 5471-1991《2024鋁合金預(yù)拉伸板》）作為金屬層的ARALL，其總厚度為1.3mm，與原用1.2mm厚LY12-CZ鋁合金板厚度接近。

ARALL由3層2024-T3鋁合金薄板和2層kevlar49芳綸/樹脂層組成，密度為2.2g/cm3（采用0.3mm厚鋁合金薄板的材料密度為2.33g/cm3），粘接劑選用SY-14C，符合法宇航AIR 4108-1992《結(jié)構(gòu)膠粘劑》的鑒定要求，結(jié)構(gòu)和組成與國外的ARALL-2層板相近。因?yàn)榉较蚨嬷卸蚊善け诎迨芰Ψ较騿我唬虼诉x擇單向芳綸纖維沿飛機(jī)航向鋪層。由于芳綸纖維和鋁合金的熱膨脹系數(shù)差異較大（芳綸纖維為-2×10-6K-1，鋁合金為23.2×10-6K-1），ARALL固化后芳綸纖維會(huì)受到壓縮應(yīng)力，對疲勞性能產(chǎn)生不利的影響，因此，對固化后的層板施加預(yù)應(yīng)力或使其產(chǎn)生預(yù)應(yīng)變可以使芳綸纖維受到拉伸應(yīng)力，從而進(jìn)一步提高疲勞性能。對于大尺寸層板使用預(yù)應(yīng)力法調(diào)整殘余應(yīng)力比較困難，通過對層板進(jìn)行0.5%的預(yù)應(yīng)變來調(diào)整殘余應(yīng)力。預(yù)應(yīng)變和疲勞性能的關(guān)系見圖6。

3.2 ARALL層板力學(xué)性能研究

對ARALL層板進(jìn)行力學(xué)性能驗(yàn)證試驗(yàn)，從而評估該材料的力學(xué)性能是否達(dá)到研制要求，并獲取材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)，以供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算使用。

力學(xué)試驗(yàn)項(xiàng)目確定如下：

● 通過測試?yán)?、壓縮、彎曲、剪切性能考察其常規(guī)性能；

● 通過浮滾剝離性能試驗(yàn)考察鋁合金層和纖維/樹脂層之間的粘接性能；

● 通過面內(nèi)剪切試驗(yàn)考察工作區(qū)平面內(nèi)承受剪切力的能力；

● 對于將在鉚釘孔周圍經(jīng)常出現(xiàn)裂紋的部位使用的材料通過擠壓試驗(yàn)考核層板銷孔和銷子結(jié)合處承受擠壓應(yīng)力的能力；

● 通過缺口拉伸試驗(yàn)考察耐損傷能力及裂紋敏感性、疲勞性能等；

● 通過濕熱環(huán)境試驗(yàn)考察沿海濕熱氣候?qū)Σ牧闲阅艿挠绊懀?/p>

● 通過高溫試驗(yàn)考察高速氣流沖刷產(chǎn)生熱量對材料性能的影響；

● 通過低溫試驗(yàn)考察北方嚴(yán)寒氣候?qū)Σ牧闲阅艿挠绊憽?/p>

ARALL的常溫力學(xué)性能試驗(yàn)項(xiàng)目見表1，試驗(yàn)方法按GB/T 3354-1999《定向纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》、GB/T 3856-2005《單項(xiàng)纖維增強(qiáng)塑料平板壓縮性能試驗(yàn)方法》、HB 7617-1998《纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料層板彎曲性能試驗(yàn)方法》、HB 7237-1995《復(fù)合材料層合板面內(nèi)剪切試驗(yàn)方法》、GB/T 7122-1996《高強(qiáng)度膠粘劑剝離強(qiáng)度的測定浮滾法》，浮滾剝離試驗(yàn)裝置與面內(nèi)剪切試樣破壞形式分別見圖7與圖8。

表1 ARALL環(huán)境條件下力學(xué)性能測試結(jié)果（典型值）

上述力學(xué)性能試驗(yàn)證明，ARALL的室溫、高溫、低溫及濕熱環(huán)境下的各種力學(xué)性能均滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)，絕大部分環(huán)境條件下的力學(xué)性能數(shù)據(jù)與室溫條件下的力學(xué)性能數(shù)據(jù)相差不大，說明ARALL耐環(huán)境性能優(yōu)異，對環(huán)境條件不敏感。與鋁合金相比，ARALL的綜合性能有所提高，其縱向性能大幅度提高，缺口拉伸性能也有相當(dāng)大的改善。采用ARALL用于某型飛機(jī)方向舵中段蒙皮壁板，解決了釘孔振動(dòng)疲勞裂紋及鉚釘松動(dòng)等問題，同時(shí)在一定程度上減輕了結(jié)構(gòu)重量，單機(jī)減重0.78kg。

4 結(jié)論

ARALL層板具有優(yōu)異的減震性能和

隔音性能，能夠制成大型壁板結(jié)構(gòu)，所需加強(qiáng)件少于鋁合金薄板，特別適合疲勞及抗損傷性能要求高的部位。 隨著纖維增強(qiáng)金屬基層板生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，生產(chǎn)工藝方法及成型設(shè)備的進(jìn)一步完善，影響纖維增強(qiáng)金屬基層板擴(kuò)大應(yīng)用范圍的成本問題將得到解決。而激光成形及加工等新技術(shù)的發(fā)展，將促使纖維增強(qiáng)金屬基層板制件的加工及裝配成本降低。以ARALL層板為代表的纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料必將在航空領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

[1] 陳紹杰，李萍，朱珊. 新型層板材料[J]. 航空制造工程，1991（5）.■

T-65

C

1003-6660（2017）03-0050-04

10.13237/j.cnki.asq.2017.03.012

[收修訂稿日期] 2017-05-09

（編輯：雨晴）