直升機(jī)復(fù)合材料導(dǎo)電結(jié)構(gòu)制造工藝

祝景萍 劉望子 江 躍

（昌河飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，景德鎮(zhèn) 333002）

0 引言

隨著直升機(jī)的發(fā)展，復(fù)合材料也在直升機(jī)上占據(jù)了越來(lái)越重要的位置。大量通信、導(dǎo)航設(shè)備加裝在復(fù)合材料零部件上，對(duì)零部件與設(shè)備連接通路的導(dǎo)電性提出了較高的要求。復(fù)合材料導(dǎo)電的方式很多，尤其是復(fù)合導(dǎo)電高分子材料［1-2］，甚至是納米級(jí)別［3］的導(dǎo)電復(fù)合材料的應(yīng)用，但考慮到強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、工藝及批產(chǎn)等因素，目前直升機(jī)復(fù)合材料的通用導(dǎo)電模式還是采用銅網(wǎng)+設(shè)備接口銅條/銅片的方式。按照傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)生產(chǎn)的直升機(jī)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)電阻值一般≥50 mΩ，對(duì)新型、高精度的通信和導(dǎo)航設(shè)備性能帶來(lái)很大的影響。本文通過(guò)介紹某型號(hào)直升機(jī)復(fù)合材料尾梁導(dǎo)電結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)工藝過(guò)程，詳細(xì)闡述了影響直升機(jī)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)因素及相應(yīng)的改進(jìn)方法。

1 直升機(jī)復(fù)合材料尾梁導(dǎo)電要求及現(xiàn)狀

參照直升機(jī)的通用導(dǎo)電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，某直升機(jī)尾梁的電阻值應(yīng)滿足表1的要求。但在實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，5架機(jī)（NO.1～NO.5）的電阻值都無(wú)法滿足要求。電阻實(shí)測(cè)值如表1所示。從表1可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的直升機(jī)復(fù)合材料尾梁導(dǎo)電效果不佳，急需進(jìn)行工藝優(yōu)化、改進(jìn)。另外，從圖1和表1中可以發(fā)現(xiàn)，所有測(cè)量距離與電阻值之間并沒(méi)有線性關(guān)系［4］，也不符合客觀規(guī)律。

表1 直升機(jī)尾梁導(dǎo)電要求及實(shí)測(cè)值1）Tab.1 Conductive requirements and measured data of helicopter tail beam

2 直升機(jī)復(fù)合材料尾梁導(dǎo)電結(jié)構(gòu)分析

針對(duì)直升機(jī)復(fù)合材料尾梁導(dǎo)電結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，復(fù)合材料尾梁是通過(guò)碳纖維復(fù)合材料［5］表面的銅片-銅網(wǎng)-鉚釘-機(jī)加框-機(jī)身形成了導(dǎo)電通路，具體如圖1所示。

圖1 直升機(jī)尾梁導(dǎo)電通路圖Fig.1 Conductive path map of helicopter tail beam

復(fù)合材料尾梁導(dǎo)電效果不佳的原因可能如下。（1）設(shè)備接口銅片-銅網(wǎng)之間的連接問(wèn)題。在直升機(jī)尾梁中，預(yù)埋的設(shè)備接口銅片與銅網(wǎng)之間直接接觸，沒(méi)有任何機(jī)械連接的方式。在直升機(jī)尾梁采用熱壓罐成型技術(shù)制造的時(shí)候，尾梁會(huì)受到3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓力，復(fù)合材料預(yù)浸料所包含的膠液會(huì)在高溫（180 ℃左右）和壓力的雙重作用下產(chǎn)生隨機(jī)的流動(dòng)，進(jìn)一步滲入設(shè)備接口銅片-銅網(wǎng)的接觸面，形成局部或全面的膠液隔離層。眾所周知，純環(huán)氧樹(shù)脂屬于高分子絕緣材料［6］，從而產(chǎn)生導(dǎo)電效果差的問(wèn)題。實(shí)際上，返修的3 架機(jī)（NO.1～NO.3）也證明了這個(gè)情況。（2）銅網(wǎng)自身的原因。某型號(hào)復(fù)合材料尾梁長(zhǎng)達(dá)4 m，為了便于操作，施工時(shí)往往將其分成數(shù)段搭接而成。在搭接的位置，同樣存在膠液滲入銅網(wǎng)-銅網(wǎng)的接觸面，形成局部或全面的膠液絕緣層的問(wèn)題。（3）銅網(wǎng)-鉚釘之間的連接問(wèn)題。如果鉚接金屬連接框的金屬鉚釘全部落在了銅網(wǎng)的孔格之間而不是落在通網(wǎng)上，那么銅網(wǎng)-鉚釘之間的導(dǎo)電就主要依靠碳纖維-銅網(wǎng)傳導(dǎo)完成。碳纖維雖然導(dǎo)電，但其導(dǎo)電性能明顯弱于銅網(wǎng)，對(duì)尾梁的電阻會(huì)產(chǎn)生極大的影響。

考慮到鉚接金屬連接框的金屬鉚釘很多，第三類因素的極端情況發(fā)生的概率很低，因此，主要針對(duì)（1）、（2）類因素進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn)。

3 工藝優(yōu)化

3.1 工藝優(yōu)化方案

表2 復(fù)合材料尾梁導(dǎo)電備選方案Tab.2 Conductive alternative projects of composite tail beam

針對(duì)尾梁自身設(shè)備接口銅片-銅網(wǎng)之間的連接問(wèn)題，主要是采取有效的工藝方法，阻止設(shè)備接口銅片-銅網(wǎng)的接觸面局部或全面的膠液絕緣層的形成。從上述機(jī)理出發(fā)，引伸出兩個(gè)改進(jìn)方向:（1）在銅片周圍放置一圈干玻璃布吸膠，阻止膠液的滲入；（2）在設(shè)備接口銅片-銅網(wǎng)之間采取導(dǎo)電連接，形成導(dǎo)電界面。經(jīng)多方調(diào)查，發(fā)現(xiàn)可手工操作的、方便在復(fù)合材料特定的環(huán)境中實(shí)施的導(dǎo)電連接只有采用手工焊接［7］。因此，形成的工藝優(yōu)化方案見(jiàn)表2。為從表2中挑選出最佳工藝方案，需開(kāi)展相應(yīng)的工藝驗(yàn)證。

3.2 縮比工藝驗(yàn)證

根據(jù)表2的工藝優(yōu)化方案，投入工藝試驗(yàn)件進(jìn)行驗(yàn)證。為節(jié)約物料，按照實(shí)物與試樣比例4∶1進(jìn)行縮比試驗(yàn)，如圖2所示。將縮比驗(yàn)證的試樣進(jìn)行電阻值測(cè)量，具體結(jié)果如表3所示。

圖2 導(dǎo)電工藝方案縮比試驗(yàn)Fig.2 Shrinkage test of conductive projects

從表3可以發(fā)現(xiàn):（1）在導(dǎo)電銅片周圍放一圈干玻璃布并不能夠起到阻止膠液滲入導(dǎo)電界面的作用，且易造成結(jié)構(gòu)分層的潛在問(wèn)題；（2）除焊接對(duì)導(dǎo)電性能有明顯的提高外，其余的導(dǎo)電連接方式對(duì)導(dǎo)電性能幾乎沒(méi)有影響；（3）長(zhǎng)度連續(xù)的銅網(wǎng)，其導(dǎo)電性能比不連續(xù)的銅網(wǎng)效果超出了50%以上。

表3 直升機(jī)尾梁縮比驗(yàn)證結(jié)果Tab.3 Shrinkage verification results of helicopter tail beam

3.3 全尺寸模擬驗(yàn)證

結(jié)合縮比驗(yàn)證的結(jié)論，選取影響導(dǎo)電效果的結(jié)構(gòu)部分，按照方案b-5 完成了尾梁模擬工藝件，模擬件在導(dǎo)電結(jié)構(gòu)上與尾梁完全一致，簡(jiǎn)化了與尾梁導(dǎo)電性能無(wú)關(guān)的部分，如外形及復(fù)合材料的鋪層結(jié)構(gòu)。如圖3所示。

圖3 尾梁全尺寸模擬試驗(yàn)件Fig.3 Full size simulation sample of tail beam

對(duì)不同部位和距離的設(shè)備接口銅片-銅網(wǎng)之間的電阻進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量圖見(jiàn)圖4。結(jié)合圖4，測(cè)量不同位置上導(dǎo)電通路的電阻情況，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表4。

圖4 尾梁全尺寸試驗(yàn)件電阻測(cè)量位置圖Fig.4 Resistance measurement locations of full size tail beam sample

表4 尾梁全尺寸試驗(yàn)件電阻測(cè)量結(jié)果Tab.4 Resistance measurement results of full size tail beam sample

從表4可以看出，隨著導(dǎo)電通路的長(zhǎng)度變化，其電阻值逐漸增加。電阻的增長(zhǎng)并不嚴(yán)格按照線性關(guān)系增加，但卻是按照線性關(guān)系的趨勢(shì)在增加，具體如圖5所示，且仍難以滿足表1直升機(jī)尾梁導(dǎo)電技術(shù)要求。從尾梁全尺寸試驗(yàn)件可以發(fā)現(xiàn)，采用手工焊接技術(shù)是一個(gè)提升尾梁導(dǎo)電結(jié)構(gòu)導(dǎo)電性的方法，且電阻穩(wěn)定、變化小，但仍然需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝，降低電阻值。

圖5 尾梁全尺寸試驗(yàn)件電阻測(cè)量結(jié)果Fig.5 Resistance measurement results of full size tail beam sample

3.4 焊接工藝優(yōu)化

經(jīng)專業(yè)分析后發(fā)現(xiàn)，降低復(fù)合材料尾梁基體材料-銅網(wǎng)與基體上預(yù)埋的連接設(shè)備接口銅片之間的導(dǎo)電電阻，是提升復(fù)合材料尾梁導(dǎo)電結(jié)構(gòu)電阻性能的關(guān)鍵。因此，需要對(duì)焊接工藝進(jìn)行攻關(guān)，如何減少焊接材料的堆積，降低銅網(wǎng)-銅片之間焊料的厚度成為攻關(guān)的重點(diǎn)。對(duì)多次手工焊接試驗(yàn)件的導(dǎo)電率及焊接材料厚度進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)焊接材料厚度越厚的試樣導(dǎo)電率越低。一般來(lái)講，當(dāng)技術(shù)文件沒(méi)有明確要求的時(shí)候，通常是采用手工方式進(jìn)行焊接，手工進(jìn)行焊接時(shí)焊層材料的厚度大約為0.8 mm。這種焊接質(zhì)量以及焊層的材料厚度完全不能滿足直升機(jī)復(fù)合材料尾梁導(dǎo)電結(jié)構(gòu)制造的要求。

通過(guò)查閱資料可知，通過(guò)采用表面處理的方式，可有效地提升手工焊接質(zhì)量。經(jīng)工藝試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)銅片進(jìn)行鍍層預(yù)處理，可以得到一個(gè)良好的預(yù)處理界面，如圖6所示。在后續(xù)手工焊接的工序中，預(yù)處理層表面更容易擴(kuò)散，進(jìn)一步形成光滑的、均勻的預(yù)處理焊接層。不僅可以大大減少焊料的使用量，更達(dá)到了控制銅網(wǎng)-銅片之間焊料厚度的效果。經(jīng)測(cè)試，采用預(yù)處理過(guò)的銅片，在后續(xù)焊接時(shí)，焊層材料厚度可以從0.8降低至0.2 mm，且導(dǎo)電能力得到了很大的提升。預(yù)處理工藝優(yōu)化前后焊接對(duì)比效果如圖7所示。

圖6 銅片預(yù)處理效果Fig.6 Pretreatment effect of copper

圖7 預(yù)處理工藝優(yōu)化前后Fig.7 Before and after pretreatment process

3.5 裝機(jī)件驗(yàn)證

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，將尾梁導(dǎo)電結(jié)構(gòu)改進(jìn)工藝應(yīng)用在了裝機(jī)件上。實(shí)施后，按照?qǐng)D4對(duì)裝機(jī)件的電阻進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表5所示。

表5 尾梁裝機(jī)件電阻測(cè)量結(jié)果Tab.5 Resistance measurement results of tail beam on helicopter

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)證并裝機(jī)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，直升機(jī)復(fù)合材料尾梁導(dǎo)電材料需連續(xù)，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度與電阻具有線性關(guān)系且可以通過(guò)對(duì)設(shè)備接口進(jìn)行預(yù)處理的方式提升直升機(jī)復(fù)合材料尾梁的電導(dǎo)率，具體如下:（1）在導(dǎo)電方向上應(yīng)連續(xù)鋪放銅網(wǎng)，以保證導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的連續(xù)性；（2）在與其部位的部件導(dǎo)電連接時(shí)，用于連接的銅片需要進(jìn)行預(yù)處理，再與銅網(wǎng)進(jìn)行錫焊連接，可以獲得效果穩(wěn)定的導(dǎo)電界面；（3）導(dǎo)電效果與導(dǎo)電通路的長(zhǎng)度和預(yù)處理質(zhì)量相關(guān)，基本屬于線性關(guān)系。