核心提示：蜂窩夾層復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、彎曲強(qiáng)度與剛度大、抗失穩(wěn)能力強(qiáng)、耐疲勞老化、吸音、隔音及隔熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)備受航空結(jié)構(gòu)的關(guān)注。在航空工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料己大量應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)，如機(jī)翼、機(jī)身、尾翼、雷達(dá)罩及地板、內(nèi)飾等。

 蜂窩夾層復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、彎曲強(qiáng)度與剛度大、抗失穩(wěn)能力強(qiáng)、耐疲勞老化、吸音、隔音及隔熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)備受航空結(jié)構(gòu)的關(guān)注。在航空工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料己大量應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)，如機(jī)翼、機(jī)身、尾翼、雷達(dá)罩及地板、內(nèi)飾等。隨著飛機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)全壽命成本的提高，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料體系、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、整體化制造技術(shù)及低成本技術(shù)均需進(jìn)一步提升。

一、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)承力原理

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)一般由上、下2個(gè)薄面板和中間的蜂窩芯通過(guò)膠粘劑粘接在一起，其載荷傳遞方式與工字梁相同，上、下面板主要承受由彎矩引起的面內(nèi)拉壓應(yīng)力及面內(nèi)剪應(yīng)力，芯材主要承受由橫向力產(chǎn)生的剪應(yīng)力，圖1為彎曲載荷下的夾層結(jié)構(gòu)受力情況。隨著夾層高度的增加，截面慣性矩增大，結(jié)構(gòu)的彎曲剛度得以提高，表1為蜂窩夾層高度及性能關(guān)系。

圖1 夾層結(jié)構(gòu)在彎曲載荷下受力情況

表1 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)比強(qiáng)度及比剛度

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中，芯材的一個(gè)最重要的屬性是它的剪切強(qiáng)度和剛度。為了防止由于彎曲載荷造成的失效，特別是薄面板結(jié)構(gòu)中，芯材必須能夠承受壓縮載荷。另一個(gè)重要的失效機(jī)理是芯材和面板脫粘，因此對(duì)夾層結(jié)構(gòu)膠粘劑的強(qiáng)度和成型工藝提出了更高要求，通常用于制造夾層結(jié)構(gòu)的膠粘劑強(qiáng)度大于芯材，一般會(huì)在芯材內(nèi)部發(fā)生破壞，另外，為確保高效的膠接質(zhì)量，膠接工藝也是結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

二、材料及工藝

1.材料體系

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)由蜂窩、面板，膠粘劑組成，其中蜂窩材料包括芳綸紙蜂窩（Nomex、Kevlar、KOREX）、鋁蜂窩及玻璃布蜂窩等，由于芳綸紙材料不導(dǎo)電，不存在電化腐蝕問(wèn)題，還能夠滿(mǎn)足煙霧毒性（FST）要求，局部失穩(wěn)比鋁蜂窩要小得多，所以應(yīng)用較廣泛。目前，國(guó)外應(yīng)用較多的是赫氏公司公司（Hexcel）的HexWeb ?蜂窩，國(guó)內(nèi)主要是中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司NRH系列蜂窩。

面板材料包括鋁合金、玻璃鋼及碳纖維復(fù)合材料等，其中碳纖維單向帶或織物增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用最多。另外，隨著對(duì)低成本的追求，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)用熱壓罐外固化預(yù)浸料（OOA prepreg）得到快速發(fā)展。目前，已經(jīng)商業(yè)化的主要為環(huán)氧樹(shù)脂體系，應(yīng)用較多的為先進(jìn)復(fù)合材料公司（ACG[l1] ）的MTM44-1，MTM45-1，MTM46；氰特公司（Cytec）的Cycom5320-1，赫氏公司（Hexcel）的Hexply M56等，國(guó)內(nèi)中航復(fù)合材料有限公司的BA9913、LT-03A等。

結(jié)構(gòu)膠粘劑按基體類(lèi)型可分為環(huán)氧類(lèi)、酸馬來(lái)酰亞胺類(lèi)、氰酸酯類(lèi)、聚酰亞胺等，由于環(huán)氧類(lèi)具有較好的工藝性，其改進(jìn)后具有較高的韌性，被廣泛應(yīng)用于航空結(jié)構(gòu)；酸馬來(lái)酰亞胺類(lèi)及聚酰亞胺主要應(yīng)用于耐溫更高的結(jié)構(gòu)；氰酸酯類(lèi)由于據(jù)有較好的介電性能，主要用于雷達(dá)天線(xiàn)等功能結(jié)構(gòu)的膠接。目前用于航空結(jié)構(gòu)的主要膠粘劑廠(chǎng)家及牌號(hào)包括Cytec的FM系列，3M的Scotch-Weld系列，Hexcel的REDUX系列，Henkel的Hysol系列，黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究院的J系列，航空材料研究院的SY系列等。

2.制造工藝

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)成型工藝包括熱壓罐成型、真空袋成型，模壓成型及液體成型等，表2列出了幾種成型工藝的優(yōu)缺點(diǎn)。

表2 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)不同成型工藝比較

三、結(jié)構(gòu)應(yīng)用

1.在軍用飛機(jī)上的應(yīng)用

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在軍機(jī)上的應(yīng)用最早是20世紀(jì)四五十年代，使用的是開(kāi)孔鋁蜂窩，結(jié)構(gòu)膠以酚醛為主，隨后環(huán)氧樹(shù)脂的問(wèn)世解決了酚醛樹(shù)脂固化過(guò)程小分子揮發(fā)份釋放問(wèn)題，使無(wú)孔鋁蜂窩得以應(yīng)用，從而解決了有孔蜂窩結(jié)構(gòu)容易進(jìn)水導(dǎo)致飛機(jī)失衡的問(wèn)題。20世紀(jì)七八十年代Boeing公司開(kāi)發(fā)了磷酸陽(yáng)極化技術(shù)用于鋁合金表面處理，加以采用耐腐蝕底膠，在膠接耐久性方面取得了重大突破。隨著美國(guó)空軍主承力膠接結(jié)構(gòu)技術(shù)PABST計(jì)劃(Primary Adhesively Bonded Structure Technology)的實(shí)施，驗(yàn)證了膠接結(jié)構(gòu)在機(jī)體主承力結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的可行性，隨后，新的膠接體系在F-15等飛機(jī)上進(jìn)行了應(yīng)用，其中，F(xiàn)-15飛機(jī)主要應(yīng)用為機(jī)翼前緣、襟、副翼、垂尾、平尾，F(xiàn)-16飛機(jī)主要用于平尾，在F/A-18飛機(jī)上，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)用于飛行控制面，在F-35飛機(jī)上，襟、副翼、平尾前緣、垂尾前緣、方向舵等均采用了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。

2.大型民機(jī)上的應(yīng)用

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在大型民用飛機(jī)上的應(yīng)用最早是在A(yíng)irbus公司的A310飛機(jī)的方向舵上，后用于A(yíng)320、A340方向舵。圖2為A320方向舵蜂窩夾層壁板結(jié)構(gòu)。目前最大的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)舵面是A340方向舵，它由蜂窩夾層結(jié)構(gòu)左、右壁板，碳纖維前梁（9.9m），碳纖維根肋（2.6m）等組成，整體面積15.3m2。目前，單機(jī)用量最大的為A380飛機(jī)，其蜂窩夾層結(jié)構(gòu)用量達(dá)4000m2（如圖3），典型應(yīng)用包括腹部整流罩（超過(guò)300m2）及地面這類(lèi)大尺寸結(jié)構(gòu)件，地板主要采用M.C.Gill Corp.的Gillfab 4909夾層板，芯材為Kevlar蜂窩。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在B787上應(yīng)用包括方向舵、升降舵、翼尖、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙等部位。其中發(fā)動(dòng)機(jī)短艙和反推力裝置采用HexWeb蜂窩及HexPly 8552/AS4預(yù)浸料，HexWeb蜂窩具有質(zhì)量輕、剛度大的優(yōu)點(diǎn)，還具有吸聲功能，已被世界各大發(fā)動(dòng)機(jī)制造商使用。

圖2 A320方向舵蜂窩夾層壁板結(jié)構(gòu)

圖3 A380-800飛機(jī)蜂窩結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

3.在通用飛機(jī)上的應(yīng)用

與民用大飛機(jī)相比，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在通用飛機(jī)上的應(yīng)用主要表現(xiàn)為在機(jī)身上的使用，如Hawker Beechcraf的Premier I，豪克4000 及“首相”IA飛機(jī)，龐巴迪宇航公司里爾85飛機(jī)等。其中Premier I是第一架通過(guò)FAA認(rèn)證的全復(fù)合材料機(jī)身噴氣公務(wù)機(jī)，整個(gè)機(jī)身采用面板為碳纖維的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，整體厚度為20.6mm，機(jī)身無(wú)桁條和框架，比傳統(tǒng)鋁結(jié)構(gòu)減重25%，且增加了13%的客艙空間。而且整體結(jié)構(gòu)減少了零部件的生產(chǎn)數(shù)目，在很大程度上縮短了生產(chǎn)周期，降低了制造成本。目前生產(chǎn)的Hawker 4000飛機(jī)，其機(jī)身結(jié)構(gòu)是由3個(gè)筒體結(jié)構(gòu)在機(jī)翼處連接組成，筒體為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，蒙皮的鋪貼采用MAG辛辛那提公司的Viper自動(dòng)鋪絲機(jī)鋪放。預(yù)浸料纖維采用12k中模碳纖維（東邦Tenax美國(guó)公司G40-800和Hexce公司lIM7），環(huán)氧樹(shù)脂為Cytec工程材料公司提供977-2或E7K8，蜂窩采用Hexcel的Nomex蜂窩，圖4為蜂窩芯材定位。

圖4 Hawker 4000機(jī)身蜂窩芯材定位

四、相關(guān)問(wèn)題

盡管蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)性能上有突出的優(yōu)點(diǎn)，但還存在主承力結(jié)構(gòu)應(yīng)用問(wèn)題，對(duì)濕熱環(huán)境敏感,制造成本及質(zhì)量問(wèn)題等。

1.主承力結(jié)構(gòu)的應(yīng)用問(wèn)題

目前夾層結(jié)構(gòu)在大型商用飛機(jī)上的應(yīng)用主要是次承力結(jié)構(gòu)，對(duì)于主承力結(jié)構(gòu)，必須防止災(zāi)難性事故的發(fā)生，因此，結(jié)構(gòu)需要評(píng)估以證明在飛機(jī)的使用壽命期不會(huì)發(fā)生導(dǎo)致失效或結(jié)構(gòu)過(guò)度變形的損傷缺陷（除可檢測(cè)的損傷）。夾層結(jié)構(gòu)作為主承力結(jié)構(gòu)在很大程度上取決于設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和材料本身，承載是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，整個(gè)結(jié)構(gòu)的失效-安全行為定義為在有部分或可見(jiàn)損傷而不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的失效。另外，被選擇材料的韌性和抗沖擊損傷破壞也是一個(gè)關(guān)鍵因素。所以設(shè)計(jì)的目標(biāo)是要在嚴(yán)格的重量要求下設(shè)計(jì)出最大的性能。對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要穩(wěn)定的薄面板承受拉、壓載荷，或拉、扭、彎組合在一起。傳統(tǒng)的機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用縱向加筋，環(huán)向肋或框架來(lái)克服這一難題。但這在復(fù)合材料設(shè)計(jì)上不一定是最優(yōu)方案，事實(shí)上，在許多情況下，使用2個(gè)面板與穩(wěn)定的中間介質(zhì)可以更有效的創(chuàng)建一個(gè)抗變形結(jié)構(gòu)。另外，通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)可以讓夾層結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的阻尼性和隔熱、吸聲性能，夾層結(jié)構(gòu)機(jī)身外殼可以降低機(jī)身艙內(nèi)的噪聲，實(shí)現(xiàn)機(jī)艙的隔熱，增加乘客舒適度。

2.防水問(wèn)題

對(duì)于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，如果面板出現(xiàn)裂紋或膠接邊界出現(xiàn)脫粘，水汽就很容易進(jìn)入蜂窩孔格，在低溫條件下，冰凍膨脹會(huì)破壞鄰近蜂窩孔格的粘接，這就降低了夾層結(jié)構(gòu)的性能，據(jù)20年內(nèi)收集的蜂窩雷達(dá)罩維修記錄統(tǒng)計(jì)表明[6]，大約85%蜂窩夾層結(jié)構(gòu)雷達(dá)罩因?yàn)榉涓C進(jìn)水需要維修，大多數(shù)航空公司證實(shí)波音737飛機(jī)蜂窩雷達(dá)罩的平均無(wú)故障維修使用時(shí)間少于2年。這也是雖然空客公司在A(yíng)340等機(jī)型上使用了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)方向舵，但在A(yíng)380和A350上沒(méi)有使用的原因。而波音仍在B787上使用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)舵面，也是考慮到了在工藝上可以改進(jìn)，采用表面膜技術(shù)預(yù)防蜂窩進(jìn)水。另外，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)邊緣最容易受環(huán)境及沖擊影響造成損傷，常用的端頭密封設(shè)計(jì)方法見(jiàn)圖5，另外也可以根據(jù)結(jié)構(gòu)采用端頭鉚接密封技術(shù)，或?qū)⑸稀⑾旅姘逯苯幽z接/共固化在一起進(jìn)行端頭密封。

（a）端頭填充物密封

（b）端頭盒型結(jié)構(gòu)密封

（c）端頭“Z”型結(jié)構(gòu)密封

（d）端頭“U”型結(jié)構(gòu)密封

圖5 夾層結(jié)構(gòu)密封設(shè)計(jì)

3.制造成本問(wèn)題

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的制造成本與材料及其制造過(guò)程有關(guān)，雖然熱壓罐成型工藝是目前廣泛應(yīng)用的先進(jìn)復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)成形工藝方法。但同時(shí)也存在設(shè)備投資高、能源消耗大、輔助材料費(fèi)用高、成形周期長(zhǎng)等特點(diǎn)、是一種高成本的制造工藝。目前，消除熱壓罐主要從2方面展開(kāi)研究：開(kāi)發(fā)熱壓罐外固化預(yù)浸料（OOA prepreg），采用真空袋成型；開(kāi)發(fā)液體成型技術(shù)，避免使用熱壓罐設(shè)備。對(duì)于熱壓罐外固化預(yù)浸料，其應(yīng)具有固化后性能與熱壓罐成型相當(dāng)，而且還應(yīng)具有合適的粘性和自動(dòng)鋪帶/鋪絲可操作性。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的液體成型技術(shù)其難點(diǎn)是防止低粘度的樹(shù)脂流入蜂窩孔格，造成質(zhì)量增加。歐洲領(lǐng)先的復(fù)合材料零 部件和蜂窩夾芯板制造商（Euro-Composites公司）開(kāi)發(fā)了蜂窩結(jié)構(gòu)液體成型工藝（EC-HLM），其主要特點(diǎn)就是蜂窩與面板預(yù)成型體之間有一層隔離層，樹(shù)脂灌注前，先將隔離層與蜂窩芯預(yù)固化粘合在一起以防止灌注樹(shù)脂流入蜂窩孔格。與傳統(tǒng)的預(yù)浸料/熱壓罐工藝相比，此工藝降低了預(yù)浸料的制造成本及熱壓罐工藝成本，工藝時(shí)間減少30%，并且提高了水密性，該技術(shù)已經(jīng)在A(yíng)380上得到應(yīng)用。另外，在制造過(guò)程中采用蜂窩芯材數(shù)控加工，鋪貼過(guò)程激光定位，面板采用自動(dòng)鋪絲等自動(dòng)化制造技術(shù)也是降低制造成本的途徑。

4.成型質(zhì)量問(wèn)題

傳統(tǒng)熱壓罐成型工藝，需要盡可能增加壓力來(lái)保證面板的壓實(shí)及降低面板孔隙率，但蜂窩的抗側(cè)向壓力較低，成型過(guò)程中蜂窩側(cè)面所受的壓力F可分解為一個(gè)沿蜂窩孔格方向壓力f1和一個(gè)側(cè)向壓力f2，f2大于蜂窩的抗側(cè)向壓力會(huì)可能導(dǎo)致蜂窩滑移變形，如圖6所示。設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)減小蜂窩側(cè)面導(dǎo)角θ來(lái)減少f2，也可以通過(guò)蜂窩在真空或更小的壓力下與一側(cè)面板預(yù)粘或在鋪貼過(guò)程中采用扯裂帶的方法來(lái)防止蜂窩滑移。雖然熱壓罐外固化預(yù)浸料技術(shù)可以在一個(gè)真空壓力下成型，但如果空氣滯留在蜂窩芯內(nèi)，隨著升溫膨脹，可能將面板頂起，導(dǎo)致面板開(kāi)裂或脫粘，如果空氣完全排除，很可能導(dǎo)致面板孔隙率的增加，Tavares等人通過(guò)空氣在蒙皮厚度方向滲透率的研究發(fā)現(xiàn)如果芯子內(nèi)壓力降低，蒙皮與芯子的斷裂韌性增加，但復(fù)合材料蒙皮的孔隙率也增加。芯子內(nèi)壓力將決定蒙皮的壓實(shí)程度，所以最優(yōu)的狀況是蜂窩孔格內(nèi)的空氣壓力不能將面板頂起還可以提供足夠的壓力壓實(shí)面板，以確保膠接質(zhì)量。

圖6 蜂窩受力示意圖

五、結(jié)語(yǔ)

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外飛機(jī)次承力結(jié)構(gòu)上得到了廣泛應(yīng)用，但在主承力結(jié)構(gòu)應(yīng)用較少，隨著飛機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)性能及低成本要求的提高，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料體系、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、整體化制造技術(shù)及低成本技術(shù)均需進(jìn)一步提升。