摘要：蜂窝夹层结构复合材料的性能主要由蒙皮和蜂窝芯材料的性能所决定，这些性能主要包括蒙皮的厚度与材质，蜂窝芯材的高度、材质、密度、孔格大小以及形状等。近些年，研究人员围绕蜂窝夹层结构复合材料做了大量研究并取得了一定成果。
关键词：航空结构；蜂窝；夹层结构；成型工艺预浸料；胶粘剂
一、材料体系与性能
1.蜂窝芯子。蜂窝种类包括Nomex蜂窝、铝蜂窝及玻璃布蜂窝等，其功能是将上、下面板隔开，以承受由一个面板传递到另一个面板的载荷和横向剪力。根据孔格形状可分为正六边形、过拉伸、单曲柔性、双曲柔性、增强正六边形和管状等。在这些蜂窝夹芯材料中，以增强正六边形强度最高，正六边形蜂窝次之。由于正六边形蜂窝制造简单，用料省，强度也较高，故应用最广。应用上，由于NOMEX蜂窝与铝蜂窝相比，局部失稳的问题要小得多，而且NOMEX材料不导电，不存在电化腐蚀问题，还能够满足FST（烟雾毒性）等要求，所以在航空制造上具有广泛的应用领域。不同规格的蜂窝具有不同的密度和力学性能，密度小于48kg/m3的蜂窝属于低密度蜂窝，这类蜂窝在民机、直升机、无人机等亚音速飞机上具有广阔的使用前景。密度为48~80kg/m3的蜂窝称为中、高密度蜂窝，具有较高的强度及刚度，广泛应用于某些有特殊力学性能要求的部位，如歼击机的平尾、鸭翼及方向舵等。目前国外航空用蜂窝的生产厂家主要有Hexcel、M.C.Gill、Plascore、Advanced Honeycomb Technologies及Euro-technologies Inc.等，国内主要是中航复合材料有限责任公司。不同厂家生产的Nomex蜂窝制造标准和产品性能是有差异的，选用时可参考GJB1874及其他有关资料。
2.面板材料。面板种类包括铝合金、玻璃钢及碳纤维复合材料等，目前航空结构上采用的大多为碳纤维单向带或织物增强复合材料。面板主要功能是提供要求的轴向弯曲和面内剪切刚度。面板材料的选择需要考虑重量、承载、腐蚀、表面质量及成本。因此，针对结构形式和工艺需要进行具体选择。目前开发出了适用于各种用途的材料体系，如HexPly 8552及CYCOM977-2，国内中航复合材料有限责任公司开发的BA9913中温环氧及BA9916-II高温环氧体系等。随着对低成本的追求，热压罐外固化预浸料（OOA prepreg）技术在最近10年得到了快速发展。相对于传统的热压罐固化预浸料体系，OOA预浸料体系在烘箱内即可加热固化，大大节省了热压罐设备费用。用于航空结构的OOA预浸料应具有固化后层板低孔隙含量，固化后性能与热压罐成型相当的特点，而且还应具有好的粘性及可操作性，可用于自动铺带/铺丝操作。目前，已经商业化的航空用热压罐外固化预浸料树脂体系主要为环氧树脂体系。目前，一些厂家还开发了可直接与蜂窝复合制造夹层结构的预浸料，其采取共固化方法制备的夹层结构性能能够满足设计与使用要求。由于不使用胶膜，简化了工艺，降低了成本，减轻了结构重量。研究了MTM45-1/Nomex蜂窝的性能，指出其夹层结构符合航空主承力结构对空隙的要求，并且其基本力学性能与Cycom977-2/AF191/Nomex夹层结构相当，可以用于主承力结构。
二、结构特点及制造方法
1.结构特点及成型方式。目前，航空用蜂窝夹层结构主要有两类，第一类为蜂窝夹层壁板结构，如图1（a），主要用于机身和机翼结构。其特点是上、下面板较薄，一般不超过1mm，整个蜂窝夹层板厚度一般不超过30mm，结构内部有梁/墙作为支撑，与机体的连接主要通过金属预埋件或梁/墙上的接头；第二类为全高度变截面结构，如图1（b），主要用于方向舵和升降副翼等。其特点是梁肋等零件固化后通过铆钉联接在一起，梁肋零件与蜂窝芯材之间一般采用发泡胶填充，整个零件与机体的连接主要依靠复合材料或金属梁上的接头。夹层结构的成型方法可以根据面板与蜂窝夹层结构的成型步骤分为二次胶接法和共固化法，针对形状复杂的结构还可以采取胶接共固化或分步固化。
图1典型蜂窝夹层结构
2.制造工艺。(1)热压罐工艺。传统的蜂窝夹层结构主要采用热压罐工艺，它的最大优点是能在大范围内提供好的外加压力、真空及温度精度，可以满足各种材料对加工工艺条件的要求，而且能够制造形状复杂的零件。热压罐成型的复合材料结构件具有力学性能优异、面板孔隙率低、树脂含量均匀及内部质量良好等优点。热压罐成型时工艺辅助材料及封装方式如图2所示。但该方法经济性差，设备一次性投入及维护成本较高，目前主要用于生产高性能复合材料。
图2热压罐成型典型封装方式
（2）真空袋工艺。真空袋工艺的特点是设备简单，投资少，易于操作。但传统预浸料/真空袋工艺能达到的质量标准不太高，一般用于承力较小的结构。这是因为与热压罐工艺相比，虽然铺叠和封装技术基本相同，但其成型压力小，较低的压力可能导致空气从蜂窝孔格内流入面板，造成高孔隙率。因此，空气必须在树脂软化之前从蜂窝孔格中排出。如果在加热前，蜂窝孔格内的压力降低到0.05MPa或更低，空气就不会流入面板，即空气在固化过程中仍然留在芯材内。制造上可以通过采用低面密度的玻璃纤维织物作为导气介质排出蜂窝孔格内的空气，但固化后织物会留在夹层结构中增加重量，事实上，目前许多带载体的胶膜其载体也可以起到导气作用。另外，新的OOA预浸料通过控制干纤维的浸润程度来提供足够的排气通道及通过树脂流变性能的优化达到“可控流动性”来实现固化过程中气体的排出，降低面板的孔隙率，得到高质量的夹层结构零件。
3.模压工艺。模压工艺兼有热压罐工艺和真空袋工艺的优点，具有成型压力大、成型效率高及经济性好等特点，能够准确保证夹层结构的厚度和尺寸，构件同时具有两个光洁表面。通常用于批生产，采用模压工艺的构件有飞行控制部件及直升机旋翼等。其主要缺点是模具成本相对较高，特别是结构较大的复杂零件。
总之，我国航空复合材料，尤其是蜂窝夹层结构在设计上仍较多地采用传统的方法与经验，可供选择的材料体系较少，制造工艺方面也显得落后。未来的航空用蜂窝夹层结构技术依然需要在设计、材料、制造工艺及成本与维修等方面开展全面而深入的研究。
参考文献
[1]王成，浅谈航空用蜂窝夹层结构及制造工艺.2017.
[2]张海平．复合材料蜂窝夹芯板及其应维复合材料.2017
论文作者:胡祥琮
论文发表刊物:《新材料·新装饰》2018年8月上
论文发表时间:2019/3/13
标签：蜂窝论文; 夹层论文; 结构论文; 复合材料论文; 工艺论文; 面板论文; 航空论文; 《新材料·新装饰》2018年8月上论文;