復合材料蜂窩夾層結構方向舵二次膠接成型技術研究

袁超張明

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復合材料蜂窩夾層結構方向舵二次膠接成型技術研究

袁超1，2，張明3

（1.中航復合材料有限責任公司，北京 101300；2.航空工業復合材料技術中心，北京 101300； 3.空軍裝備部駐沈陽地區第一軍事代表室，遼寧 沈陽 110034）

分析了復合材料蜂窩夾層結構方向舵的結構特點和工藝路線。結果表明，復合材料蜂窩夾層結構方向舵采用二次膠接工藝，雖然進罐次數較多，但工藝較為簡單，先固化的復合材料零件表面質量及內部質量較好，膠接質量容易控制。對于蜂窩角度為14°及20°的NRH 4-32芳綸紙蜂窩，加0.1 MPa壓力時，蜂窩受到的壓力側向分力小于蜂窩與膠膜的摩擦力，不會出現蜂窩滑移，同時膠接壓力可以使膠接過程中膠膜夾裹的氣體隨膠膜流動排出并填充所有膠接區域，制得的零件能滿足要求。復合材料蜂窩夾層結構方向舵膠接過程中可能出現脫粘、空隙、蜂窩滑移及發泡膠空洞等缺陷，需根據具體情況分析缺陷產生原因并根據分析結果進行相應改善。

復合材料；夾層結構；蜂窩；二次膠接

復合材料因其卓越的減重效果、高比強度、優異的抗疲勞特性，應用范圍越來越廣泛，已成為航空航天領域重要的輕量化結構材料[1]。蜂窩夾層結構復合材料是目前所知的最節省材料、具有最大的強度重量比的一種結構性材料。與實心材料相比，蜂窩夾層結構復合材料使用的有效材料僅為被替代材料的1%～5%，它顯然是一種用料省、耗能小的極具潛力的輕質材料。蜂窩夾層結構通常是由比較薄的面板與比較厚的芯子膠接而成[2]。一般面板采用強度和剛度比較高的材料，芯子采用密度比較小的材料。夾層結構具有重量輕、彎曲剛度及強度大、抗失穩能力強、耐疲勞、吸音、隔熱等優點，因此在飛行器結構上得到了廣泛應用。

復合材料膠接涉及二次膠接及共膠接，共膠接即未固化的預浸料采用膠膜與各種蜂窩、泡沫芯材等進行膠接。而二次膠接則是已固化的復合材料零件通過膠膜、發泡膠等與蜂窩、泡沫芯材進行膠接。影響膠接質量的因素很多，比如膠膜特性、膠接前復合材料中吸濕量等。復合材料的膠接質量和膠接強度與膠接工藝也密切相關，膠膜厚度、復合材料內聚強度、表面處理工藝、膠粘劑的鋪貼方式等都有影響[3]。

1 零件結構特點

復合材料蜂窩夾層結構方向舵一般由復合材料上蒙皮、下蒙皮、梁、兩個封邊肋后邊條及蜂窩芯材組成，具體如圖1所示。

2 工藝路線

二次膠接工藝雖然進罐次數較多，但工藝較為簡單，先固化的復合材料零件表面質量及內部質量較好，膠接質量容易控制，本文選擇的二次膠接工藝流程如圖2所示。

復合材料蜂窩夾層結構方向舵在制造過程中，先單獨固化成型復合材料上蒙皮、下蒙皮、梁、兩個封邊肋及后邊條，并對蜂窩芯材進行數控加工；在裝配型架上對方向舵骨架進行預裝，在蒙皮、梁、肋及后邊條上預裝定位孔。預裝完成后，采用校驗膜對方向舵板-芯及板-板膠接區域進行校驗，根據校驗結果對板-芯及板-板膠接區域進行膠膜補償，蜂窩與梁、肋采用發泡膠進行粘接，其他區域采用膠接進行膠接，封裝后進入熱壓罐膠接固化。

圖1 蜂窩夾層結構方向舵示意圖

圖2 二次膠接工藝流程圖

3 工藝參數選擇

膠接成型工藝參數對制件成型質量有決定性影響，膠接過程中要選擇適當的成型壓力、溫度及保升溫速率。由于蜂窩側向抗壓能力很弱，所以對于楔形的風向多蜂窩，只能選擇較低的成型壓力；另一方面，壓力對膠膜的膠接強度有較大。膠接結構相對來說內部溫度傳導較慢，需要選擇較低的升、降溫速率，保證夾層結構內部溫度均勻。

選用中航復合材料有限責任公司生產的ZT7G/LT-03A碳纖維單向帶環氧預浸料及NRH 4-32芳綸紙蜂窩進行工藝試驗，對不同蜂窩角度的夾層結夠采用不同壓力進行膠接，結果如表1所示。

表1 不同蜂窩角度及壓力對零件的影響

蜂窩角度/°工藝/MPa結果 140.05部分脫粘及空隙 140.1合格 140.2蜂窩部分滑移 200.05部分脫粘及空隙 200.1合格 200.2蜂窩部分滑移

由表1可以發現，對于蜂窩角度為14°及20°的NRH 4-32芳綸紙蜂窩，加0.05 MPa壓力時，蜂窩夾層膠接結構出現了部分脫粘。原因為在膠接固化過程中，由于壓力過小，膠膜補償流動動力不足，較難將膠膜夾裹的氣體排出并填充所有膠接區域。而加0.2 MPa壓力時，由于蜂窩受到的壓力側向分力超過了蜂窩與膠膜的摩擦力，導致出現了蜂窩滑移的情況。當加0.1 MPa壓力時，蜂窩收到受到的壓力側向分力小于蜂窩與膠膜的摩擦力，不會出現蜂窩滑移，同時膠接壓力可以使膠接過程中膠膜夾裹的氣體隨膠膜流動排出并填充所有膠接區域。

4 常見膠接缺陷及原因分析

對于復合材料蜂窩夾層結構方向舵，一般采用超聲、軟X射線檢測的方法，超聲檢測常用來檢測板-板、板-芯粘接的脫粘及孔隙等，軟X射線常用來檢測發泡膠空洞、蜂窩節點脫開、蜂窩滑移等。

脫粘缺陷為蜂窩夾層結構比較常見的缺陷，原因可分為膠膜補償不足、膠接壓力不足等。對于膠膜補償不足，常常通過在膠接前采用校驗膜進行校驗，確定膠膜補償量的方式改善。對于膠接壓力不足，可能是因為模具、零件相互干涉無法加壓、膠接工藝參數選擇不合理等原因。

空隙缺陷分為膠膜間空隙及膠膜與零件間空隙，一般造成空隙缺陷的原因為膠膜夾裹的氣體無法在膠接過程中隨膠膜流動排出造成，選擇適當的工藝參數，保持膠膜的排氣通道是解決空隙缺陷的關鍵。蜂窩節點脫開、滑移等缺陷產生原因為蜂窩受到的側向壓力過大。在設計蜂窩夾層結構時，對于蜂窩角度要進行合理設計，對于角度較大的蜂窩夾層結構，需要適當減小膠接壓力，防止出現蜂窩滑移。發泡膠空洞缺陷為發泡膠固化過程中未與蜂窩及骨架結構完全致密膠接。產生原因可能為發泡膠填充量不足、發泡膠抽真空過發泡等。所以，在發泡膠填充過程中需要根據發泡比計算發泡膠填充量，并選擇適當的發泡工藝進行發泡。

5 結論

復合材料蜂窩夾層結構方向舵采用二次膠接工藝，雖然進罐次數較多，但工藝較為簡單，先固化的復合材料零件表面質量及內部質量較好，膠接質量容易控制。

對于蜂窩角度為14°及20°的NRH 4-32芳綸紙蜂窩，加0.1 MPa壓力時，蜂窩受到的壓力側向分力小于蜂窩與膠膜的摩擦力，不會出現蜂窩滑移，同時膠接壓力可以使膠接過程中膠膜夾裹的氣體隨膠膜流動排出并填充所有膠接區域。復合材料蜂窩夾層結構方向舵膠接過程中可能出現脫粘、空隙、蜂窩滑移及發泡膠空洞等缺陷，需根據具體情況分析缺陷產生原因并根據分析結果進行相應改善。

［1］張艷芳，冷衛紅，羅輯，等.復材/復材二次膠接膠接質量及強塑料工業度影響因素研究［J］.塑料工業，2014，42（07）：77-80.

［2］負欽東.復合材料在飛機上的應用與修理［J］.民航科技，2009（03）：114-116.

［3］石慶華，戴棣，曹正華.膠膜對復合材料加筋結構膠接面應力的影響分析［J］.航空制造技術，2009（06）：80-84.

2095－6835（2019）07－0092－02

TB33

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.092

袁超（1987—），男，碩士，工程師，研究方向為樹脂基復合材料成型。

〔編輯：張思楠〕