纖維金屬層板的開發和應用現狀

汪 偉 趙 宗 江峰峰 鄭興偉

(1. 上海飛機制造有限公司，上海 201324； 2. 上海華力集成電路制造有限公司，上海 201314；3.東華大學，上海 201620)

0 引言

20世紀50年代以來，飛機材料主要朝著提高結構材料抗損傷容限性能的方向發展。這就要求材料具有低密度、高比強度以及更好的抗疲勞特性，一些具有優異性能的新型鋁合金與復合材料具有很大的發展潛力?？偟膩碚f，合金類材料疲勞強度比較差，而復合材料與合金材料不同，熱膨脹系數具有各向異性特點，其對疲勞損傷不敏感但耐沖擊性以及材料韌性比較差。這使得材料的開發聚焦于合金類材料與復合材料優良性能的結合。從最開始金屬層之間的粘接到后來粘接中纖維的加入，這之間經歷了漫長的探索過程，第一代芳綸纖維增強鋁合金層板的成功研制拉開了纖維增強金屬層板的研發序幕，引發了學術界的廣泛關注。

纖維金屬層板結合了金屬材料與纖維復合材料的優點，不僅具有金屬材料低成本、高強度等特性，又具有纖維材料抗疲勞等特點。作為航空航天領域中的新型材料極具發展潛力，其力學性能應當滿足飛機服役期間的要求，這就使得對纖維金屬層板進行力學性能測試顯得尤為重要。本文通過對國內外關于研究纖維金屬層板的文獻進行梳理，對纖維金屬層板的分類、纖維金屬層板制備中表面處理工藝以及纖維金屬層板力學性能的多種測試方法及其應用現狀進行綜述，并展望了新型纖維金屬層板的開發前景。

1 纖維金屬層板的開發

纖維金屬層板(Fiber reinforced polymer，簡稱FMLs)是由交替鋪敷的金屬層和纖維復合材料層組成的層合板，其復合技術的運用使纖維金屬層板具備了抗沖擊、耐疲勞等優異性能，與同體積合金類材料相比密度更小，是理想的飛機結構材料，其結構如圖1所示。纖維層金屬層板以不同的金屬層和不同的纖維層進行組合，可生產不同類型的纖維金屬層板。

圖1 纖維金屬層板結構示意圖[3]

1.1 纖維金屬層板的分類

1.1.1 芳綸增強鋁層壓板(Araid Aluminum Laminate,簡稱ARALL)

在20世紀中期，許多學者開展了在鋁合金層板粘接中加入纖維來提高材料性能的研究，這些研究促進了后續纖維金屬層板的成功研制。代爾夫特理工大學通過對材料的薄板進行層壓和粘接處理后，其相對于僅使用金屬板而言，粘接薄板材料的疲勞裂紋擴展速率得到了抑制。在此基礎上，初步探索使用芳綸增強金屬纖維復合材料，1978年，芳綸增強金屬層壓板被代爾夫特理工大學成功研制，芳綸增強金屬層壓板由交替的薄鋁合金層(0.2±0.4 mm)和單軸或雙軸芳綸纖維預浸料組成，被稱為第一代纖維金屬層板。之后，代爾夫特理工大學與Fokker公司分別對ARALL的疲勞性能、沖擊損傷等力學性能以及層板的加工、成形工藝進行了研究。ARALL具有強度高、疲勞特性好等優點，同時保留了鋁合金的低成本、易于加工以及可觀的延展性等特性。1982年，美國鋁業(ALCOA)推出了第一款商品ARALL，之后該公司又相繼推出了四種商用ARALL產品，并成為美國鋁業公司的注冊商標。起初，ARALL是為前?？藸朏-27飛機的下翼蒙皮板和波音C-17軍用運輸飛機的貨艙門開發的。ARALL中鋁合金和芳綸纖維具有不同的熱膨脹系數，其在加工固化之后容易產生殘余應力，芳綸纖維斷裂應變小使得ARALL不易成形，這就使得ARALL在航空航天領域中相對復雜的雙曲率構件的使用上受到了限制。不同種類的商業化ARALL層合板如表1所示，ARALL層壓板的生產參數如表2所示。

表1 ARALL層壓板結構參數[7]

表2 ARALL層壓板的制備工藝參數[5]

1.1.2 GLARE

90年代，使用玻璃纖維取代芳綸纖維從而開發出玻璃纖維增強鋁合金層板(Glass Reinforced Aluminum Laminates，簡稱GLARE)，被稱為第二代纖維金屬層板。GLARE是荷蘭代爾夫特理工大學和其國家航空航天實驗室一起研究的成果，其交替鋪敷的鋁合金層板和玻璃纖維預浸料的厚度分別為0.3 mm～0.5 mm和0.2 mm～0.3 mm，最后用真空袋密封在熱壓罐中固化成形。與ARALL相比，GLARE中玻璃纖維之間具有更好的附著力，這也使得GLARE鋪層制作時纖維可以多方向鋪敷。此外，GLARE的其他優點是其較高的抗拉、壓強度，更好的耐沖擊性能。由于玻璃纖維較芳綸纖維更抗壓縮載荷，即使在疲勞載荷的作用下，GLARE中玻璃纖維比芳綸纖維更不容易斷裂。后來，阿克蘇諾貝爾公司和美國鋁業公司為了生產商業GLARE在1991年開始合作。表3突出了芳綸纖維與玻璃纖維用于纖維金屬層板的優缺點。通過改變玻璃纖維鋪層順序，調節鋁層厚度以及對金屬表面進行預處理等，可以使GLARE滿足不同的使用要求。表4給出了可商業化生產的不同纖維堆疊的GLARE層板。因其優異的性能，受到航空航天領域的廣泛關注。

表3 芳綸纖維與玻璃纖維用于纖維金屬層板的優缺點[12]

表4 可商業化生產的GLARE分類[9]

1.1.3 其它FMLs

第一次加工了500斤柚子皮，宋娟炒了一盤熟菜當樣品，然后把柚子皮拉到城里的蔬菜批發市場，那些蔬菜商們開始都不太相信柚子皮也能炒成菜，但嘗了幾口宋娟帶來的樣品后，就都深信不疑了，他們紛紛和宋娟簽下了收購柚子皮的訂單，就這樣，宋娟的柚子皮被一車一車地運往城里，成了飯店酒樓和普通市民餐桌上一道獨特的農家小菜。

纖維金屬層板中纖維的種類不同，其對應的層板性能也有差異，除了上述應用相對廣泛的纖維金屬層板ARALL和GLARE之外，還有使用碳纖維(一種高強度纖維)來替代芳綸纖維從而開發出的碳纖維增強鋁合金層板即CFRP/AL-FML，簡稱CARALL，碳纖維具有比模數更高，抗沖擊性更好的特性，強度比GLARE更高，此外，碳纖維可以降低裂紋增長率。雖然碳纖維的性能較好，但其與鋁合金會發生電化學腐蝕使得層板受損，性能下降，目前仍沒有好的方法克服其電化學腐蝕，這也使得該層板未被廣泛使用。

美國伊利若斯大學于2003年研發出了由鈦合金和石墨纖維樹脂基復合材料構成的Ti Gr層板。雖然其力學性能優異，但Ti Gr層板成本高且制備工藝不成熟，并未商業應用。南航杜丹丹等人研究了一種利用鈦箔、碳纖維增強聚醚醚酮預浸料和聚醚酮薄膜(界面粘結層)通過熱壓工藝制備的熱塑性纖維金屬層壓板，該層板力學性能優異但其應用領域尚缺乏探究。

綜上所述，依照纖維金屬層板中不同的金屬種類對纖維金屬層板進行分類，如圖2所示。

圖2 纖維金屬層板的分類(基于不同的金屬層)

1.2 纖維金屬層板的制備

纖維金屬層板制備與傳統的機械緊固件相比著重于粘接工藝，使用膠黏劑粘接結構部件具有以下優點：結構部件重量輕、成本低、更好的損傷容限。膠黏劑的使用會影響粘接性能，適當添加膠粘劑會提高金屬層/纖維層界面的結合強度。另外金屬表面狀態對粘接性能也有影響，層板在粘接之前金屬表面一般需要如下處理：對金屬表面進行砂紙打磨、除油、水洗、酸洗/堿洗、水洗、陽極氧化、水洗等，從而提高金屬表面與纖維預浸料的粘接性能。關于陽極氧化一般采用鉻酸陽極氧化(chromic acid anodizing，簡稱CAA)或磷酸陽極氧化(Phosphoric acid anodizing，簡稱PAA)來處理，鉻酸陽極氧化(CAA)使金屬生成較薄且具有延展性的氧化層，是一種有效的粘接預處理方法，具有良好的耐久性，歐洲航空業仍在使用這種方法。另外波音公司在此基礎上改進了先前使用重鉻酸鈉/硫酸腐蝕(FPL工藝)工藝，開發了磷酸陽極氧化工藝(PAA)，可以使金屬表面氧化膜層更致密，使得金屬的硬度和耐磨性得到提高。常見的鋁合金、鎂合金以及鈦合金的表面陽極氧化預處理工藝如表5所示。纖維金屬層板制作流程圖如圖3所示。

表5 陽極氧化預處理工藝參數

續表5

圖3 纖維金屬層板制作流程圖

2 纖維金屬層板的試驗方法

2.1 彎曲測試

復合材料的力學性能由纖維與基體之間的附著力決定，這種黏附性的測定并非易事，文獻中提出用層間剪切測試方法來測試其附著力，層間剪切試驗用于確定FMLs的層間剪切強度(Inter Laminar Shear Strength，簡稱ILSS)。根據文獻調研，一般使用壓縮加載、短梁法(又稱為三點彎曲)、雙缺口剪切試驗(double-notch shear test，簡稱DNS)等測試方法來評價層間剪切性能等。圖4為三點彎曲示意圖，圖5為雙缺口剪切示意圖。

圖4 三點彎曲示意圖

圖5 雙缺口剪切示意圖

STEPHAN等按照ASTM D3846標準在室溫下采用雙缺口剪切試驗(DNS)研究了FMLs的層間剪切特性。PARK等人采用短梁法研究層板界面所受老化的影響，短梁法的層間剪切試驗按照ASTM-D2344標準，試驗中不同跨厚比(L/h)的選取將直接影響層間剪切強度和失效模式。CEPEDA等人利用三點彎曲試驗分析了鋁卷材層合板(ALH19)和GLARE的損傷容限。LAWCOCK等人通過對跨度為10 mm、下載速度為1.3 mm/min的三點彎曲試驗和五點彎曲試驗確定了FMLs的層間剪切強度。并由式(1)來計算三點彎曲和五點彎曲的ILSS。

ILSS=(33)/4

(1)

其中，為層間破壞初始荷載；為試樣的寬度；為試樣的厚度。

南航劉成等使用壓頭加載速率為1 mm/min剪切試驗力學試驗機，分別采用短梁法和雙梁法對不同結構GLRAE層板試樣尺寸進行研究。分析了不同的跨厚比以及不同的纖維鋪敷方式對GLARE層間剪切破壞行為的影響，確定了沖頭半徑(r)支撐半徑(r)對彎曲性能測試的影響，以確定其失效行為。

研究結果表明GLARE層板表現層間剪切強度值與跨厚比(L/h)的關系，GLARE層板短梁法層間剪切失效行為，包括失效模式和力學行為。確定了適合GALRE層板層間剪切性能評價的跨厚比，并研究了鋪層方式對層間剪切失效行為的影響，分析了不同鋪層的失效機制。另一方面，也分析了雙梁法用于評價GALRE層板層間剪切性能的可行性。

2.2 拉伸測試

纖維金屬層板主要應用于機身的蒙皮，其在服役時容易受到拉力作用，對層合板進行拉伸測試以檢測其是否符合服役要求就顯得尤為重要。通過查閱文獻，一些文獻中按照ASTM D3039標準對FMLs的拉伸行為進行了研究。KAWAI和ARAI等根據JIS K7073和ASTMD3039測試標準，確定了GLARE-3試樣的幾何尺寸，試件總長=200 mm，標段長=100 mm，寬=20 mm，厚度=1.44 mm，用環氧樹脂膠將鋁合金制成的矩形附片(長為50 mm)粘在試件兩端用來保護試件夾緊部分，附片厚度為1.0 mm，拉伸試樣尺寸示意圖如圖6所示。在所有涉及FMLs拉伸性能的文獻中試樣的形狀和尺寸有所不同，試樣類型大致采用矩形拉伸試樣和犬骨樣拉伸試樣。纖維金屬層板不同于金屬板材材料，因其制作犬骨拉伸試樣相比矩形拉伸試樣而言相對復雜，所以矩形拉伸試樣的使用較為廣泛。

圖6 拉伸試樣尺寸示意圖

拉伸測試通常在室溫下使用力學拉伸試驗機進行測試，Khalili等人使用Instron 8502試驗機進行拉伸試驗，加載速度為5 mm/min。LAWCOCK等人也以5 mm/min的加載速度使用100 kN MTS伺服液壓試驗機進行拉伸試驗。Gonzalez-Canche等人采用帶測壓元件100 kN的萬能試驗機，并使用島津SG-25-10伸長計以2 mm /min的加載速度進行拉伸試驗。楊棟棟等人參照國家標準GB /T3354以2 mm/min的加載速率使用SANS CMT 5105 型萬能試驗機對纖維金屬層板進行拉伸實驗。佟安時等人對纖維金屬層板以2 mm/min的加載速度在島津靜力拉伸試驗機上進行拉伸測試。

2.3 沖擊測試

在飛機的各種損傷類型中，飛機容易遭受鳥撞而造成沖擊損傷，根據報道中71架波音747機身的688次修理中，至少有13%與撞擊損傷有關，這就使得了解動態加載對FMLs造成的沖擊損傷影響顯得十分重要。沖擊測試試驗可分為低速與高速加載試驗。

1)低速沖擊試驗采用落錘沖擊試驗機進行，圖7為落錘沖擊試驗機夾具及彈頭示意圖。不同文獻中落錘的質量略有不同，彈頭均為相似的半球形，纖維金屬層板試件表面均為方形，試件被夾在兩個方形框架之間并固定，框架中間留有圓形通孔以讓彈頭落下沖擊試件，這里對參考文獻中涉及到的試驗用具規格進行了匯總，如表6所示。

圖7 落錘沖擊試驗機夾具及彈頭示意圖[35]

表6 試驗用具規格

圖8 高速沖擊試驗裝置示意圖[39]

2)高速沖擊試驗一般采用由壓力容器組成的氮氣槍來對FMLs的高速沖擊響應進行測試。圖8為研究中使用的氣槍試驗裝置示意圖。為了使沖擊器能夠擊中試樣的中心，試驗中一般將方板夾在鋼支架的方孔內。利用發光二極管光伏電池對，當兩束距離已知的激光束中斷時，可以測量出沖擊器在撞擊前的速度。通過調節氣槍膛內壓力來控制彈丸速度，彈道極限被定義為完全穿透試樣的最低速度。沖擊試驗在一定的沖擊能范圍內進行，直至把纖維金屬層板完全穿孔為止。試驗結束后，對試樣進行切片、拋光，然后在光學顯微鏡下觀察，以闡明沖擊過程中的破壞機理。

纖維金屬層板在受到沖擊后，其主要面臨著層板的分層、基體間的開裂以及纖維的斷裂等沖擊損傷形式，由于纖維層具備較大的破壞應變，使其在低速和高速沖擊載荷沖擊下具有較小的損傷區域，通過上述抗沖擊測試，纖維金屬層板與以往使用在客機上的鋁合金層板相比，其優異的抗沖擊性能可以滿足抗鳥撞要求。

2.4 疲勞測試

飛機在服役過程中，其機身蒙皮等部位易遭到交變載荷作用，容易產生疲勞裂紋。如果損傷一直積聚容易使整體遭到破壞，影響其飛行安全。這就需要對其進行疲勞性能測試和評估來判別纖維金屬層板是否滿足長期應用的要求。纖維金屬層板中纖維層和金屬層的厚度、纖維層的體積分數以及其鋪疊方式會影響其疲勞性能，層板中纖維的橋接作用可以抑制裂紋的傳播。纖維裂紋橋接和層間分層示意圖如圖9所示。

圖9 纖維的裂紋橋接和層間的分層[45]

疲勞壽命的試驗一般采用中心開孔試樣，以便制作裂紋，一些文獻中疲勞測試中試樣的尺寸為長200 mm，軌距100 mm，寬度25 mm，采用ASTM D3479試驗標準進行測試。除此之外，REYES和KANG按照ASTM E466試驗標準對纖維金屬層板進行疲勞性能分析，北航馬宏毅等人根據國家標準GB/T6398-2000采用MTS810-250KN型疲勞裂紋擴展試驗機，試驗采用載荷控制法，正弦波的載荷譜周期性加載，所有恒幅疲勞試驗均在室溫下以10 Hz頻率對纖維金屬層板進行張拉或張壓加載，在一些文獻中還對頻率為5 Hz的正弦波進行了疲勞試驗。最后利用C-掃描和掃描電鏡、實體顯微鏡等，對纖維金屬層板的疲勞裂紋進行觀察。

3 纖維金屬層板的試驗方法

基于上述優點，纖維金屬層板在飛機上的應用主要集中于機身和機翼蒙皮。原?？藸朏-27翼板的研制是真正采用纖維金屬層壓板制備飛機部件的第一個開發項目，之后在軍用運輸飛機C-17多個部位采用ARALL層板進行研究中，但只有采用ARALL 3制造的艙門項目取得成功，采用ARALL制作的C-130下蒙皮相比鋁合金更抗疲勞。第一次大規模使用GLARE層壓板是在A380客機上，GLARE使用部位如圖10所示。A380客機上GLARE層板使用總面積多達470多平方米，最長部位已達11 m，相較鋁合金的使用重量減輕約800 kg。

圖10 用GLARE 制造的A380 機身桶段上拱頂[49]

但由于國內纖維金屬層板制造技術成熟度還沒有達到市場化程度，國產大型C919客機僅使用碳纖維復合材料，其用量約為飛機結構重量的12%。綜上所述，纖維金屬層板以自身優異的性能在飛機構件中應用最為廣泛，未來隨著纖維金屬層板復雜曲面零件的成形問題得到解決，同時伴隨著新型纖維金屬層板得到開發，纖維金屬層板的使用領域會更為廣泛。

4 結論

纖維金屬層板作為一種具有高強度、高損傷容限等優異性能的新型復合材料，第二代GLARE層板相對于第一代ARALL層板其綜合性能更優越，而且GLARE層板技術已比較成熟，得到廣泛的商業應用。與目前已經廣泛應用的纖維金屬層板相比，鎂基層合板在靜態和疲勞性能方面顯著偏低，但國內外已成功開發高強度稀土鎂合金，其抗拉強度已經接近甚至超過2024 鋁合金。此外，稀土鎂合金同樣具有優異的比強度、比剛度、良好的塑性、耐熱和耐腐蝕性能，并且密度更低，未來使用稀土鎂合金替代鋁合金從而開發出新型纖維金屬層板也成為可能。

纖維金屬層板不同于普通板材材料，成形條件較為復雜；在成形工藝前應對金屬表面進行處理，制備流程相對繁瑣；在成形過程中層板容易產生分層等缺陷。因此，對纖維金屬層板構件的成形工藝研究還需要對材料的成形過程進行有限元仿真、優化成形設備及工藝路線、服役性能測試多角度來考慮，應著重放在成形機理的研究使其向著性能最優、效率最高、環境友好方向發展。由于纖維增強金屬層板粘接面的固化周期長，增加了整個生產周期，生產率低下。同樣，對于纖維增強金屬層板開發出加工復雜曲面的成形工藝也顯得尤為重要。這些改進將有益于超混雜層板在各種工業方面的應用。