复合材料泡沫夹层结构翼尖小翼成型技术研究

复合材料泡沫夹层结构翼尖小翼成型技术研究

张馨予

航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司， 黑龙江哈尔滨 150066

摘要：复合材料具有比强度高、比刚度大等优点，已成为航空航天领域重要的轻量化结构材料，广泛应用于飞机的各个部件，复合材料用量已成为衡量航空飞行器先进性的重要指标之一。夹层结构具有重量轻、弯曲刚度及强度大、抗失稳能力强、耐疲劳、吸音、隔热等优点，因此在飞行器结构上得到了广泛应用。研究及实践证明，在机翼上加装翼梢小翼，能有效减少阻力，提高飞机的燃油利用率，所以翼梢小翼在飞机上得到了广泛的应用。为了减轻结构的重量，同时保证制件刚度，越来越多的翼梢小翼采用泡沫夹芯复合材料结构。

关键词：复合材料；泡沫夹层结构；翼尖小翼成型技术研究

引言

由于复合材料具有高比模量、高比强度、可设计性强、抗疲劳性能佳和耐腐蚀性能好等优点，广泛应用于航空航天领域。特别是复合材料夹层结构可以将面板的高模量和高强度与夹层材料的高刚度和低密度结合起来，能够更好发挥结构效能。其中复合材料蜂窝夹层结构已在航空航天领域得到广泛应用，但由于蜂窝芯的材料特性、开孔性和各向异性，使得其在存放过程中存在极易吸潮、在成型过程中极易受到侧压而坍塌以及机械加工困难等缺点。基于蜂窝芯的缺点，高性能的复合材料泡沫夹层结构(PMI泡沫芯)在航空航天领域的应用已越来越广泛，PMI泡沫芯由于属各向同性材料，相较于蜂窝芯，其机械加工简单、成型过程中不易受到压力变形，又由于其100%的闭孔率，使得其具有更低的吸湿率，故而在保证性能的基础上可以最大限度减小使用维护成本。

1工艺难点

复合材料泡沫夹层结构翼尖小翼型面复杂，在零件成型过程中，既要翼尖小翼外型面尺寸准确，又要保证外蒙皮及夹层结构胶接面的内部质量，还要保证外蒙皮及封边肋对泡沫芯材的密封性，对工艺方案的设计提出了较高的要求。为保证翼尖小翼结构复杂的外形尺寸及较高的内部质量，需要根据零件特点设计组成模具。模具设计过程中，如何设计模具对零件不同位置进行加压，又是一个工艺难点。翼尖小翼外蒙皮在蒙皮过程中，由于型面复杂，预浸料铺叠难度大，容易因铺叠曲率较大造成纤维屈曲、架桥等缺陷，需要在铺叠过程中设计合理的铺叠方案，提高铺叠质量。

2泡沫夹层结构芯材的种类

泡沫夹层结构复合材料中常用的泡沫芯材有聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PUＲ)、聚醚酰亚胺(PEI)及聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)等，其中占市场份额最大的是PVC泡沫芯材。在密度相同的条件下，PMI是强度和刚度最高的泡沫材料。

2.1PVC泡沫

PVC分为未交联PVC和交联PVC泡沫两种。交联PVC的强度和刚度比未交联PVC的高，但是韧性较差。将热可逆交联技术引入聚氯乙烯泡沫材料制备，研究了绿色发泡方法获得可热塑反复加工的高性能PVC泡沫材料。交联PVC泡沫通常用于船底、舷部、甲板、舱壁及上层建筑中。以聚氯乙烯(PVC)为基体，马来酸酐为接枝剂，异氰酸酯、三聚氰胺为交联剂，制备出泡孔直径分布较为均匀、性能优异的硬质交联PVC泡沫塑料;该硬质交联PVC泡沫塑料的力学性能具备同瑞士AirexC70产品相当的力学性能。线形PVC泡沫是一类具有高韧性、良好抗冲击性能、能量吸收性能和耐疲劳性能的泡沫材料，这种泡沫通常用于船体受冲击荷载比较大的部位，例如船底和舭舷部。

2.2PMI泡沫塑料

随着航天航空等特殊领域的快速发展，要求芯层材料具有更高的强度、刚度和耐热性。聚甲基丙烯酰亚胺泡沫塑料具有很好的压缩蠕变性能，可以在120℃～180℃、0～0.5MPa的压强下在热压罐中固化，能满足预浸料固化工艺对泡沫尺寸稳定性的要求，适用共固化的夹层结构构件中。PMI泡沫采用固体发泡工艺制作，为孔隙基本一致、均匀的100%闭孔泡沫。目前对于PMI泡沫的研究多数是针对德国赢创德固赛公司的ＲOHACELL的PMI泡沫性能及应用的研究，国内近年来也开始研究聚甲基丙烯酰亚胺泡沫塑料的制备方法及性能研究。PMI正是具有高强度重量比和较高的耐压缩蠕变性能，而且能够采用制造成本最低的一步共固化工艺完成，大幅度降低制造成本。广泛应用于高速火车的车头、高速船、直升机结构、运载火箭的主要结构等。

2.3组合工装设计

工装是保证复合材料零件外形尺寸及内部质量的重要因素。在复合材料泡沫夹层结构翼尖小翼成型过程中，组合工装要保证零件外形尺寸，提供足够成型压力，还要保证零件能够顺利从模具取下完成脱模过程。为保证模具热膨胀系数与零件一致，减少因模具热膨胀造成的内应力，采用复合材料模具。采用上下模合模的方式，上成型模型面与翼尖小翼上型面一致，下成型模型面与翼尖小翼下型面一致，上、下成型模合模后，能对翼尖小翼外蒙皮进行加压。

2.4泡沫夹层结构其他性能的研究

PMI泡沫复合材料具有众多优良特性被广泛应用于航天航空、军工、船舶、汽车及高速列车等各个领域。PMI泡沫塑料是一种轻质硬质泡沫塑料，具有100%的闭孔结构，比交联聚氯乙烯(XPVC)、聚氨酯(PUＲ)等硬质泡沫塑料具有更高的强度、模量和抗蠕变性能，是目前耐热性最好的刚性结构泡沫塑料之一。PMI泡沫塑料又是一种低介电材料，PMI泡沫夹层结构中PMI泡沫塑料的密度和厚度对夹层结构的高频介电性能的影响。PMI泡沫夹层复合材料具有优异的宽频透波性能，被广泛用于制备透波雷达天线罩。从复合材料结构原理出发，选择石英纤维增强环氧树脂复合材料为蒙皮，PMI泡沫为芯材的夹层结构方案，采用三维全波电磁场仿真软件比较了不同蒙皮厚度和芯材厚度对夹层结构透波性能的影响，得到了理论最优夹层复合材料结构，可用于天线罩的宽频透波要求。

3弯曲强度分析

在缺陷试样修补前，随着试样缺陷半径的增大，缺陷试样的弯曲强度逐渐降低，缺陷直径为20mm试样的弯曲强度为1.632MPa，缺陷直径为30mm试样的弯曲强度为1.560MPa，这是因为面板的缺陷破坏了整个试样在弯曲过程中的受力平衡，整个试样的破坏首先在缺陷区域进行扩展，随着弯曲载荷的增大，面板的缺陷开始沿着90°方向扩展，最终导致整个夹芯试样发生破坏，故而缺陷的半径越大，弯曲强度降低越明显;采用贴补修补后缺陷直径为20mm试样的弯曲强度达到2.186MPa，弯曲强度恢复率为125%，缺陷直径为30mm试样的弯曲强度达到2.017MPa，弯曲强度恢复率为114.9%，均比完好试样的弯曲强度(1.754MPa)，弯曲强度恢复率(100.0%)有所提高，这是因为缺陷试样经过贴补修补后加厚了面板，使得面板不易弯曲，失效载荷增大，故而弯曲强度和弯曲强度恢复率得到提高。

结语

复合材料泡沫夹层结构翼尖小翼采用封边肋先固化并与泡沫芯材拼接，后与外蒙皮一同共胶接的工艺方案，既能保证封边肋的内部质量，又能保证泡沫芯材与外蒙皮的胶接质量。组合模具选用复合材料模具，采取上、下成型模合模的方式，上成型模型面与翼尖小翼上型面一致，下成型模型面与翼尖小翼下型面一致，既能保证零件外形尺寸，提供足够成型压力，又能保证零件能够顺利从模具取下完成脱模过程。在铺叠过程中，为保证铺叠质量，每铺叠一层后，用未加热熨斗对预浸料铺层进行压实，并进行抽真空，抽真空时间不少于20min，真空度不小于0.095MPa。

参考文献

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［3］赵秀芬，纪双英，史湘宁．PMI泡沫发展现状及其在直升机上的应用［J］．宇航材料工艺，2018，48(1):5-9．