劉杰

(中航沈陽民用飛機(jī)有限責(zé)任公司,遼寧沈陽 110000)

基于自然環(huán)境的民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)

劉杰

(中航沈陽民用飛機(jī)有限責(zé)任公司,遼寧沈陽 110000)

本文針對民用飛機(jī)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu),梳理了其工作的各種自然環(huán)境條件(如腐蝕介質(zhì)、侵蝕介質(zhì)、高/低溫、濕度、電磁環(huán)境、靜電等不同環(huán)境)對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的可能影響。并基于先進(jìn)民機(jī)工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),從民用飛機(jī)強(qiáng)度、剛度、耐久性等設(shè)計原則的角度,針對不同的自然環(huán)境提供了不同的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計解決方案。

腐蝕 侵蝕 溫度 表面防護(hù) 電磁防護(hù)

由于碳纖維復(fù)合材料(以下簡稱復(fù)合材料)與常規(guī)金屬材料相比，具有比強(qiáng)度高、比模量高、疲勞性能優(yōu)異等性能，因此現(xiàn)代先進(jìn)民機(jī)的復(fù)合材料用量大幅提高。民用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用中，考慮復(fù)合材料受各種自然環(huán)境的影響，其結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)也錯綜復(fù)雜。由于沖擊損傷的影響更多地依賴于試驗(yàn)研究，所以本文暫不論述冰雹沖擊等類似的環(huán)境影響，僅從腐蝕、侵蝕、液體、高溫、閃電及電磁干擾等自然環(huán)境影響的角度，探究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研究強(qiáng)度、剛度、耐久性下降等問題。本文基于先進(jìn)民機(jī)研制經(jīng)驗(yàn)，考慮不同自然環(huán)境的影響，有針對性地梳理出相應(yīng)的復(fù)合材料環(huán)境設(shè)計解決方案。

1 電偶腐蝕與解決方案

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)常常處于老化環(huán)境中，包括濕熱環(huán)境、腐蝕性液體(燃油、液壓油、防凍液等)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與異電位材料直接連接時將會導(dǎo)致電偶腐蝕，因此復(fù)合材料零件選用緊固件和安裝時需要關(guān)注電偶腐蝕問題。一般地，碳纖維和不銹鋼(沒有進(jìn)行鈍化處理的400系列不銹鋼除外)、鈦合金、銅合金等電位差異很小，而與普通的合金鋼、鋁合金、鎘等電位差異較大。為了防止電偶腐蝕，對電位差很大的不同種類的材料接觸處要進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)保護(hù)。可以參照以下設(shè)計解決方案。

(1)鋁合金和碳纖維復(fù)合材料連接處需要徹底隔離并進(jìn)行密封隔離，比如，在接合面處鋪覆一層玻璃布，并延伸至復(fù)合材料件外至少25mm。(2)在選擇與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)相連接的接頭材料時，宜選擇鈦合金而不是鋁合金材料。

2 侵蝕與解決方案

紫外線輻射、風(fēng)化、砂蝕、雨水等侵蝕會使復(fù)合材料性能下降或退化。而紫外線輻射引起的損傷是非常緩慢的過程，只要表面涂層系統(tǒng)完好，可以不計及此類損傷。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面容易受到砂蝕、雨水和風(fēng)的侵蝕，需要特別注意氣流對構(gòu)件造成的分層威脅。可參照如下設(shè)計解決方案進(jìn)行設(shè)計：

(1)應(yīng)避免迎氣流方向存在正階差。(2)常采用特殊的包覆層對邊緣包覆后再用密封劑對氣動外形區(qū)域進(jìn)行光順處理。(3)需要在易受侵蝕區(qū)域涂覆Teflon涂層或者應(yīng)用防磨帶板。

3 液體暴露與解決方案

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)如長期暴漏在液體，如燃油、除冰液、液壓油等液體環(huán)境下會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)吸濕，從而引起復(fù)合材料分層，繼而導(dǎo)致復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度/剛度/耐久性下降。民用飛機(jī)適航當(dāng)局發(fā)布的咨詢通告AC20-107B§“6材料和制造研發(fā)”中特別要求“結(jié)構(gòu)使用的所有復(fù)合材料和工藝，通過足夠的試制和試驗(yàn)以證明設(shè)計具有生產(chǎn)可重復(fù)性和可靠性”“，要求考慮到復(fù)合材料和工藝規(guī)范所允許的性能變化(如環(huán)境和偏差影響)”。民用飛機(jī)的環(huán)境常分為幾個典型區(qū)域：不易腐蝕區(qū)、輕微腐蝕區(qū)、嚴(yán)重腐蝕區(qū)。對于長期暴露在液體環(huán)境下的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)不同的環(huán)境分區(qū)采取不同的表面處理。表面防護(hù)應(yīng)依據(jù)不同的環(huán)境區(qū)域選擇不同的表面處理材料、不同的表面處理工藝，表面處理要求和緊固件選擇與安裝等也相應(yīng)地不同。

(1)噴漆前對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行專門的表面制備，再涂覆底漆和面漆。(2)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)要求對搬運(yùn)、運(yùn)輸或安裝過程中產(chǎn)生的損傷要有充分的防范措施。如采用防劃底漆。(3)當(dāng)不可卸緊固件連接復(fù)合材料構(gòu)件時，一般要求緊固件用密封劑或者底漆濕安裝。(4)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件加工或者修剪后的截面一般可通過涂覆兼容性樹脂的方式保護(hù)，避免分層。(5)外表面一般為氣動面，可采用針孔表面膜填充，再涂覆底漆、面漆。(6)除油箱以外的內(nèi)表面，可以鋪覆Tedlar起到防水作用，也可以采用針孔表面膜填充后再涂覆底漆、面漆。(7)對于復(fù)合材料油箱，內(nèi)部應(yīng)涂覆防潮防菌清漆。(8)考慮紙蜂窩易吸潮的缺點(diǎn)，盡量避免使用紙蜂窩。如無法避免采用紙蜂窩時，防水保護(hù)措施是需要特別注意的。根據(jù)環(huán)境分區(qū)的不同，采取的防水措施略有差異。(9)液體容易聚集的區(qū)域，應(yīng)采用先進(jìn)的排水設(shè)計：1)布置合理數(shù)量的排水孔。排水孔數(shù)量一般遵照整機(jī)排水要求，同時要注意使得在復(fù)合材料件上開孔對纖維造成的切斷盡量減少。2)合適的排水孔或通道尺寸。通常地，排水孔最小直徑為9.5mm。排水通道都應(yīng)具有至少0.6mm2的橫截面積以及大于5mm的尺寸。復(fù)合材料T型長桁立邊或者Ω型長桁側(cè)邊需要開排水孔時，注意排水孔和底邊之間要留有安全距離的材料。3)合理的排水路徑并滿足盡量短的原則。如，在結(jié)構(gòu)的最低點(diǎn)經(jīng)常開設(shè)排水孔(如，非增壓區(qū))、布置排水閥(如，增壓區(qū))、設(shè)置通暢的排水/液通道、排水/液管路等。排水/液通道設(shè)置時，要確保排出的液體，不可以回流或倒吸，也不可彌漫到復(fù)合材料制件上。排水效率一般通過試驗(yàn)證實(shí)。4)結(jié)構(gòu)件連接時盡量避免在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件上制盲孔。5)復(fù)合材料鋪層過渡區(qū)盡量避免產(chǎn)生凹槽、甚至是尖角，避免結(jié)構(gòu)連接處產(chǎn)生有害的縫隙。所有可能積液的空腔或溝槽都應(yīng)用化合物填平，以讓液體通過最近的排放孔排出，但不應(yīng)堵住通道。而且，為了避免增加不必要的重量，所設(shè)置的排水路徑要確保使用的填平化合物最少。

4 溫度影響和設(shè)計考慮

通常地，飛機(jī)結(jié)構(gòu)正常使用溫度為-50℃～+70℃。由于復(fù)合材料樹脂受溫度變化的影響很大，常常導(dǎo)致復(fù)合材料機(jī)械性能發(fā)生嚴(yán)重變化。更需要特別注意的是，CFRP和不同膨脹系數(shù)的材料連接時，受溫度變化的影響，被連接的兩個結(jié)構(gòu)件均會產(chǎn)生溫度應(yīng)力。據(jù)空客的使用經(jīng)驗(yàn)，在初步設(shè)計中，建議在關(guān)鍵的復(fù)合材料和金屬混雜連接部位，考慮溫度影響時，需提高5%的疲勞分散系數(shù)(如能采取釋放溫度應(yīng)力的措施的除外)。全尺寸靜力試驗(yàn)可以在臨界工作溫度下，并考慮整個飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命期間所吸收水分影響的載荷系數(shù)來完成。在疲勞試驗(yàn)中考慮平均濕度和室溫下進(jìn)行，在損傷容限試驗(yàn)中，不同試驗(yàn)階段分別考慮平均濕度和平均溫度或最大濕度和最大溫度。對高溫區(qū)，民用飛機(jī)適航規(guī)章要求防火和/或耐火。因此，在選擇樹脂時，需要重點(diǎn)考慮材料的使用溫度。

5 電磁干擾與電磁防護(hù)

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)自身電傳導(dǎo)特性差，尤其在雷擊情況下，如無任何附加的傳導(dǎo)措施，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致?lián)舸┬云茐?。常見的電荷來源有閃電、HIRF(高強(qiáng)度輻射場)、靜電等。應(yīng)根據(jù)飛機(jī)部件所在的雷擊分區(qū)和HIRF分區(qū)，采取相應(yīng)的防護(hù)措施。電磁防護(hù)設(shè)計思路大致有隔離設(shè)計以及傳導(dǎo)設(shè)計兩種。為了有效避免電荷對結(jié)構(gòu)或者系統(tǒng)造成損害，需要電搭

接保證結(jié)構(gòu)的電連續(xù)性，提供一個低阻抗的電通道，并盡量保證電荷在飛機(jī)的外表面。為了保證傳導(dǎo)效率，除了按照通用的設(shè)計方法外，型號設(shè)計中常采取以下措施：

(1)首先應(yīng)該合理利用現(xiàn)有的金屬結(jié)構(gòu)形成導(dǎo)電通路，使得傳導(dǎo)路徑最短，且保證金屬件的橫截面積足夠大，從而避免增加重量。如機(jī)翼金屬翼梁緣條可以作為分流條。(2)一般根據(jù)不同的雷擊分區(qū)環(huán)境，獨(dú)立或混合使用以下常見防護(hù)措施：外表面鋪覆金屬網(wǎng)(銅網(wǎng)、鋁網(wǎng)等);金屬分流條;緊固件傳導(dǎo)或放電刷。注釋：目前先進(jìn)民用飛機(jī)不采用表面火焰噴涂鋁技術(shù)，主要由于噴涂層厚度不易控制等因素限制。(3)選用合理的金屬網(wǎng)厚度與單位重量，避免傳導(dǎo)效率不足或重量增加。(4)對于復(fù)合材料活動構(gòu)件一般存在一定間隙。應(yīng)在活動構(gòu)件之間采用實(shí)現(xiàn)電荷的傳導(dǎo)。通常，每個操縱面至少有一個跳線。跳線應(yīng)盡量短。特別注意的是，在復(fù)合材料油箱內(nèi)部，應(yīng)注意不能使用搭接線。(5)細(xì)節(jié)設(shè)計時注意避免結(jié)構(gòu)急劇的彎曲和尖角。(6)導(dǎo)電效率一般需要通過試驗(yàn)證實(shí)，必要時，適航當(dāng)局會提出目擊試驗(yàn)過程。(7)復(fù)合材料外翼油箱結(jié)構(gòu)，緊固件采用輕微干涉配合，對防雷擊是有效的。(8)對于電荷可能導(dǎo)致的可燃性氣體點(diǎn)火的區(qū)域，應(yīng)重點(diǎn)考慮隔離設(shè)計措施。

6 結(jié)語

在民用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計中，只有充分考慮復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

在各種自然環(huán)境中的影響，對不同環(huán)境進(jìn)行正確判斷，并運(yùn)用本文提出的經(jīng)過使用經(jīng)驗(yàn)表明或經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證合理的設(shè)計技術(shù)，才能克服復(fù)合材料的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)勢。

[1]沈真主編.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].中國航空研究院航空工業(yè)出版社,2001.

[2]FAA AC20-107B Composite Aircraft Structure[S].2010.08.24.

[3]SAE_ARP_1870 Aerospace Systems Electrical Bonding and Grounding for Electromagnetic Compatibility and Safety[S].

[4]陳紹杰.復(fù)合材料設(shè)計手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社,1990.

[5]謝鳴九.復(fù)合材料連接[M].上海：上海交通大學(xué)出版社,2011.

[6]益小蘇,杜善義,張立同 主編.復(fù)合材料手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

[7]楊乃賓,梁偉編著.大飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計導(dǎo)論[M].北京：航空工業(yè)出版社,2009.

[8]CCAR-25-R4運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].2011年11月7日第四次修訂.

[9]陳紹杰.復(fù)合材料設(shè)計手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社,1990.