碳纖維增強復合材料日漸廣泛地運用于飛機結構中.docx

碳纖維增強復合材料日漸廣泛地運用于飛機結構中。復合材料地引入很大程度地提高了飛機地整體性，但由于檢查、拆裝、維護地需要以及工藝地限制、結構和工藝分離面仍是不可避免地。和金屬件一樣，復合材料各零部件間也要通過連接而成為一個整體。 復合材料地連接方式有粘結、機械連接和混合連接三種。機械連接由于具有可靠性高，便于重復拆裝，并對環(huán)境和疲勞影響不敏感等特點，而成為一種最常用方式，如F-16垂尾、F-18機翼、AV-8B機翼和前機身、B-1水平安定面等的復合材料結構件，均采用了以機械連接為主的連接方式，其中AV-8機翼上有3000個緊固件，前機身有2450個緊固件用于復合材料的連接。 由于復合材料的結構和力學特點，復合材料結構機械連接與金屬結構的機械連接有極大的不同，主要表現在下面四個方面： .碳纖維復合材料結構件裝配前鉆孔困難，刀具磨損快，孔的出口端易產生分成； .用于碳纖維復合材料連接的緊固件易產生電化學腐蝕，需采取防腐措施；.復合材料結構在實施機械連接過程中易產生損傷，因此緊固件的機構和裝配方法不同于金屬； .復合材料接頭的強度不僅與接頭尺寸有關，還受其他多種因素的影響。 這些特點大大增加了復合材料結構連接的復雜性。二、碳纖維復合材料的制孔工藝 復合材料層壓板的主要弱點之一是層間剪切強度低，因此鉆孔時的軸向力易引起層間分離和出口端的分層，另一個文題是碳纖維對刀具的磨損嚴重，刀具使用壽命短。此外，能導電的碳粉塵會引起電器設備的短路。為了解決這些問題，常采取下列措施。 1.改進刀具材質 碳纖維的硬度是HRC5365,相當于高速鋼的硬度，所以用高速鋼鉆頭碳纖維復合材料磨損很快，通常只能鉆幾個孔，必須選用硬質和金作刀具材料，國產Y330硬質合金的約HRC90,抗彎強度約2000MPa,試驗證明比較適于制作復合材料鉆孔刀具。在鋼基體上電鍍一層人造金鋼砂可進一步提高鉆頭的使用壽命，也是一種常采用的措施。 2.改進鉆頭的幾何參數和鉆頭形式 研究表明，鉆孔時作用在層壓板上的軸向進給力越大，作用在中間層上的拉伸力越大，產生分層性的可能也就越大，而鉆頭幾何參數和形式都會影響軸向進給力，實踐證明，鉆頭采用100?120的頂角，15?25的后角，25?30的旋轉角，0.9?1.4mm的鉆芯厚度比較理想。另外為了改善孔的質量，延長鉆頭使用壽命，人們還研制了雙刃扁鉆和四刃絞刀式扁鉆。 3.改進鉆削工藝 鉆削試驗表明，鉆孔時產生的軸向力與鉆削進給速度直接有關，進給速度為0.01mm/r時，軸向力為13.44kg,進給速度為0.07mm/r時，軸向力增加到28.29kg,因此，為保證孔的質量，宜采用低進給速度和較高的轉速。但轉速太高會影響鉆頭的使用壽命。綜合考慮各種因素，一些飛機制造公司制定了鉆孔的進給速度和轉速規(guī)范如下： 當制孔只在碳纖維復合材料結構中進行時，對于直徑為3.175mm?9.525mm的孔，選用鉆削參數為： 鉆速 900?2700rpm 進給速度 0.013?0.056mm/r 而當制孔在碳纖維復合材料和鋁合金組合結構中進行時，鉆孔參數按鋁合金工藝參數。 為了準確地控制進給速度，人們研制出了可控進給精密風鉆，這種風鉆在國外已經應用，國內正在研制中。 另外，在結構敞開地條件下，空的出口面墊一塊硬塑料墊板，在結構不敞開時，孔的出口面共固化一層玻璃布，可以有效的防止表層的剝離。4.改善工作環(huán)境為了防止碳塵的污染，加工時要用吸塵器把粉塵及時吸走。三、碳纖維復合材料接頭的防腐碳纖維復合材料中的碳纖維能導電，而且與大多數合金有較大的電位差，與金屬接觸時極易引起金屬的電化學腐蝕，因此必須注意接頭的防腐，防腐可采取下面幾種措施。1.選用鈦合金緊固件材料的電位值顯示，只有鈦合金、耐蝕不銹鋼、蒙耐爾合金等金屬材料在電位上與碳纖維復合材料匹配。而上述材料中，鈦合金最輕，比強度和比剛度最高，因此成為復合材料結構緊固件中應用最多的材料。國外主要是用Ti-6AI-4V合金，相當于我國的TC4鈦合金。但這種合金屬型，冷塑形較差，緊固件需要熱鐓成型，而我國尚無可供生產的熱鐓設備。后來問世的型鈦合金冷塑性較好，我國工作者正致力于用合金制作緊固件，并已積累了大量的經驗。國產型鈦合金有Ti-22,47121等。2.在復合材料和金屬之間墊襯片當碳纖維復合材料和金屬件連接時，在對接和搭接處墊一層玻璃布或Kevlar布，可以有效地防止金屬地腐蝕，通常這層襯布預先與復合材料鞏固化在一起，當緊固件螺帽是鋁合金時，對螺帽進行陽極化，涂漆等表面處理，然后墊純鈦墊片，也可以防止鋁合金地腐蝕。3.對接頭進行全封閉用密封膠把接頭完全封閉起來，使得電解質不能侵入，也就防止了接頭地腐蝕。具體地方法是在緊固件上涂膠，進行濕裝配，再在接頭上涂膠，常用地密封膠有環(huán)氧聚西先樹脂等。由于復合材料接頭地防腐是一個很重要地問題，而且沒有一種單一的方法能完全有效，實際上常常是幾種方法并用，圖1是一個較典型的復合材料接頭的防腐情況。這里螺栓為鈦合金，螺母是鋁合金，為防止螺栓與螺母間的電化學腐蝕，安裝時，高鎖螺栓螺紋浸漬環(huán)氧樹脂漆后才插入孔內進行濕安裝。為防止鋁螺母與復合材料間的電偶腐蝕，二者之間加純鈦墊圈進行隔離。安裝完畢后，再在整個外露區(qū)涂一層環(huán)氧樹脂底漆和一層聚氨酯清漆進行全封閉四.復合材料接頭的裝配與金屬材料相比，復合材料性脆，纖維和基體間易剝離，表層易受損傷，各向異性顯著，應力集中高等缺點，因此其機械連接工藝與金屬有顯著的不同。1.鉚接的選用由于復合材料有延伸率小，層間強度低，抗沖擊能力低等弱點鉚接易引起復合材料層壓板孔內壁及表皮的損傷，國外普片認為，只有在復合材料金屬傳載接頭上才允許使用鉚接，但是由于鉚接在機械連接中工藝最簡單，成本最低，增重也最少，所以即使在全復合材料接頭上，設計人員仍希望在承力不大的部位采用鉚接。大量實驗證明，只要選用塑性好的材料（鋁合金是飛機鉚接最常用的材料，但考慮電化學腐蝕的存在，復合材料用純鈦TAI）制造鉚釘，并在結構和工藝上采取一定的措施（如控制釘桿的膨脹量，采用壓鉚而非錘鉚等），鉚接在飛機復合材料結構上還是可以得到應用的。常用的鉚釘有兩大類：釘桿有鐓粗的鉚釘需在鐓頭端加一鋼性金屬墊片來控制釘桿的膨脹量，并且用壓鉚而不用錘鉚，國內某機全復合材料垂尾采用3.5純鈦鉚釘進行鉚接，選用下列工藝參數，證明是可行的。鉚孔直徑： 3.80.10墊圈直徑： 3.60.10鐓頭直徑： 1.4d0.01頓頭高度： 0.6d0.05 d鉚釘直徑釘桿沒有膨脹的鉚釘如空尾鉚釘，抽芯鉚釘、雙金屬鉚釘、鈦鈮合金空芯鉚釘等，這些新型鉚釘由于釘桿基本沒有膨脹，不會引起層壓板的開裂，在國外已得到的廣泛的應用。常用緊固件的特點2.鉚接的選用需要重復拆裝及承載較大的接頭大都采用螺栓連接。鈦合金螺栓除了普通六角形凸頭螺栓外，更常用的是高鎖螺栓，高鎖螺栓具有較高且均衡的夾緊力，有自鎖能力，利用風扳機可單面安裝。機械性能實驗表明，鈦合金高鎖螺栓的靜強度和疲勞強度都不低于高強度鋼螺栓的相應值。3。特種緊固件的選用飛機上有一些特殊的部位對連接有特殊的要求，如結構不敞開，只能從單面安裝；結構表面傾斜度大；或者結構有密封要求等。在這些情況下，前面提到的螺接和鉚接常難以實現或達不到要求，因此國內外有研制出了一些特種緊固件，常見的有鈦環(huán)槽釘，螺紋抽釘等。這些緊固件因具有裝配力小，加緊力可控，密封等優(yōu)點而在復合材料接頭上得到了廣泛的應用。4.干涉配合的選用前面所講的配合中，都盡量避免釘桿和孔徑的過盈配合，這時因為在復合材料的早期應用中，發(fā)現干涉配合連接會引起結構的分層損壞，因此認為復合材料結構不宜采用干涉配合。但近期研究表明，適當的干涉量和較高的測向壓力同時作用，有利于提高接頭的強度和疲勞壽命，有利于接頭的密封，問題的關鍵是干涉量的控制要適當，并且釘的結構和安裝工藝上，要設法使孔壁只只產生輕微的毛刷狀分成損傷。因此國外專門研制出了用于干涉配合的緊固件干涉配合鈦環(huán)槽釘。目前已研制出的復合材料緊固件種類很多，使用時要根據具體情況進行選用，表中列出了幾種常用的鈦合金緊固件的形狀、材料、特點。五、接頭幾何參數和影響接頭強度的因素復合材料接頭的破壞有拉伸、剪切、擠壓、劈裂和拉脫五種形式（如圖2所示）。前三種與金屬相同，后兩種是復合材料所特有的。在這五種破壞形式中，只有擠壓破壞是局部破壞，且承載強度最高，因此設計人員總力求把接頭結構設計成僅可能發(fā)生這種破壞的形式，這就要求接頭（如圖3所示）有足夠大的邊距和端距。通常要求復合材料接頭的幾何尺寸滿足下列條件：與金屬材料不同的是，復合材料接頭的強度不僅取決于材質和幾何參數，還受其他多種因素的影響。 1.纖維方向目前飛機用復合材料，大多采用0、90、45四鐘方向鋪設纖維，各定向層所占比例不同，所得層壓板接頭的強度就不同。實驗證明，在合適的接頭參數下，欲使接頭僅發(fā)生擠壓破壞，45鋪層的比列應大于40，90鋪層應占10?40。2.擰緊力矩擰緊力矩是影響復合材料層壓板接頭接頭強度的重要因素之一。擰緊力矩的存在有利于防止纖維樹脂界面剝離。這種剝離會引起孔邊毛刷狀破壞而造成接頭實效，所以適當的增大擰緊力會使接頭強度提高。但擰緊力矩過大將導致緊固件預拉伸載荷量增大，而且還會引起復合材料表層損傷，因此要綜合考慮，不同的緊