【中译版】先进复合材料讲义（三）：蜂窝芯材及复材制造和使用中的损伤

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表面材料

大多数在飞机施工中使用的蜂窝结构有铝、玻璃纤维、kevlar®或碳纤维面材。碳纤维表面板不能与铝蜂窝芯材料一起使用,因为它导致铝腐蚀。在高温结构中,钛和钢用于特种应用。许多组件的面材,如扰流板和飞行控制,都非常薄,有时只有3到4个厚度（指mm）。参数报告显示,这些面材板没有良好的冲击阻力。

核心材料

蜂窝芯

每个蜂窝芯材料都能具有一定的良好性能。如图19所示，最常见的用于飞机蜂窝结构的核心材料是芳纶纸(Nomex®or Korex®)。玻璃纤维用于更高强度的应用。

图19：蜂窝芯材料

•牛皮纸—其强度相对较低,因其良好的绝缘性能而大量使用,且成本低。

•热塑性塑料—其热质绝缘性能良好,吸收性能好或可重置定向,光滑的细胞壁,湿度和化学阻力,具有环境兼容性,美观,成本相对较低。

•铝-强度最佳，高重量比和能量吸收,具有良好的传热性能,电磁屏蔽性能,具有光滑、超薄的细胞壁,易加工,成本相对较低。

•钢—传热性能好,具备电磁屏蔽性能和耐热性。

•特种金属(钛)-具有相对较高的强度、重量比,良好的传热性能,化学阻力,以及耐热性高温。

•芳纶纸—具有耐火、阻燃、绝缘性能好、低介质性、易成型。

·玻璃纤维—其具有易剪切性,低介电性,良好的绝缘性,易成型。

•碳纤维—其保持了碳质的稳定性,高温性,高刚度,和极低的热膨胀系数,易控的导热系数,剪切模量相对较高,但价格昂贵。

•陶瓷-其高温耐热性良好，绝缘性好,且具有非常小的细胞结构,但价格昂贵。

航空航天应用的蜂窝芯通常是六边形的。这些芯材是由特殊位置的粘结堆叠薄板制成的。堆叠的薄板被拉伸成六边形。在水平方向延伸的被称为带状方向。

二等分六边形核芯有另一层材料交叉切割在每一个六边形上。二等分蜂窝比六角形核芯更硬、更强。过拉伸的核芯是通过扩大纸张来制造六边形的。过拉伸核心的芯材是矩形的。过拉伸核芯是柔性垂直于带的方向,使用简单的曲线。铃形的核芯,或弯曲的芯,有弯曲的芯材,使它在各个方向灵活。铃形核芯是用在复杂曲线的面板方向。

蜂窝芯有不同的芯材尺寸。小尺寸为三明治板材强度提供更好的强度。蜂窝芯也有不同的密度。密度高的蜂窝芯比低密度核芯更硬、更坚固。如图20所示

图20：蜂窝芯密度

泡沫

泡沫芯用于住宅建筑和轻型飞机,为机翼的尖端、飞行控制、机身部分、机翼和翼肋提供支撑力和形状。泡沫芯不常用在商用飞机上。泡沫通常比蜂窝芯重,也不那么强固。可以作为核芯材料的各种泡沫包括:

•聚苯乙烯(更常用的是聚苯乙烯泡沫)-航空级泡沫聚苯乙烯，具有紧密封闭的胞状蜂窝芯结构，胞芯之间没有空隙;抗压强度高，抗水渗透性能好;可用热丝切割，制成机翼形状。

•酚醛—非常好的耐火性能，可以有非常低的密度，但其机械性能相对较低。

•聚氨酯-用于生产机身、翼尖和其他小型飞机的弯曲部件;相对便宜，耐燃，并与大多数粘合剂兼容;不可使用热丝切割聚氨酯泡沫;易用大型刀具和打磨设备进行轮廓优化。

•聚丙烯-用于制造翼型形状;可以用热丝切割;与大多数胶粘剂和环氧树脂兼容;不可与聚酯树脂一起使用，可溶于燃料和溶剂。

•聚氯乙烯(PVC) (Divinycell, Klegecell和Airex)其是一种闭孔介质的中高密度泡沫，具有高压缩强度，耐用性和优异的防火性能;可真空成型复合形状和使用热弯曲成型;与聚酯、乙烯基酯和环氧树脂兼容。

•聚甲基丙烯酰亚胺(Rohacell) -用于轻质夹层结构的闭孔泡沫;优良的机械性能，高温下性能稳定，耐溶剂性好，抗蠕变压缩性能突出;比其他类型的泡沫更贵，但有超强的机械性能。

轻木（巴尔莎木）

巴莎木是一种天然木材产品，具有细长的闭合细胞;根据结构、外观和物理特性，它有多种等级可供选择。巴尔沙木的密度不到传统木制品密度的一半。然而，巴尔沙木的密度比其他类型的结构芯要高得多。

制造和使用中的损坏

制造缺陷

制造缺陷包括:

•分层（脱层）

•树脂缺乏区域

•树脂过量区域

•水泡，气泡

•皱纹

•空洞

•热分解

制造损伤包含异常，如气孔、微开裂和由加工差异引起的分层。它还包括这样的事项，如无意的边缘切割，表面凿痕和划痕，损坏的紧固件孔，和冲击损坏。制造过程中出现的缺陷例子包括被污染的粘接表面或夹杂物，如预浸料衬纸或分离膜，这是在铺层过程中无意中遗留在层间的。在装配、运输或操作过程中，细节部件或部件可能发生无意(非加工)损坏。

如果一个零件使用了太多的树脂，那么它就可能树脂超量，对于非结构应用来说，这并不一定是坏事，但是它增加了重量。如果在固化过程中流出了太多的树脂，或者在湿铺层过程中没有应用足够的树脂，则该部件称为树脂匮乏。树脂匮乏区由纤维表面显现。纤维与树脂的比例为60:40被认为是最佳的。

制造缺陷的来源包括:

•不恰当的固化或加工

•加工不当

•处理不当

•不当钻井

•工具滴落物

•污染

•不当打磨

•不合格的材料

•不适当工具

•孔轴或细节问题

在复合材料的结构配置中，损伤可能发生在几个层段上。这范围从基体和纤维的损坏到断裂的元件和粘结或螺栓附件的失效。损伤程度控制重复载荷寿命和残余强度，对损伤容限至关重要。

纤维断裂

纤维断裂可能是至关重要的，因为结构通常被设计为纤维主导(即纤维承载大部分负载)。幸运的是，纤维断裂通常仅限于撞击点附近的区域，并因撞击对象大小和能量的限制。只有前一单元的少数与服役相关的元素可能导致大面积的纤维损坏。

基质不合格（孔格不均匀）

基体缺陷通常发生在基体-纤维界面或平行于纤维的基体处。这些缺陷会轻微降低材料的某些性能，但很少对结构产生关键影响，除非基体退化是普遍存在的。

基体积累裂纹会导致基体主导性能退化。对于设计成用纤维(纤维为主)传输载荷的层合板，当基体严重损坏时，也只观察到性能的轻微下降。基体裂纹或微裂纹可显著降低依赖于树脂或纤维-树脂界面的性能，如层间剪切和压缩强度。微裂化会对高温树脂的性能产生非常不利的影响。基体缺陷可能发展成分层，这是一种更严重的损伤类型。

脱层和脱粘

脱层形成在层压板中各层之间的界面上。脱层可能会由基层扩展到层间层的基体裂纹或低能冲击形成。粘结也可以由生产过程中沿两种元素之间的黏结线形成，并在相邻的层压层中开始分层（脱层）。在某些条件下，分层或粘结会在反复加载时增长，并可能在层压加载时导致灾难性的破坏。分层或粘结的临界取决于:

•尺寸。

•给定位置的分层数。

•位置——在层压板的厚度，在结构中，靠近自由边缘，应力集中区域，几何不连续等。

•加载——分层和粘结的行为取决于加载类型。它们对受拉层合板的响应影响不大。然而，在压缩或剪切荷载作用下，与分层或剥离单元相邻的子层可能发生屈曲，并导致荷载重新分配机制，从而导致结构破坏。

损伤组合

一般来说，撞击事件会造成多种损害。大物体(如涡轮叶片)的高能撞击可能导致元件破碎或附件失效。由此产生的损伤可能包括明显的纤维失效、基体开裂、分层、紧固件断裂和剥离元件。低能量冲击造成的损伤更容易被控制，但也可能包括纤维断裂、基体裂纹和多重分层的组合。

紧固件孔缺陷

在制造过程中可能会出现钻孔不当、紧固件安装不良、紧固件缺失等情况。在使用过程中，由于反复加载循环，可能会导致件孔伸长。

服役缺陷

服役缺陷包括:

• 环境损伤

• 冲击损伤

• 疲劳

• 局部过载造成的裂纹

• 脱粘（胶）

• 脱层

• 纤维破裂

• 腐蚀

多数蜂窝芯结构，如机翼扰流板，整流罩，飞行控制和起落架门，都有很薄的表面板，经历耐久性问题，大致可以分为三类:低抗冲击，液体进入和侵（腐）蚀。这些结构具有足够的刚度和强度，但对服役环境的抵抗力较低，在这种环境中，部件会被爬过，工具会掉落，服务人员通常不会意识到薄皮夹层部件的脆弱性。这些部件的损坏，如芯体挤压、冲击损坏和脱落，通常很容易通过目视检查发现，因为它们的表面薄。然而，它们有时会被服务人员忽视或损坏，因为他们不想延迟飞机起飞或引起人们对事故的关注，这可能会影响他们的业绩记录。因此，损坏有时被放任不管，往往导致由于液体进入蜂芯而造成的损坏增加。不耐用的设计细节(如不适当的蜂窝芯边缘裁切)也会导致液体进入。

由于液体进入零件的修复可能因液体而异，最常见的是水或液压油。水往往会在修复的零件中造成额外的损伤，除非所有的水分从零件中去除。大多数修复材料系统在高于水沸点的温度下固化，这可能会导致表皮与核芯界面的脱粘，造成哪里都有积水。因此，在进行任何修复之前通常都要进行蜂芯循环干燥。一些操作人员采取额外的步骤，将损坏但未修复的部件放入高压罐体中干燥，以防止在修复期间发生任何额外的损伤。液压油是另外一个不同的问题。一旦三明治板材的核心部分饱和，完全清除液压油几乎是不可能的。即使在固化过程中，该部分也会继续渗漏液体，直到渗漏污染被全部清除。作为修复的一部分，强烈建议去除受污染的蜂芯和粘合剂。如图21所示

图21：天线罩蜂窝夹层结构损坏

复合材料的侵（腐）蚀能力已知低于铝，因此，它们通常被避免应用在尖端表面。然而，复合材料已用于高度复杂的几何领域，但通常配合腐蚀涂层应用。一些腐蚀涂料的耐磨性和维护性都不理想。另一个不似第一个那么明显的问题是，如果门或面板暴露在气流中，它们的边缘会被腐蚀。这种侵蚀可能是由于设计或安装（安装不当）造成的。另一方面，与这些复合部件接触或附近的金属结构可能由于铝合金的选择不当、金属部件在组装或拼接时腐蚀密封胶损坏、密封胶不足或在梁、肋条和配件的界面上缺乏玻璃纤维隔离层而出现腐蚀损伤。如图22所示

图22：翼尖（梢）的腐蚀损伤

腐蚀

多数玻璃纤维和kevlar®零件有一个优良的铝网防雷。这种铝网经常在螺栓或螺丝孔周围腐蚀。腐蚀影响面板电粘接，需要拆下铝网，安装新网，恢复面板电粘接。如图23所示

图23：铝防雷网腐蚀

紫外线会影响复合材料的强度。复合材料结构需要用一层顶层涂层来保护，以防止紫外线的影响。专门的UV底漆和涂料已被开发来保护复合材料。

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