航天航空泡沫夾層結構的設計（1） zund s3 m800-Synthetics台中雷射雕刻－吳婕妤焦點新聞熱搜

1　夾層結構的介紹

　　夾層結構是一種層合復合材料的特殊形式，它是由不同材料相互粘接組合，通過利用各個組分的性能特點達到整個系統組成的結構優勢。
　　夾層結構一般是由上面板、上面板與芯材的粘結層、芯材、下面板與芯材的粘結層以及下面板所構成，這五個要素組成了一個整體的夾層結構。
　　在構造上通常是采用厚度較薄、強度高、剛度大的材料作為面板，而用密度小、厚度較大、有一定承剪能力的材料作為芯材，用膠接的方法把它們連接起來。
　　夾層結構傳遞荷載的方式類似于工字梁。工字梁的翼板的位置離斷面的中性軸遠，以承擔面內拉壓應力，腹板使翼板之間保持一定的距離而彼此分開，同時，腹板在兩個翼板之間分散剪切應力。同樣的，夾層結構中，具有高強度、高模量的上下面板分布在遠離中性軸的位置從而承受面內拉壓應力，而輕質的芯材夾在中間以使上下面板材料之間彼此分開且保持一定的距離，并分散剪切應力。
　　夾層結構的彎曲剛度性能主要取決于面板的性能和兩層面板之間的高度，高度越大其彎曲剛度就越大。夾層結構的芯材主要承受剪應力并支持面板不失去穩定性，通常這類結構的剪力較小。選擇輕質材料作為夾芯，可較大幅度地減輕構件的重量。當然，對于面板很薄的夾層結構，還應考慮抗沖擊載荷的能力，所以面板的小厚度必須滿足一定的條件。
　　由于芯材是由輕質但相對于面板強度較低的材質做成，所以芯材可以大面積的分布在上下面板之間，而并非像工字鋼材腹板那樣對翼板提供局部支撐。

2　航天航空復合材料夾層結構的設計

　　復合材料夾層結構在飛機結構中有著廣泛的應用，參見圖1。對結構高度大的翼面結構，蒙皮壁板(尤其是上翼面壁板)采用夾層結構能明顯減輕重量。對于結構高度小的翼面結構(尤其是操縱面)，采用全高度夾層結構代替梁肋式結構也能帶來明顯的減重效果。

　　除了上述傳統的夾層結構以外，還有一種新型的夾層結構形式―泡沫填充帽形加筋條。在航天航空結構的設計中，為了減輕重量，通常會設計一些復合材料薄壁結構。在彎曲和軸向壓力作用下，復合材料薄壁結構常常會發生穩定破壞，失穩破壞總是在材料到達壓縮破壞強度以前，在受壓部位出現，為此工程師常常通過用長桁和肋／框組成縱、橫向加強件來提高板的穩定性。實際上，某些次結構件或者內飾件也可以使用夾層結構設計來滿足強度、剛度要求。對于常用的加筋板，圖2(a)中，加筋板分3步制造，包括面板固化、加筋條固化和二次膠接。盡管可以通過一些高效率、低成本的方法，例如擠出工藝制造出加強筋，但是由于采用了二次膠接，抵消了成本優勢。另外一種方法是加強筋和面板采用共固化工藝，如圖2(b)所示，設計中可以采用和樹脂有相同固化周期的膠膜來提高膠接面整體性。加強筋可以經過預固化或者未經預固化，這樣加強筋和蒙皮結合在一起。圖2(c)中，增加了設計尺度，這也帶來微觀的設計。圖2(d)是放棄整個I形加強筋的概念，采用泡沫填充帽形加筋條的設計方法。和空心的帽形加筋條結構相比，避免了帽筋條的側壁產生失穩，導致結構過早破壞。

　　泡沫填充帽形加筋條的面內壓縮強度和空心加筋條相比，在結構出現初始失穩時，失穩載荷提高約100％(參見圖3)。芯材主要承受和加強筋側表面垂直方向的拉應力和壓應力，避免在碳纖維，環氧復合材料面板達到屈服強度前，結構過早地發生失穩破壞。

　　綜合上面的介紹，復合材料夾層結構在飛機結構中主要有下面三種結構設計形式：

　　(1)全高度夾層結構設計

　　(2)蒙皮夾層結構

　　(3)泡沫填充帽形加筋條

　　三種結構設計形式之間的對比：

　　目前飛機復合材料夾層結構主要的應用的部件有：起落架艙門、雷達罩、地板、發動機短艙、飛行控制面(襟翼、副翼、升降舵、擾流板等)、翼身整流罩、翼稍小翼以及泡沫填充帽形加筋條用于加強壁板和蒙皮等。

3　結構性芯材和非結構性芯材的概念

　　夾層結構的芯材通常使用鋁蜂窩、泡沫或NOMEX^®蜂窩等多孔固體材料。泡沫芯材和蜂窩芯材在力學性能、工藝性能和使用耐久性方面都有所不同。在設計過程中，蜂窩材料在夾層結構中，是作為結構單元。但是泡沫，除了可以作為結構單元以外，還常常作為芯模或者同時具備芯模和結構單元的雙重作用。這里的芯模，有雙重含義，一重含義是鋪層過程中的芯模，另外一重含義是固化過程中的芯模。如果芯材作為非夾層結構的結構單元，就不需要考慮芯材的強度等結構性指標。

　　關于泡沫作為非結構性芯材的應用可以參見波音X-45A驗證機項目。復合材料占X-45 A結構重量的45％。在機翼制造中，為提高剮性、減輕重量并簡化加工工藝，美國泡沫基體公司(Foam Matrix)按肋條、桁條、電氣線路及其他機翼部件加工出模具，然后模塑出整體的泡沫芯材。然后在泡沫芯材上纏繞復合材料纖維，送回模具進行樹脂注射。這里，泡沫芯材在結構設計中不考慮其對整個結構的強度和剛度的貢獻，只考慮其是否能夠滿足工藝要求，主要是共固化過程中的尺寸穩定性的要求。
　　在夾層結構的設計過程中，如果考慮到泡沫作為結構性芯材，需要按照相關的設計規定進行設計，例如美國民用飛機復合材料結構適航取證的咨詢通報AC20-107B(2009年9月8日頒布)，并建立相應的無損檢測的方法和標準。

4　復合材料夾層結構常見芯材

　　復合材料夾層結構的常見芯材，參見圖5。

　　在設計時，對于面板材料考慮的主要因素是其強度和剛度，而對于芯材，主要考慮大限度的減輕重量。在飛機結構中，芯材通常使用鋁蜂窩、泡沫或NOMEX^®蜂窩等多孔固體材料。
　　(1)鋁蜂窩
　　鋁蜂窩夾層結構一般應用在承受剪切載荷較大的部位，其面板通常也是金屬板材，因為鋁蜂窩和碳纖維面板一同使用時，如果兩種材料之間電絕緣處理不當，就會發生電化腐蝕。
　　(2)NOMEX^®蜂窩
　　NOMEX^®蜂窩是采用芳綸紙浸潤酚醛樹脂制成，具有廣泛的應用領域。NOMEX^®蜂窩和鋁蜂窩相比，局部失穩的問題要小得多，因為NOMEX^®蜂窩的蜂窩壁可以做得相對要厚一些。另外，因為NOMEX^®材料不導電，不存在接觸電化腐蝕的問題。NOMEX^®蜂窩還能夠滿足FST(煙霧毒性)要求。
　　(3)PMI(Polymethacrylimide，聚甲基丙烯酰亞胺)泡沫
　　PMI泡沫在進行適當的高溫處理后，也能承受高溫的復合材料固化工藝要求，這樣使得PMI泡沫在航空領域得到了廣泛的應用。中等密度的PMI泡沫具有很好的壓縮蠕變陛能，可以在120~180％溫度、0.3~0.5MPa的壓力下熱壓罐固化。PMI泡沫能滿足通常的預浸料固化工藝的蠕變性能要求。作為航空材料的PMI泡沫是一種均勻的剛性閉孔泡沫，孔隙大小基本一致。PMI泡沫也能滿足FST要求。
　　(4)PVC泡沫
　　PVC泡沫的主要優點是價格相對便宜，通常用來制造小型飛機構件，制造工藝不需要熱壓罐，固化溫度低于120℃。在使用RTM工藝的時，需要對PVC泡沫加熱后釋放的氣體給予一定的重視，因為這會導致面板材料內部產生孔隙。
　　綜合上面的對比，可以看出目前航天航空復合材料夾層結構可以選用的泡沫芯材主要是PMI泡沫材料，參見圖6。

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