复合材料蜂窝夹层结构在民用飞机上的应用

摘要：复合材料蜂窝夹层结构具有强度高、比刚度大、密度小、抗压和抗弯性能好等特点，在民用飞机领域被大量应用。应用部位包括机身、发动机罩、整流罩、舱门、天线罩、前缘等。蜂窝夹层结构的大量应用显著减轻了飞机结构的重量，随着成型工艺的进步和材料性能的提高，蜂窝夹层结构逐渐应用于地板等主承力结构上。本文首先分析了蜂窝夹层结构的研究进展和发展过程。其次，梳理了蜂窝夹层结构在典型飞机部件上的应用情况。最后，介绍了蜂窝夹层结构在民机地板上的应用现状。

随着社会经济的发展，交通运输领域特别是航空交通领域，面临着两项任务:结构整体减重和与减重直接相关的效益问题－降低油耗。结构重量和燃料消耗在航空领域尤为重要。目前，蜂窝夹层结构在航空工业中得到了广泛的应用，主要应用部件包括机身、舱门、机翼、尾翼、地板、整流罩和雷达罩等。蜂窝夹层结构提供了良好的强度重量比。与复合材料蒙皮相比，它们在承受横向和弯曲载荷时的表现得更为优异，这得益于它们的结构形式，即由两个薄而硬的层包围的厚而轻的核心。

蜂窝夹层结构的大量应用显著减轻了飞机结构的重量，得益于其良好的抗压和抗弯性能，蜂窝夹层结构逐渐向地板等主承力结构上发展。本文内容主要分为三个部分，首先，分析了蜂窝夹层结构的研究进展和发展过程；其次，结合目前使用的机型梳理了蜂窝夹层结构在典型飞机部件上的应用情况。最后，介绍了蜂窝夹层结构在民机地板上的应用现状。

蜂窝夹层结构最早起源于仿生学，与同类型的实心材料相比，蜂窝夹层结构具有比强度高、比刚度大、质量轻的特点，因此，在航空航天、交通运输等领域得到了广泛的运用。复合材料蜂窝夹层结构在极小重量增加的情况下，可以有效地提高抗弯刚度，增强承受弯矩和压力能力，是一种较理想的航空航天轻量化结构。

复合材料蜂窝夹层结构主要包含三部分组成:面板、蜂窝芯和胶粘剂。

(1) 面板。夹层结构中面板是主要承力部分，相对于芯子材料，面板材料具有密度大、模量高和强度高等特点。复合材料夹层结构的面板材料通常为铝合金、钛合金、玻璃钢等材料。目前航空结构中采用的大多是碳纤维或玻璃纤维的单向带或织物复合材料。

(2) 蜂窝芯。蜂窝夹层结构的性能和蜂窝的几何形状与蜂窝芯子的材质有关，一般根据材质可用铝蜂窝芯、芳纶纸蜂窝芯、玻璃钢蜂窝芯等。芳纶纸蜂窝按照种类分为间位芳纶纸蜂窝和对位芳纶纸蜂窝。间位芳纶纸蜂窝是间苯二甲酰氯和间苯二胺进行界面缩聚或低温溶液缩聚得到的间位芳纶，市场上最常见的是美国杜邦公司在20世纪60年代首先发明并投入使用的间位芳纶。对位芳纶纸蜂窝是对苯二胺和对苯二甲酰氯缩聚得到对位芳纶，商品名称为Kevlar。现有的芳纶纸蜂窝芯主要是间位芳纶，对位芳纶研究的非常少，主要的应用机型如表1所示。芳纶纸蜂窝又称NOMEX蜂窝，采用芳纶纸浸润酚醛树脂制成。芳纶纸蜂窝和铝蜂窝相比，抗局部失稳的能力强得多，因为芳纶纸蜂窝的蜂窝壁比铝蜂窝厚。

Nomex蜂窝的制备是由芳纶纸涂胶、叠合、压制、切割、拉伸、定型、浸胶、固化、片切九个工序组成。中航复合材料有限责任公司对芳纶纸蜂窝的浸胶工艺进行了改善，总结了孔格、纸厚等工艺参数，推导出了密度控制经验公式。苏州芳磊蜂窝复合材料有限公司使用国产芳纶纸制备的蜂窝，抗压及抗剪性能已经能够达到HB5435－89和BMS8－124的要求，介电性和阻燃性也满足标准要求。中国烟台氨纶集团有限公司旗下的美士达公司将其生产的间位芳纶纸通过一系列成熟的工艺流程制备出了不同型号的蜂窝芯子。其芯材及夹层结构在常温下的平面抗压缩性能和抗剪切性能均能够达到波音BMS8－124标准中的指标值，能够满足力学性能的使用要求。

(3) 胶粘剂。航空蜂窝夹层结构用的胶粘剂通常是结构胶粘剂，结构胶粘剂是指在预定时间内，在使用环境中能承受相当的力，并具有与被粘物相匹配的强度和耐久的使用寿命。根据树脂基体一般分为三大类，第一种环氧类，环氧树脂具有工艺性优异，适用期长的优点，最高耐温可达232℃；第二类是双马来酰亚胺类，温度可以达到232℃以上，主要用于温度更高的军用飞机上;第三种是氰酸酯类，氰酸酯的耐温性和介电性，耐湿热性能都很优异，所以主要用于有电气性能要求的元件中。航空常用的环氧树脂结构胶粘剂如表2所示。美国赫式、氰特公司等均研发出各种用途的材料体系，近年来国内的中航复材公司也开发了中高温树脂体系，比如BA9913、BA9916、SY－24C－300等。

就大型民用飞机而言，波音747(1969年2月9日首飞)的设计采用了很大比例的夹心结构(图1)。它的机翼表面约有一半，包括前缘和后缘，由玻璃纤维和Nomex蜂窝制成。在波音747中，机身圆柱壳主要是Nomex蜂窝，地板，侧面板，高架垃圾箱和天花板也都是蜂窝结构。大多数襟翼都用相同的蜂窝结构制成，但也使用了铝蜂窝和表皮。蜂窝夹层结构在B787上应用包括方向舵、升降舵、翼尖、发动机机舱等部位。其中发动机短舱和反推力装置采用HexWeb蜂窝及HexPly8552/AS4预浸料，HexWeb蜂窝具有质量轻、刚度大的优点，还具有吸声功能，已被世界各大发动机制造商使用。波音707只有8%是蜂窝结构，较新的波音757/46蜂窝结构占46%。

与民用大飞机相比，蜂窝夹层结构在通用飞机上的应用主要表现为在机身上的使用，如HawkerBeechcraf的PremierI，豪克4000及“首相”IA飞机，庞巴迪宇航公司里尔85飞机等。其中PremierI是第一架通过FAA认证的全复合材料机身喷气公务机，整个机身采用面板为碳纤维的蜂窝夹层结构，整体厚度为20.6mm，机身无桁条和框架，比传统铝结构减重25%，且增加了13%的客舱空间。目前生产的Hawker4000飞机，其机身结构是由3个筒体结构在机翼处连接组成，筒体为蜂窝夹层结构，蒙皮的铺贴采用MAG辛辛那提公司的Viper自动铺丝机铺放。俄罗斯将Nomex蜂窝夹层结构复合材料构件大量应用于襟翼、副翼、机身壁板、发动机、驾驶舱、货舱、水平尾翼、机翼前缘、直升机旋翼尾梁等飞机部件上。

国内由中航工业哈尔滨飞机工业集团有限公司等单位生产的某机型中大量采用了树脂基复合材料(如垂尾、桨叶、平尾和旋翼等)和Nomex蜂窝夹层结构复合材料(机身板件、地板、尾梁等)，明显减轻了整体机身的重量，提高了部件的抗疲劳强度，改善了气动特性从而提高了直升机的飞行品质。据统计，除了发动机和传动系统外，将近有300个飞机零部件是由Nomex蜂窝夹层结构复合材料制作而成，使用了3种密度、12种规格的Nomex蜂窝芯材，整体机身中Nomex蜂窝芯材料用量超过200m²，其覆盖面积占整体机身80%左右，是当前国内使用Nomex蜂窝夹层结构复合材料最多的机种之一。

4.1 飞机客货舱地板研究现状

传统的飞机地板客货舱地板采用金属结构，每块地板有几百个铆钉和螺钉，还需要用弹性衬垫与机身结构隔离，因而成本昂贵。而采用复合材料可以大大提高地板结构的强度、刚度、疲劳和防腐蚀性能，可以把连接件减少一个数量级，可显著减轻地板结构重量。

飞机地板复合材料夹层结构的面板通常采用玻璃纤维预浸料、碳纤维和Kevlar预浸料，基体选用环氧树脂或酚醛树脂。蜂窝芯子常用Nomex蜂窝。

4.2 夹层结构在地板上的应用

波音公司234型民用Chinook直升机的主舱地板每块尺寸2.5m×2.2m，共由4块组成。面板为玻璃纤维/Kevlar49复合材料，芯子为Nomex蜂窝，夹层地板的上、下面板铺层各为四层，对称于中间的蜂窝芯子。一、二层为0°玻璃纤维预浸料，三、四层为0°方向Kevlar49纤维预浸料。Nomex芯子高度为38mm，格子边长2mm，密度48kg/m³。面板与芯子用EA9胶膜胶接。波音777、波音787梦幻客机等飞机型号的客舱地板也选用复合材料夹层结构。

M.C.GillCorp.生产的Gillfab4223夹层结构面板选用玻璃纤维织物，基体为酚醛树脂，芯子为GillcoreHD间位蜂窝，胶膜选用环氧体系。整个夹层结构厚度12.6mm，上面板厚度1.27mm，下面板厚度0.508mm。Gillfab4223夹层结构应用于空客A318/A319/A320/A321/A330/A340/A300/A310/A300－600。M.C.GillCorp.生产的Gillfab4505夹层结构面板选用碳纤维单向带(表面一层为玻璃纤维预浸料)，基体为酚醛树脂，芯子为GillcoreHD间位蜂窝，胶膜选用环氧体系。整个夹层结构厚度9.5mm，上下面板厚度0.5mm。Gillfab4505夹层结构应用于空客A318/A319/A320/A321/A330/A340。

福克100飞机的货舱地板结构比较简单，是一种复合材料夹层结构，外部蒙皮为高性能热塑性复合材料的板材，夹芯为Nomex蜂窝。蒙皮与芯子用环氧胶膜胶接而成。

北京玻钢院复合材料有限公司牛芳旭等采用自制的玻璃纤维增强酚醛树酯预浸料作为面板原材料，通过热压成型制备了某型号Nomex蜂窝夹层结构货舱地板。系统评价了该地板的力学性能和阻燃性能，分析了预浸料类型、固化温度、成型工艺对蜂窝板力学性能的影响，研究了蜂窝板阻燃性能的影响因素。结果表明，采用自制预浸料制备的货舱地板力学性能优异，长梁弯曲极限载荷可达4348N，载荷445N时的挠度仅为6.79mm，冲击性能可达17.1J，滚筒剥离强度可达66.4N·mm/mm，同时满足严格的阻燃要求，可实现飞机散装货舱区地板材料的国产化替代。

蜂窝夹层结构具有强度高、比刚度大、密度小的特点，得益于其良好的抗压和抗弯性能，在民用飞机领域得到了大量应用。本文通过分析蜂窝夹层结构的研究进展和发展现状，进一步梳理了其在典型飞机结构上的应用情况，认为随着国产飞机C919/C929的研制和生产，飞机地板用复合材料夹层结构具有广泛的应用前景。