泡沫性能在航空工業的利用范文
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本文作者：趙銳霞 尹亮 潘玲英單位：航天材料及工藝研究所
1國外PMI泡沫夾層結構的性能及應用
1.1PMI泡沫主要性能特點
(1)易于機械加工,不需要特殊設備。
(2)100%的閉孔泡沫,且各向同性。
(3)和各種樹脂系統以及熱塑性樹脂兼容(濕法和預浸料)。與鋁蜂窩夾層比較,采用泡沫夾層,可以保證夾層與蒙皮的有效粘接。
(4)高熱變形溫度(180-240e)。
(5)高強度質量比。PMI基本力學性能見表1。
(6)在加工過程中,具有很好的抗壓縮蠕變性能,適用包括中溫環氧、高溫環氧以及BMI樹脂預浸料等的復合材料夾層結構共固化工藝。
1.2PMI泡沫成型工藝
泡沫夾層結構目前常用的固化工藝主要有兩大類:一類是膠接分步實施的多次固化工藝;另一類是玻璃纖維/碳纖維復合材料面板固化和面板與芯材膠接同時完成的共固化工藝[2]。不管是采用共固化工藝還是采用多次固化工藝,都必須考慮工藝方法對芯材的要求。通常可采用手糊、模壓、真空袋壓/熱壓罐或樹脂注射成型等方法制造泡沫夾層結構。如果選用熱壓罐或樹脂注射成型,固化過程中泡沫芯材在一段時間內要受到溫度和壓力的同時作用,這要求泡沫芯材具有很好的壓縮蠕變性能,否則不能保證固化前、后構件的尺寸穩定性。對于不同的結構形式,PMI泡沫也需要相應的結構形式。通常根據泡沫的類型、密度、厚度和成型的復雜性采用熱成型-冷成型、真空加熱法、硅橡膠帶壓法等不同的成型方法(圖1-圖3)[1],也可以采取機械加工方法來實現。
1.3泡沫夾層結構無損檢測技術
目前,適用于PMI泡沫夾芯結構的無損檢測方法主要有超聲和激光錯位散斑干涉無損檢測[3]。針對泡沫夾層結構中不同缺陷采用不同的檢測方法:
(1)空氣耦合超聲可以用來檢測泡沫夾層結構中面板的缺陷,面板和芯材之間的脫粘以及芯材的缺陷;
(2)超聲脈沖回波方法可用來檢測泡沫夾層結構復合材料面板的孔隙率及面板和芯材之間的脫粘;
(3)激光錯位散斑干涉可以檢測泡沫夾層結構的近表面缺陷[4];(4)電子剪切成像是一種檢測大面積泡沫夾層結構的有效方法[5]。
1.4PMI泡沫夾層結構的應用
在航天航空領域,某些部件泡沫夾層結構已取代蜂窩夾層結構,成為飛行器減重增強的手段之一。PMI泡沫在進行適當的高溫處理后,能承受復合材料固化工藝的高溫要求,這樣使得PMI泡沫在航天航空領域得到了廣泛的應用。PMI泡沫具有很好的壓縮蠕變性能,可以在120-180e、0.3-0.5MPa的熱壓罐中固化,通常能滿足預浸料固化工藝的蠕變性能要求,可以實現夾層結構的共固化。
1.4.1在運載火箭中的應用
PMI泡沫在運載火箭整流罩中有大量的應用。在DeltaÒ、Ó、Ô和H-ÒA火箭整流罩中,采用了ROHA-CELLm泡沫和環氧預浸料面板共固化制造技術,其中DeltaÒ火箭整流罩是由兩個大約9m長的ROHA-CELLmPMI泡沫半殼組成(圖4)[6],采用ROHA-CELLm泡沫半殼和環氧預浸料面板共固化技術,具有優異的抗壓縮蠕變性能,可以使用熱壓罐固化工藝。波音公司新的DeltaÔ系列運載火箭中,在有效載荷整流罩、級間段中間體、隔熱罩和推進器鼻錐結構中都是采用了ROHACELLm芯材夾層結構的設計方案(圖5)[6]。DeltaÔ大載荷運載火箭的整流罩長25m,直徑5.5m,是目前世界上采用共固化工藝制作的最大泡沫夾層結構件。PMI泡沫夾層結構大約占Delta4重型火箭結構的40%。三菱重工利用熱成形的優點在H-IIA運載火箭的整流罩中共固化ROHACELLm(圖6)[7],第一級和第二級連接的結構體級間段為直徑4m、高7m的圓柱體(圖7)[7]。根據H-ÒA和DeltaÒ運載火箭的設計分析,復合材料泡沫夾層結構可整體成型,較鋁蜂窩結構可降低工藝成本。
1.4.2在直升機結構中的應用
1971年ROHACELLmPMI泡沫就在歐洲直升機公司(Eurocopter)EcureuilEC120[7]型號上得以使用,并取得了第一個航空論證。伴隨著其在該型號直升機平臺上機身及主槳葉上的應用,高性能PMI泡沫開始在更多直升機機型中持續成功使用。新一代/虎0式直升機的發動機短艙是使用PMI泡沫ROHACELLm71XT-HT作為芯材,和BMI預浸料共固化,熱壓罐共固化工藝,構件的長期使用溫度達到160e,只有使用ROHACELLmXT才能實現共固化,在降低成本的同時減輕質量。歐洲直升機公司在所有系列的直升機型號中大量使用了PMI泡沫。NH90直升機尾槳葉、根部使用的是110WF泡沫材料;EH101直升機主槳葉、尾槳葉均采用的是70WF、51WF;Tiger直升機使用的是70WF,模壓工藝,中溫固化。泡沫良好的力學性能指標能提高在槳葉設計中常用的U形梁的結構穩定性。由于其具有杰出的抗疲勞性能,PMI泡沫能夠承受直升機槳葉在使用過程中產生的高動力載荷,這也是其他任何剛性泡沫無法與之相比的。
1.4.3在飛機結構中的應用
泡沫夾層結構在空中客車飛機氣密艙的球面框、IAI公司的翼身整流罩等結構上有大量的應用。空中客車A340-500/600(圖8)選擇PMI泡沫加強氣密機艙的隔板,泡沫密度75kg/m3、固化溫度180e、固化壓力0.35MPa,泡沫夾層的加強筋大幅度提高隔板的穩定性;A380氣密機艙的球面框采用了RO-HACELL泡沫填充A筋條結構形式[8],首先,把泡沫精確加工和熱成形,然后上下蒙皮共固化。使用PMI泡沫芯可以用作芯模制造帽形加筋條,可以大大降低構件的鋪層和固化工藝成本。預浸料可以方便地鋪設在泡沫芯模上。PMI泡沫各向同性的空隙結構和在熱壓罐固化周期良好的耐壓縮蠕變性能使得一步共固化工藝更容易實現。泡沫屈曲增強的帽筋條的性能遠遠超過空心筋條,因為由失穩導致的破壞幾乎都轉變成結構屈服破壞。這也使得在筋條設計過程中,可以減少筋條的壁厚,進而大幅度減輕質量。優化的效果取決于加筋條的實際幾何尺寸,經過優化破壞載荷可以提高40%。屈曲載荷提高近100%。
2國內泡沫夾層復合材料研究及應用
2.1國產PMI泡沫研究進展
國內目前已經開展PMI泡沫的研制工作,但整體性能與國外仍有一定差距。近年來航天材料及工藝研究所、中國科學院化學所、國防科技大學、西北工業大學等開展了PMI泡沫的研制,取得了一定進展。航天材料及工藝研究所研制的耐高溫、隔熱、透波PMI泡沫材料,主要性能已達ROHACELL的水平[9]。
2.2泡沫夾層復合材料應用研究及存在的問題
航天材料及工藝研究所進行了新型泡沫芯材特性、泡沫熱成形工藝以及泡沫夾層結構成型工藝等研究,基本掌握了泡沫夾層結構的共固化及分步固化的成型工藝。泡沫夾層結構修補及無損檢測技術正在進一步研究中。110WFPMI泡沫及其夾層結構力學性能見表2、表3。兩種固化工藝成型結構件見圖9、圖10。由于泡沫結構的特殊性,需要采取低于普通超聲波(400kHz)的頻率進行檢查。目前采用較多的是50-140kHz的頻率。北京航空工藝研究所自行研制了FCC-A-1復合材料無損檢測儀,可以檢查泡沫和膠層之間、膠層和層板之間的內部缺陷,檢查的最小缺陷為3mm@3mm[10]。同時,還存在PMI泡沫受進貨周期制約,成本價格較高等問題。
2.3夾層結構復合材料的發展需求
新一代運載火箭整流罩錐段將采用PMI泡沫夾層結構,運載火箭其他部段也可能會采用泡沫夾層結構。航空領域,機翼前緣和方向舵、起落架艙門、翼身/翼尖整流罩等對泡沫芯材夾層結構也有較大需求。
3結語
高性能泡沫芯材的研制和應用是泡沫夾層結構復合材料應用的關鍵。PMI泡沫夾層結構復合材料工程應用必須依賴于成熟的工藝,迫切需要形成一套完整的泡沫夾層結構復合材料制造與驗收的標準體系。