碳纤维增强复合材料日渐广泛地运用于飞机结构中.docx

碳纤维增强复合材料日渐广泛地运用于飞机结构中。复合材料地引入很大程度地提高了飞机地整体性，但由于检查、拆装、维护地需要以及工艺地限制、结构和工艺分离面仍是不可避免地。和金属件一样，复合材料各零部件间也要通过连接而成为一个整体。
  复合材料地连接方式有粘结、机械连接和混合连接三种。机械连接由于具有可靠性高，便于重复拆装，并对环境和疲劳影响不敏感等特点，而成为一种最常用方式，如F-16垂尾、F-18机翼、AV-8B机翼和前机身、B-1水平安定面等的复合材料结构件，均采用了以机械连接为主的连接方式，其中AV-8机翼上有3000个紧固件，前机身有2450个紧固件用于复合材料的连接。
  由于复合材料的结构和力学特点，复合材料结构机械连接与金属结构的机械连接有极大的不同，主要表现在下面四个方面：
  .碳纤维复合材料结构件装配前钻孔困难，刀具磨损快，孔的出口端易产生分成；
  .用于碳纤维复合材料连接的紧固件易产生电化学腐蚀，需采取防腐措施；
 .复合材料结构在实施机械连接过程中易产生损伤，因此紧固件的机构和装配方法不同于金属；
  .复合材料接头的强度不仅与接头尺寸有关，还受其他多种因素的影响。
  这些特点大大增加了复合材料结构连接的复杂性。

二、碳纤维复合材料的制孔工艺

  复合材料层压板的主要弱点之一是层间剪切强度低，因此钻孔时的轴向力易引起层间分离和出口端的分层，另一个文题是碳纤维对刀具的磨损严重，刀具使用寿命短。此外，能导电的碳粉尘会引起电器设备的短路。为了解决这些问题，常采取下列措施。
  1.改进刀具材质
  碳纤维的硬度是HRC53~65,相当于高速钢的硬度，所以用高速钢钻头碳纤维复合材料磨损很快，通常只能钻几个孔，必须选用硬质和金作刀具材料，国产Y330硬质合金的约HRC90,抗弯强度约2000MPa,试验证明比较适于制作复合材料钻孔刀具。在钢基体上电镀一层人造金钢砂可进一步提高钻头的使用寿命，也是一种常采用的措施。
  2.改进钻头的几何参数和钻头形式
  研究表明，钻孔时作用在层压板上的轴向进给力越大，作用在中间层上的拉伸力越大，产生分层性的可能也就越大，而钻头几何参数和形式都会影响轴向进给力，实践证明，钻头采用100°?120°的顶角，15°?25°的后角，25°?30°的旋转角，0.9?1.4mm的钻芯厚度比较理想。另外为了改善孔的质量，延长钻头使用寿命，人们还研制了双刃扁钻和四刃绞刀式扁钻。
   3.改进钻削工艺
  钻削试验表明，钻孔时产生的轴向力与钻削进给速度直接有关，进给速度为0.01mm/r时，轴向力为13.44kg,进给速度为0.07mm/r时，轴向力增加到28.29kg,因此，为保证孔的质量，宜采用低进给速度和较高的转速。但转速太高会影响钻头的使用寿命。综合考虑各种因素，一些飞机制造公司制定了钻孔的进给速度和转速规范
如下：
  当制孔只在碳纤维复合材料结构中进行时，对于直径为3.175mm?9.525mm的孔，
选用钻削参数为：
   钻速          900?2700rpm
   进给速度    0.013?0.056mm/r
    而当制孔在碳纤维复合材料和铝合金组合结构中进行时，钻孔参数按铝合金工艺参数。
   为了准确地控制进给速度，人们研制出了可控进给精密风钻，这种风钻在国外已经应用，国内正在研制中。
  另外，在结构敞开地条件下，空的出口面垫一块硬塑料垫板，在结构不敞开时，孔的出口面共固化一层玻璃布，可以有效的防止表层的剥离。
4.改善工作环境
为了防止碳尘的污染，加工时要用吸尘器把粉尘及时吸走。
三、碳纤维复合材料接头的防腐
碳纤维复合材料中的碳纤维能导电，而且与大多数合金有较大的电位差，与金属接触时极易引起金属的电化学腐蚀，因此必须注意接头的防腐，防腐可采取下面几种措施。
1.选用钛合金紧固件
材料的电位值显示，只有钛合金、耐蚀不锈钢、蒙耐尔合金等金属材料在电位上与碳纤维复合材料匹配。而上述材料中，钛合金最轻，比强度和比刚度最高，因此成为复合材料结构紧固件中应用最多的材料。国外主要是用Ti-6AI-4V合金，相当于我国的TC4钛合金。但这种合金属α＋β型，冷塑形较差，紧固件需要热镦成型，而我国尚无可供生产的热镦设备。后来问世的β型钛合金冷塑性较好，我国工作者正致力于用β合金制作紧固件，并已积累了大量的经验。国产β型钛合金有Ti-22,47121等。
2.在复合材料和金属之间垫衬片
当碳纤维复合材料和金属件连接时，在对接和搭接处垫一层玻璃布或Kevlar布，可以有效地防止金属地腐蚀，通常这层衬布预先与复合材料巩固化在一起，当紧固件螺帽是铝合金时，对螺帽进行阳极化，涂漆等表面处理，然后垫纯钛垫片，也可以防止铝合金地腐蚀。
3.对接头进行全封闭
用密封胶把接头完全封闭起来，使得电解质不能侵入，也就防止了接头地腐蚀。具体地方法是在紧固件上涂胶，进行湿装配，再在接头上涂胶，常用地密封胶有环氧－聚西＋先树脂等。
由于复合材料接头地防腐是一个很重要地问题，而且没有一种单一的方法能完全有效，实际上常常是几种方法并用，图1是一个较典型的复合材料接头的防腐情况。这里螺栓为钛合金，螺母是铝合金，为防止螺栓与螺母间的电化学腐蚀，安装时，高锁螺栓螺纹浸渍环氧树脂漆后才插入孔内进行湿安装。为防止铝螺母与复合材料间的电偶腐蚀，二者之间加纯钛垫圈进行隔离。安装完毕后，再在整个外露区涂一层环氧树脂底漆和一层聚氨酯清漆进行全封闭

四.复合材料接头的装配
与金属材料相比，复合材料性脆，纤维和基体间易剥离，表层易受损伤，各向异性显著，应力集中高等缺点，因此其机械连接工艺与金属有显著的不同。
1.铆接的选用
由于复合材料有延伸率小，层间强度低，抗冲击能力低等弱点铆接易引起复合材料层压板孔内壁及表皮的损伤，国外普片认为，只有在复合材料——金属传载接头上才允许使用铆接，但是由于铆接在机械连接中工艺最简单，成本最低，增重也最少，所以即使在全复合材料接头上，设计人员仍希望在承力不大的部位采用铆接。大量实验证明，只要选用塑性好的材料（铝合金是飞机铆接最常用的材料，但考虑电化学腐蚀的存在，复合材料用纯钛TAI）制造铆钉，并在结构和工艺上采取一定的措施（如控制钉杆的膨胀量，采用压铆而非锤铆等），铆接在飞机复合材料结构上还是可以得到应用的。常用的铆钉有两大类：
钉杆有镦粗的铆钉——需在镦头端加一钢性金属垫片来控制钉杆的膨胀量，并且用压铆而不用锤铆，国内某机全复合材料垂尾采用φ3.5纯钛铆钉进行铆接，选用下列工艺参数，证明是可行的。
铆孔直径：    φ3.8＋0.10
垫圈直径：    φ3.6＋0.10
镦头直径：    φ1.4d±0.01
顿头高度：    0.6d±0.05
                  d——铆钉直径

 钉杆没有膨胀的铆钉——如空尾铆钉，抽芯铆钉、双金属铆钉、钛铌合金空芯铆钉等，这些新型铆钉由于钉杆基本没有膨胀，不会引起层压板的开裂，在国外已得到的广泛的应用。

常用紧固件的特点

2.铆接的选用
需要重复拆装及承载较大的接头大都采用螺栓连接。钛合金螺栓除了普通六角形凸头螺栓外，更常用的是高锁螺栓，高锁螺栓具有较高且均衡的夹紧力，有自锁能力，利用风扳机可单面安装。机械性能实验表明，钛合金高锁螺栓的静强度和疲劳强度都不低于高强度钢螺栓的相应值。
3。特种紧固件的选用
飞机上有一些特殊的部位对连接有特殊的要求，如结构不敞开，只能从单面安装；结构表面倾斜度大；或者结构有密封要求等。在这些情况下，前面提到的螺接和铆接常难以实现或达不到要求，因此国内外有研制出了一些特种紧固件，常见的有钛环槽钉，螺纹抽钉等。这些紧固件因具有装配力小，加紧力可控，密封等优点而在复合材料接头上得到了广泛的应用。
4.干涉配合的选用
前面所讲的配合中，都尽量避免钉杆和孔径的过盈配合，这时因为在复合材料的早期应用中，发现干涉配合连接会引起结构的分层损坏，因此认为复合材料结构不宜采用干涉配合。但近期研究表明，适当的干涉量和较高的测向压力同时作用，有利于提高接头的强度和疲劳寿命，有利于接头的密封，问题的关键是干涉量的控制要适当，并且钉的结构和安装工艺上，要设法使孔壁只只产生轻微的毛刷状分成损伤。因此国外专门研制出了用于干涉配合的紧固件——干涉配合钛环槽钉。
目前已研制出的复合材料紧固件种类很多，使用时要根据具体情况进行选用，表中列出了几种常用的钛合金紧固件的形状、材料、特点。
五、接头几何参数和影响接头强度的因素
复合材料接头的破坏有拉伸、剪切、挤压、劈裂和拉脱五种形式（如图2所示）。前三种与金属相同，后两种是复合材料所特有的。在这五种破坏形式中，只有挤压破坏是局部破坏，且承载强度最高，因此设计人员总力求把接头结构设计成仅可能发生这种破坏的形式，这就要求接头（如图3所示）有足够大的边距和端距。通常要求复合材料接头的几何尺寸满足下列条件：

与金属材料不同的是，复合材料接头的强度不仅取决于材质和几何参数，还受其他多种因素的影响。
  1.纤维方向
目前飞机用复合材料，大多采用0°、90°、±45°四钟方向铺设纤维，各定向层所占比例不同，所得层压板接头的强度就不同。实验证明，在合适的接头参数下，欲使接头仅发生挤压破坏，±45°
铺层的比列应大于40％，90°铺层应占10％?40％。
2.拧紧力矩
拧紧力矩是影响复合材料层压板接头接头强度的重要因素之一。拧紧力矩的存在有利于防止纤维／树脂界面剥离。这种剥离会引起孔边毛刷状破坏而造成接头实效，所以适当的增大拧紧力会使接头强度提高。但拧紧力矩过大将导致紧固件预拉伸载荷量增大，而且还会引起复合材料表层损伤，因此要综合考虑，不同的紧固件有相应的拧紧力矩标准，并需通过特殊的工艺设备来保证。
3.连接形式
机械连接有单搭接和双搭接两种形式。结构外部多采用单搭接，结构内部常采用双搭接。从受力情况来看，单搭接偏心力矩大，强度要比双搭接低15％?20％。
4.钉头头形
无论是铆钉还是螺钉，其钉头都有凸头和埋头两种。除气动外形部位，一般宜采用凸头，因为埋头使有效挤压面积减小，接头强度仅为秃头钉的75％。
5.温度和湿度
温度和湿度都会影响接头强度。
六、总结