復(fù)合材料自20世紀(jì)70年代就以比重小、強(qiáng)度高、疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)受到飛機(jī)設(shè)計(jì)師的青睞。但是，由于其層間強(qiáng)度低、分散系數(shù)大和易受濕熱影響等缺點(diǎn)又限制了它的使用。當(dāng)前主要應(yīng)用于機(jī)翼蒙皮、垂尾、機(jī)身蒙皮等型面較簡(jiǎn)單的部位。復(fù)合材料在戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)身隔框結(jié)構(gòu)應(yīng)用一直都很謹(jǐn)慎，一方面由于機(jī)身結(jié)構(gòu)受力更復(fù)雜，復(fù)合材料隔框與外蒙皮和進(jìn)氣道的連接較困難，另一方面，傳統(tǒng)的帶π 形接頭的夾層結(jié)構(gòu)雖是一種解決辦法，但傳統(tǒng)夾層結(jié)構(gòu)接頭的傳載效率還很不理想。

傳統(tǒng)夾層結(jié)構(gòu)及接頭 

       傳統(tǒng)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)（Nomex蜂窩、鋁蜂窩等）是一種以最小重量獲得高彎曲剛度的方法，但由于其強(qiáng)度低、使用中易潮濕、易腐蝕、損傷容限低、面板易和芯子分離、全壽命成本較高等缺點(diǎn)限制了它在飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。另外，傳統(tǒng)夾層結(jié)構(gòu)接頭的傳載效率也是個(gè)問(wèn)題。如果不采用螺栓連接，接頭的傳載能力有限，如果采用螺栓連接，則復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的減重效果又不明顯，見(jiàn)圖1。新型夾層結(jié)構(gòu)及接頭改進(jìn)夾層結(jié)構(gòu)及接頭設(shè)計(jì)主要考慮載荷傳遞、生產(chǎn)性、耐久性、維修性、油密封性和成本。當(dāng)前一些新型的夾層結(jié)構(gòu)接頭設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是采用內(nèi)嵌三維編織的π 形預(yù)成形件接頭以提高損傷容限和靜強(qiáng)度、不易腐蝕的蜂窩（如鈦蜂窩）、泡沫充填以減少濕氣入侵提高損傷容限，提高接頭傳載效率、少量或者沒(méi)有緊固件見(jiàn)圖2。 

       新型夾層結(jié)構(gòu)接頭雖然形式差不多，但它們之間還是有一些差別的，圖2 中接頭1 是用螺栓連接裝配，其優(yōu)點(diǎn)是裝配方便，可用于需要經(jīng)常拆卸的部位，缺點(diǎn)是由于螺栓開(kāi)孔有較強(qiáng)的應(yīng)力集中，對(duì)蒙皮強(qiáng)度有一定的削弱。接頭2是共膠接裝配，此種接頭的優(yōu)點(diǎn)是重量輕，裝配方便，缺點(diǎn)是模具精度要求高，成本高，周期長(zhǎng)。接頭3則是采用共固化裝配，此種方法的優(yōu)點(diǎn)是蒙皮夾層結(jié)構(gòu)的面板鋪層可以是非對(duì)稱(chēng)的，重量輕成本低。缺點(diǎn)是面板的表面質(zhì)量可能不是很高。

       這些新型夾層結(jié)構(gòu)及接頭在選材上也和傳統(tǒng)夾層結(jié)構(gòu)有所區(qū)別，在結(jié)構(gòu)高應(yīng)力區(qū)，一般選用鈦合金蜂窩，因?yàn)樗哂懈叩膹?qiáng)度和高的損傷容限，而且還耐腐蝕。為了進(jìn)一步防潮，蜂窩里還填充了泡沫，因?yàn)樗梢缘钟鶟駳夂陀偷娜肭?，進(jìn)一步提高損傷容限。泡沫充填的紙蜂窩可用在低或中等應(yīng)力區(qū)以節(jié)約成本。當(dāng)然，選用鈦蜂窩，結(jié)構(gòu)重量和成本會(huì)高一些，但從它的全壽命來(lái)考慮，輕微的增加重量還是劃算的。

       試驗(yàn)表明，采用螺栓連接的接頭1比采用共膠接連接的接頭2更先失效。對(duì)于接頭2，即使高強(qiáng)度芯子剪切失效時(shí)，預(yù)成形件也沒(méi)失效。通過(guò)試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，由于π 形預(yù)成形件的存在改變了接頭1的失效模式，如果沒(méi)有三維編織的π 形預(yù)成形件，那么接頭1從出現(xiàn)第一次裂紋到最終失效將是非常迅速，也就是爆炸性的。但由于預(yù)成形件存在，這個(gè)過(guò)程將是緩慢的，也就是在第一次出現(xiàn)裂紋到最終失效之前都可以承受相當(dāng)?shù)妮d荷。因此, 三維編織預(yù)成形被固化在接頭后，結(jié)構(gòu)的損傷容限得到提高。

       試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，蜂窩的尺寸大小對(duì)夾層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度有明顯的影響，比如蜂窩尺寸從3/8in改到1/4in 或3/16in，夾層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度會(huì)有很大的改善。因?yàn)榉涓C尺寸減少，芯子粘接面積顯著提高，從而提高粘接強(qiáng)度。還有，在濕熱環(huán)境下，有些膠粘劑容易失效，所以膠粘劑的選擇也很重要，在連接設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證被膠接件破壞發(fā)生在膠層破壞之前，也就是膠層不應(yīng)為薄弱環(huán)節(jié)。 

       在實(shí)際工程中，往往還在共膠接的蜂窩夾層接頭采用Z-pinning技術(shù), 增加Z向纖維含量以提高接頭抵御分層的能力和損傷容限。新型接頭應(yīng)用于機(jī)身框內(nèi)嵌三維編織π 形預(yù)成形件的新型夾層接頭傳載效率較高，不但可以應(yīng)用于傳統(tǒng)的翼面結(jié)構(gòu)，也可以用于機(jī)身結(jié)構(gòu)的普通框或地板等次承力構(gòu)件，特別是前機(jī)身結(jié)構(gòu)。

       前機(jī)身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，載荷較低，需按剛度設(shè)計(jì)，因此前機(jī)身蒙皮一般都采用復(fù)合材料?，F(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)由于隱身要求和長(zhǎng)壽命要求，進(jìn)氣道往往也采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。此時(shí)對(duì)于前機(jī)身的地板、隔框等，如果還采用傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)，蒙皮表面將不可避免地存在金屬緊固件，而在復(fù)合材料承力結(jié)構(gòu)的機(jī)械連接中，所用緊固件多為鈦合金，成本較高；復(fù)合材料結(jié)構(gòu)施工中鉆孔難而慢，需用特殊刀具，成本高；再加上為了防止電化腐蝕而采用的濕裝配，總的成本就更高。并且，機(jī)體結(jié)構(gòu)上存在大量的縫隙、臺(tái)階、緊固件頭等，對(duì)隱身不利。由于緊固件開(kāi)孔也將影響到前機(jī)身結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，在前機(jī)身的某些部位，如果采用上述新型夾層結(jié)構(gòu)接頭，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體性增強(qiáng)，無(wú)疑可以大大改善上述問(wèn)題。

      值得注意的是蒙皮部件設(shè)計(jì)從螺栓連接裝配改為膠接裝配，此時(shí)，裝配順序就顯得非常重要。 

       我國(guó)大飛機(jī)項(xiàng)目已經(jīng)啟動(dòng)，由于經(jīng)濟(jì)性和高可靠性要求，大飛機(jī)對(duì)復(fù)合材料的需要就更加迫切，要求也更加苛刻?？梢哉f(shuō)，先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體成型技術(shù)是國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)的技術(shù)瓶頸之一。由于大飛機(jī)比一般的戰(zhàn)斗機(jī)在尺寸上要大的多，因此，采用內(nèi)嵌三維編織的π 形預(yù)成形件的夾層結(jié)構(gòu)接頭、帶蜂窩泡沫芯復(fù)合材料面板夾層結(jié)構(gòu)等新型結(jié)構(gòu)在其上面的應(yīng)用也更具有優(yōu)勢(shì)，特別是在翼面、機(jī)身結(jié)構(gòu)方面。當(dāng)然，這些新型接頭也可以應(yīng)用于無(wú)人機(jī)和導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)，由于這些結(jié)構(gòu)無(wú)需進(jìn)行修理，采用這種些接頭可以獲得更高的結(jié)構(gòu)效率。

結(jié)束語(yǔ)

      近幾年，我國(guó)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成形工藝有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，如三維編織、RTM、RFI等成形技術(shù)已基本成熟，復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)在我國(guó)飛機(jī)上也有一定的使用經(jīng)驗(yàn)。但總的說(shuō)來(lái)，目前國(guó)內(nèi)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員還缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，更缺乏整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。我們應(yīng)該著重從以下幾方面努力：（1）轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)觀(guān)念。要從過(guò)去設(shè)計(jì)金屬結(jié)構(gòu)的思路轉(zhuǎn)變到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上，對(duì)復(fù)合材料的整體性的優(yōu)缺點(diǎn)要有清楚的認(rèn)識(shí)。（2）立足于國(guó)內(nèi)研發(fā)的同時(shí)，借鑒國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)。本文所介紹的新型接頭，歸根到底還是要落實(shí)到工藝上，因此，一方面要繼續(xù)研制復(fù)合材料成形技術(shù)，另一方面要研發(fā)高性能的膠粘劑、常溫固化又可高溫使用的膠粘劑等。（3）要進(jìn)行充分的計(jì)算分析和驗(yàn)證試驗(yàn)。只有這樣才能加速研究成果向工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。