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泡沫性能在航空工业的利用

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本文作者:赵锐霞 尹亮 潘玲英单位:航天材料及工艺研究所

1国外PMI泡沫夹层结构的性能及应用

1.1PMI泡沫主要性能特点

(1)易于机械加工,不需要特殊设备。

(2)100%的闭孔泡沫,且各向同性。

(3)和各种树脂系统以及热塑性树脂兼容(湿法和预浸料)。与铝蜂窝夹层比较,采用泡沫夹层,可以保证夹层与蒙皮的有效粘接。

(4)高热变形温度(180-240e)。

(5)高强度质量比。PMI基本力学性能见表1。

(6)在加工过程中,具有很好的抗压缩蠕变性能,适用包括中温环氧、高温环氧以及BMI树脂预浸料等的复合材料夹层结构共固化工艺。

1.2PMI泡沫成型工艺

泡沫夹层结构目前常用的固化工艺主要有两大类:一类是胶接分步实施的多次固化工艺;另一类是玻璃纤维/碳纤维复合材料面板固化和面板与芯材胶接同时完成的共固化工艺[2]。不管是采用共固化工艺还是采用多次固化工艺,都必须考虑工艺方法对芯材的要求。通常可采用手糊、模压、真空袋压/热压罐或树脂注射成型等方法制造泡沫夹层结构。如果选用热压罐或树脂注射成型,固化过程中泡沫芯材在一段时间内要受到温度和压力的同时作用,这要求泡沫芯材具有很好的压缩蠕变性能,否则不能保证固化前、后构件的尺寸稳定性。对于不同的结构形式,PMI泡沫也需要相应的结构形式。通常根据泡沫的类型、密度、厚度和成型的复杂性采用热成型-冷成型、真空加热法、硅橡胶带压法等不同的成型方法(图1-图3)[1],也可以采取机械加工方法来实现。

1.3泡沫夹层结构无损检测技术

目前,适用于PMI泡沫夹芯结构的无损检测方法主要有超声和激光错位散斑干涉无损检测[3]。针对泡沫夹层结构中不同缺陷采用不同的检测方法:

(1)空气耦合超声可以用来检测泡沫夹层结构中面板的缺陷,面板和芯材之间的脱粘以及芯材的缺陷;

(2)超声脉冲回波方法可用来检测泡沫夹层结构复合材料面板的孔隙率及面板和芯材之间的脱粘;

(3)激光错位散斑干涉可以检测泡沫夹层结构的近表面缺陷[4];(4)电子剪切成像是一种检测大面积泡沫夹层结构的有效方法[5]。

1.4PMI泡沫夹层结构的应用

在航天航空领域,某些部件泡沫夹层结构已取代蜂窝夹层结构,成为飞行器减重增强的手段之一。PMI泡沫在进行适当的高温处理后,能承受复合材料固化工艺的高温要求,这样使得PMI泡沫在航天航空领域得到了广泛的应用。PMI泡沫具有很好的压缩蠕变性能,可以在120-180e、0.3-0.5MPa的热压罐中固化,通常能满足预浸料固化工艺的蠕变性能要求,可以实现夹层结构的共固化。

1.4.1在运载火箭中的应用

PMI泡沫在运载火箭整流罩中有大量的应用。在DeltaÒ、Ó、Ô和H-ÒA火箭整流罩中,采用了ROHA-CELLm泡沫和环氧预浸料面板共固化制造技术,其中DeltaÒ火箭整流罩是由两个大约9m长的ROHA-CELLmPMI泡沫半壳组成(图4)[6],采用ROHA-CELLm泡沫半壳和环氧预浸料面板共固化技术,具有优异的抗压缩蠕变性能,可以使用热压罐固化工艺。波音公司新的DeltaÔ系列运载火箭中,在有效载荷整流罩、级间段中间体、隔热罩和推进器鼻锥结构中都是采用了ROHACELLm芯材夹层结构的设计方案(图5)[6]。DeltaÔ大载荷运载火箭的整流罩长25m,直径5.5m,是目前世界上采用共固化工艺制作的最大泡沫夹层结构件。PMI泡沫夹层结构大约占Delta4重型火箭结构的40%。三菱重工利用热成形的优点在H-IIA运载火箭的整流罩中共固化ROHACELLm(图6)[7],第一级和第二级连接的结构体级间段为直径4m、高7m的圆柱体(图7)[7]。根据H-ÒA和DeltaÒ运载火箭的设计分析,复合材料泡沫夹层结构可整体成型,较铝蜂窝结构可降低工艺成本。

1.4.2在直升机结构中的应用

1971年ROHACELLmPMI泡沫就在欧洲直升机公司(Eurocopter)EcureuilEC120[7]型号上得以使用,并取得了第一个航空论证。伴随着其在该型号直升机平台上机身及主桨叶上的应用,高性能PMI泡沫开始在更多直升机机型中持续成功使用。新一代/虎0式直升机的发动机短舱是使用PMI泡沫ROHACELLm71XT-HT作为芯材,和BMI预浸料共固化,热压罐共固化工艺,构件的长期使用温度达到160e,只有使用ROHACELLmXT才能实现共固化,在降低成本的同时减轻质量。欧洲直升机公司在所有系列的直升机型号中大量使用了PMI泡沫。NH90直升机尾桨叶、根部使用的是110WF泡沫材料;EH101直升机主桨叶、尾桨叶均采用的是70WF、51WF;Tiger直升机使用的是70WF,模压工艺,中温固化。泡沫良好的力学性能指标能提高在桨叶设计中常用的U形梁的结构稳定性。由于其具有杰出的抗疲劳性能,PMI泡沫能够承受直升机桨叶在使用过程中产生的高动力载荷,这也是其他任何刚性泡沫无法与之相比的。

1.4.3在飞机结构中的应用

泡沫夹层结构在空中客车飞机气密舱的球面框、IAI公司的翼身整流罩等结构上有大量的应用。空中客车A340-500/600(图8)选择PMI泡沫加强气密机舱的隔板,泡沫密度75kg/m3、固化温度180e、固化压力0.35MPa,泡沫夹层的加强筋大幅度提高隔板的稳定性;A380气密机舱的球面框采用了RO-HACELL泡沫填充A筋条结构形式[8],首先,把泡沫精确加工和热成形,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条,可以大大降低构件的铺层和固化工艺成本。预浸料可以方便地铺设在泡沫芯模上。PMI泡沫各向同性的空隙结构和在热压罐固化周期良好的耐压缩蠕变性能使得一步共固化工艺更容易实现。泡沫屈曲增强的帽筋条的性能远远超过空心筋条,因为由失稳导致的破坏几乎都转变成结构屈服破坏。这也使得在筋条设计过程中,可以减少筋条的壁厚,进而大幅度减轻质量。优化的效果取决于加筋条的实际几何尺寸,经过优化破坏载荷可以提高40%。屈曲载荷提高近100%。

2国内泡沫夹层复合材料研究及应用

2.1国产PMI泡沫研究进展

国内目前已经开展PMI泡沫的研制工作,但整体性能与国外仍有一定差距。近年来航天材料及工艺研究所、中国科学院化学所、国防科技大学、西北工业大学等开展了PMI泡沫的研制,取得了一定进展。航天材料及工艺研究所研制的耐高温、隔热、透波PMI泡沫材料,主要性能已达ROHACELL的水平[9]。

2.2泡沫夹层复合材料应用研究及存在的问题

航天材料及工艺研究所进行了新型泡沫芯材特性、泡沫热成形工艺以及泡沫夹层结构成型工艺等研究,基本掌握了泡沫夹层结构的共固化及分步固化的成型工艺。泡沫夹层结构修补及无损检测技术正在进一步研究中。110WFPMI泡沫及其夹层结构力学性能见表2、表3。两种固化工艺成型结构件见图9、图10。由于泡沫结构的特殊性,需要采取低于普通超声波(400kHz)的频率进行检查。目前采用较多的是50-140kHz的频率。北京航空工艺研究所自行研制了FCC-A-1复合材料无损检测仪,可以检查泡沫和胶层之间、胶层和层板之间的内部缺陷,检查的最小缺陷为3mm@3mm[10]。同时,还存在PMI泡沫受进货周期制约,成本价格较高等问题。

2.3夹层结构复合材料的发展需求

新一代运载火箭整流罩锥段将采用PMI泡沫夹层结构,运载火箭其他部段也可能会采用泡沫夹层结构。航空领域,机翼前缘和方向舵、起落架舱门、翼身/翼尖整流罩等对泡沫芯材夹层结构也有较大需求。

3结语

高性能泡沫芯材的研制和应用是泡沫夹层结构复合材料应用的关键。PMI泡沫夹层结构复合材料工程应用必须依赖于成熟的工艺,迫切需要形成一套完整的泡沫夹层结构复合材料制造与验收的标准体系。

泡沫性能在航空工业的利用责任编辑:陈老师    阅读:人次