纤维增强铝合金层板的发展与应用

 本文介绍了最新研制的一种新型结构材料——纤维增强铝合金层板,该层板已引起许多西方飞机制造厂的注意。该材料兼取了复合材料和铝合金的优点,克服了各自的一些缺点。最引人注目的性能是它所具有的极好的抗疲劳和损伤性能。通过改变材料的组成和工艺过程,可以得到不同性能,满足某些特殊的用途。本文介绍两种典型的材料构型——芳纶纤维增强铝合金层板(ARALL)和R-玻璃纤维增强铝合金层板(GLARE)的研究过程、材料组成、性能和应用。最后讨论了今后研究所需要解决的问题。     

纤维金属层板的开发和应用现状

随着我国航空航天领域器械的飞速发展,对该领域中结构件所用材料的综合性能及轻量化提出了新的要求。在过去几十年里,大型客机的市场需求不断扩大,刺激了新型材料的兴起,使材料向着高性能,轻质量发展。纤维金属层板是由铝合金与纤维预浸料交替铺层固化而成的层间混杂复合材料。纤维金属层板结合了金属与复合材料的优良特性,具有密度小、损伤容限优良、抗冲击和疲劳性能,越来越受到航天航空和轨道交通领域的关注。目前用于商业生产的金属纤维层压板(FMLs)多以基于芳纶纤维(ARALL)与基于高强玻璃纤维(GLARE)的层板为主。概括了纤维金属层板的制备前表面处理工艺,对其弯曲测试、拉伸测试、冲击测试和疲劳测试等力学性能的测试方法进行综述,同时对未来新型纤维金属层板的开发进行探究,为纤维金属层板的开发提供参考信息。     

玻璃纤维增强铝合金层合板疲劳性能试验研究

纤维增强金属层板兼具复合材料和金属材料的优点,是理想的民机结构备选材料.本文对玻璃纤维增强铝合金层合板在不同应力比下裂纹萌生及疲劳裂纹扩展性能进行了试验、测试和分析,获得了不同应力比及应力幅值对疲劳裂纹萌生和疲劳裂纹扩展的影响规律,给出了纤维增强铝合金层合板(FML)在疲劳载荷作用下疲劳特性,对此类材料的设计及应用有一定参考价值.     

ARALL层板在某型飞机结构上的应用

某型飞机方向舵中段壁板上使用了ARALL层板代替传统铝合金板材,通过对ARALL层板的设计以及力学性能试验,验证了ARALL层板设计达到了研制要求,解决了某型飞机方向舵中段壁板钉孔振动疲劳裂纹及铆钉松动等问题。     

先进复合材料装配工艺应用

先进复合材料由于具有高比强度和高比刚度、耐高温、耐腐蚀、重量轻等优良的性能被认为是最理想的结构材料.具有代表性的先进复合材料--聚合物基复合材料(如KFRP,芳纶复合材料)和金属基复合材料(如ARALL,芳纶铝合金层板)已在军用飞机、运载火箭、战术导弹、卫星、坦克等军事装备中获得了一定的应用,并有日益增多的趋势.     

玻璃纤维增强铝合金层板高速冲击损伤容限

为研究玻璃纤维增强铝合金（GLARE）层板高速冲击损伤容限,对单次、多次冲击载荷下GLARE层板的损伤特性进行了高速冲击试验和数值仿真研究。采用一级气体炮,在GLARE层板靶板的中心位置、边位置、角位置进行弹道冲击试验,获取弹道极限和损伤模式,然后结合数值仿真剖析动态响应特性。结果表明,弹道冲击条件下,GLARE层板主要通过塑性变形、金属层裂纹、脱胶、复合材料纤维脆断等损伤模式吸收冲击能量。边界约束效应对GLARE层板冲击损伤特性具有显著影响,主要表现在：约束效应导致不同位置冲击下GLARE层板损伤模式不同,包括成坑、金属裂纹和冲塞等特征;角位置冲击条件下,GLARE层板的弹道极限速度明显低于中心位置冲击结果;重复冲击条件下,角位置比与边位置和中心位置更容易发生穿透。     

低速冲击下FMLs、铝板和复合材料的损伤对比

为提高飞机结构的损伤容限和抗冲击性能,欧洲成功研制了多种纤维金属层板(FMLs),并在具体机型结构上成功应用。对由玻璃纤维和2024-T3铝合金交替层压而成的FMLs进行落锤低速冲击试验,并与2024-T3铝合金板和准各向同性F300复合材料板进行了对比分析。FMLs完全穿透所需要的能量比2024-T3铝合金板和复合材料板分别高出约40%和6倍;在相同能量下,FMLs的背面裂纹长度比铝合金板短30%~50%。使用有限元法对FMLs动态冲击损伤过程进行了数值模拟,其中铝层采用延性损伤理论,纤维层采用Hashin失效准则,分析了层合板的动态冲击响应,总结了其损伤规律。数值结果与试验结果符合较好。     

典型前缘结构抗鸟撞性能改进研究

 针对某典型前缘结构,研究了使用纤维金属层板(Fibre Metal Laminates,FMLs)蒙皮进行抗鸟撞设计的可行性。以显式动态冲击分析程序PAM-CRASH为平台,结合由鸟撞平板试验结果验证的鸟体本构模型参数,建立了鸟撞前缘结构数值模型。通过计算研究了使用不同蒙皮(铝合金、FMLs)的前缘结构在鸟撞作用下的变形破坏模式及吸能效果。结果表明：采用适当铺层的FMLs蒙皮可以有效地提高前缘结构的抗鸟撞性能。研究结论对飞机结构的抗鸟撞研究具有一定的参考价值。     

一代材料技术，一代大型飞机

 介绍了用于大型飞机的新材料的发展现状和趋势。当前,欧美大型飞机机体的材料结构正从以铝合金为主过渡至以复合材料为主,50%复合材料用量是未来飞机的起点。新一代大型飞机的材料技术特色首先是复合材料和钛合金用量创历史新高,以大幅度减轻飞机结构重量和降低燃油消耗;其次反映于一些具有新意的材料技术的成功推出,其中包括复合材料整体机身段、全钛发动机挂架、纤维金属层板、第3代铝锂合金、新型高强铝合金7085、新型高强高韧钛合金Ti-55531等。最后,对中国刚立项研制的大型飞机的选材原则提出了建议。     

纤维金属层板分层扩展的优化分析

以纤维金属层板疲劳裂纹扩展与分层扩展预测模型为基础,对分层扩展的影响因素,包括单层厚度、残余应力、增强纤维的弹性模量、层间结合强度和胶粘剂的剪切模量等,进行了分析。研究表明,降低材料的单层厚度和改善层板的残余应力系统可显著降低层板的分层扩展速率,而提高层间结合强度和增强纤维的弹性模量对降低层板的分层扩展速率的作用相对较小。