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。     

纤维金属层板在飞机制造中的应用及工艺性分析

金属基复合材料对飞机强度性能,抗疲劳、抗温、抗蚀、减重等能力上都比一般材料好,但造价较贵,工艺较为复杂,使用上受到一定限制.纤维金属层板在飞机结构上使用的基本是芳纶纤维增强铝合金层板(ARALL)、玻璃纤维增强铝合金层板(Glare)和碳纤维增强钛合金层板(TiGr)3种.但由于剥离强度较低,断裂韧性差,使飞机寿命受到影响,ARALL在飞机上的使用受到限制,大的民航客机上用得很少.后来新的金属基复合材料层板开发出来,就逐渐被代替了.而其中的Glare相对来说却是比较实用的,而且已经国产化.TiGr开始主要是结合航天尤其是火箭燃料箱需要而开发的,现已经推广到飞机上使用.本文对纤维金属层板在飞机结构中的应用进行了阐述,并对其工艺性进行了一般分析.     

混杂纤维复合材料层板的抗弹冲击性能

为了考察混杂纤维复合材料层板的抗弹冲击性能,采用碳纤维织物或玻璃纤维织物与芳纶纤维织物复合材料层共固化的方式,利用热压罐成型工艺制备了几种具有不同面密度及铺层结构的混杂纤维复合材料层板,并进行抗弹冲击性能测试、表观形貌观察和无损检测分析。结果表明:纯芳纶纤维及混杂纤维复合材料层板的钢弹冲击破坏模式相同,均为表层剪切破坏,中间层分层破坏,背层拉伸断裂破坏;层间混杂顺序对复合材料层板的分层缺陷面积有较大影响,当碳纤维层作为背层时,层板的分层缺陷面积为12 863. 6 mm2小于玻璃纤维层作为背层时(17 400. 5 mm2);当芳纶层作为背板时,混杂纤维复合材料层板冲击后分层缺陷面积与纯芳纶的相当(14 151. 0～14 927. 0 mm2)。混杂纤维复合材料对层板的抗弹冲击性能有较大影响,混杂后复合材料的弹道极限速度(v50)均有一定程度的提高,其中玻璃纤维/芳纶复合材料的v50从纯芳纶复合材料层板的193. 08提高至204. 33 m/s。将碳纤维层或玻璃纤维层作为着弹面层的混杂纤维复合材料层板具有更优异的抗弹冲击性能,其贯穿比吸能(BPI)均优于纯芳纶复合材料层板。     

芳纶－铝合金胶接层板残余应力分析与测定

分析了芳纶－铝合金胶接层板在固化过程中形成的残余应力以及预应力与残余应力的关系。为验证分析所得的表达式,采用应变片包理法测定了层板的残余应力,结果表明,层板纤维方向的残余应力实测值与分析值相吻合。     

玻璃纤维增强铝合金层板连接孔挤压性能实验研究

为研究玻璃纤维增强铝合金层板(GLARE)在挤压载荷作用下的损伤起始、演化方式和失效特点,采用超声C扫描、断面分析和扫描电子显微镜对三种铺层方式的GLARE层板单钉双剪实验进行观测。对挤压载荷下层板损伤起始和演化进行了观察对比,分析了铺层方式对层板挤压失效过程和破坏模式的影响。对实验中观察到的金属塑性变形、纤维屈曲、基体开裂、分层扩展等现象之间的关系进行了分析和说明。实验表明,挤压初始阶段,GLARE层板主要由铝合金承载,铝合金进入塑性之后,层板承载特性、损伤过程及最终破坏模式主要受纤维铺层方式影响。     

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。     

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。     

纤维金属层板及其在飞机结构中的应用

纤维金属层板的发展 1 Arall层板 1981年2月9日,荷兰代夫特工业大学申请了纤维金属层板的美国专利.当时,纤维金属层板采用芳纶纤维,商品名为Arall(Aramid Reinforced Aluminum Laminates),1982～1983年由ALCOA公司商品化.Arall层板既有复合材料高强低密的特点,又有铝合金韧性和抗疲劳性能好的优点.最初,纤维金属层板有Arall 1和Arall 2两种,Arall 1采用7075铝板,Arall 2采用2024铝板.1987年又有2种Arall层板(Arall3和Arall 4)问世,除采用7475铝板外,Arall 3和Arall 1没有其他差别,Arall 4主要是军用,具有较好的高温性能.     

层合复合材料Z-pin增强技术研究进展

纤维增强复合材料层合板具有良好的面内力学性能和可设计性,但较低的层间强度和层间断裂韧性影响了其工程应用.应用各种Z向增强技术(包括缝合技术、三维编织、Z-pin增强技术等)提高层合复合材料抗分层性能是航空复合材料结构技术的重要研究内容.     

树脂粘弹性与层板横向残余应力的关系

将单向芳纶 -铝合金层板纤维 /树脂层的模量表达为温度和时间的函数 ,为了确定函数中的常数 ,测定了纤维 /树脂层不同频率下的动态粘弹性能 ,测定温度为室温至 2 0 0℃ ,测定常数后 ,代入残余应力计算式进行积分求得层板横向的残余应力 ,为了验证计算结果 ,用应变片包埋法对单向芳纶 -铝合金层板横向残余应力进行了测定 ,并与实验结果进行了比较。结果表明 ,引入树指粘弹性参数的表达式可较准确地计算层板横向的残余应力     

聚酰亚胺泡沫夹层结构胶接工艺

新型卫星平台对具有较低热导率和较高尺寸稳定性的聚酰亚胺泡沫提出应用需求,为保证聚酰亚胺泡沫夹层结构胶接质量可靠性及工艺可实施性,需要对胶黏剂进行选型与性能评价。本文对硅橡胶（RTV-X,GD414）进行试验和讨论,通过胶黏剂力学性能、耐温性能、流变性能、90°剥离性能对比,确认RTV-X胶黏剂适用于聚酰亚胺泡沫夹层结构胶接工艺。通过分析验证确定胶接加压方式和胶接压力,并对试样进行高低温力学性能、温度冲击后力学性能考核,总结出以RTV-X为胶黏剂采取正压力≥1 k Pa制备出的聚酰亚胺泡沫夹层结构胶接工艺可靠,制品胶接质量良好。所得结果可为深空探测等更多型号任务需求提供工艺参考。     

铝及铝合金胶接表面的MAA工艺研究

本文介绍了一种提高铝及铝合金胶接表面耐蚀性能及胶接接头耐久性的阳极氧化新方法——MAA法,此方法工艺简单,操作方便,溶液污染小,生产效率高,是目前综合性能较好的一种胶接表面处理方法.     

新型纤维金属混合层板结构的疲劳裂纹扩展与分层行为

为了研究一种新型混合层板的损伤容限性能,针对两种铺层混合层板结构进行了应力比R=0.1,-1下两种锯切缺口尺寸试样的疲劳裂纹扩展试验,对比分析了获得的裂纹扩展a-N曲线数据,并通过对试样进行腐蚀去层,研究了层板的各层分层形态。结果表明,在应力比R=0.1时该新型混合层板疲劳裂纹扩展性能明显优于铝合金板;预浸料两侧添加胶膜比不添加胶膜会导致较好的疲劳裂纹扩展性能;由于裂纹桥接机制作用,锯切缺口尺寸较短层板试样比较长层板试样有较好的裂纹扩展性能;层板中心层铝板较其它层铝板裂纹扩展明显滞后;内层铝板与预浸料间沿裂纹方向呈近似三角形分层。     

无槽磷酸阳极化工艺的研究

随着宇航事业的发展,为减轻飞行器的重量,飞行器中胶接件愈来愈多的取代了焊接件。为了增加铝合金胶接件的胶接强度和对环境的耐久性,一般来说,胶接前都要对铝合金的待胶接部位进行表面预处理,磷酸阳极化是目前铝合金胶接预处理中最佳的一种方法,     

纤维金属层板曲面零件成形技术研究

由于具有良好的综合性能,纤维金属层板在航空、航天等领域应用越来越多。但是,成形技术是限制纤维金属层板应用的主要困难之一。对纤维金属层板塑性成形技术进行了综述,分析了纤维金属层板成形性影响因素和成形过程的主要缺陷形式,介绍了国内外纤维金属层板曲面零件的成形技术进展以及近期提出的几种纤维金属层板成形新技术。最后,分析了纤维金属层板塑性成形存在的问题及瓶颈技术。     

碳纳米管/玻纤/环氧层板超声真空灌注工艺及性能研究

针对碳纳米管/玻璃纤维/环氧树脂体系,采用传统的真空灌注工艺和超声波辅助真空灌注工艺制备复合材料层板,分析不同工艺方法下层板缺陷状况,测试层板的弯曲性能和层间剪切性能,考察树脂性能和纤维/树脂界面黏结状况,探讨碳管及工艺方法对层合板性能的影响。结果表明:与传统的真空罐注工艺相比,超声波辅助真空罐注工艺能增强树脂在纤维内部的流动,提高树脂对纤维的浸润,减少层合板的孔隙缺陷;添加0.05%(质量分数)的CNT后层合板的力学性能提高,使用超声波辅助真空罐注工艺制造的层板性能提高得更为明显;制造工艺对层合板性能的影响与纤维织物的结构紧密相关。     

SMA复合材料低速冲击数值模拟方法

利用形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)独特的超弹性效应,提出一种利用形状记忆合金提高复合材料结构抗低速冲击性能的方法.基于形状记忆合金的分段化线性简化模型,利用ABAQUS有限元软件提供的VUMAT子程序编制了SMA合金超弹性本构关系并将其引入到复合材料层板低速冲击模型,提出了含SMA复合材料低速冲击数值模拟方法.研究形状记忆合金利用迟滞阻尼特性吸收部分形变能量并加以释放的过程,探讨SMA纤维对复合材料层板抗冲击性能的增强规律.结果表明,随着SMA体积分数的提高,复合材料层板的冲击应力峰值和挠度会下降,但在低SMA体积分数(<10%)情况下,对挠度的改善作用不明显;同时随着SMA体积分数增加,单位体积SMA的冲击能量吸收率会降低,在SMA体积分数为5%~10%时,SMA纤维具有最高的能量吸收率.得出了SMA纤维具有改善复合材料抗冲击性能的作用的结论.      

楔形试验的应用

前言铝蜂窝结构和铝合金钣金胶接结构具有强度高、结构重量轻、疲劳性能好等优点。近年来,在我国宇航工业中正获得日益广泛的应用。在应用胶接结构中,必须重视胶接的可靠性和耐久性。据报导,1959至1960年飞机上应用了3500件胶接件,1977年应用达57000件,增加约16倍;1959年至1960年返修的胶接件25件,而1977年返修的胶接件     

双马来酰亚胺基碳纤维复合材料胶接用结构胶膜

针对双马来酰亚胺基碳纤维复合材料胶接用结构胶粘剂进行了研究.研制的一种高强度、高韧性结构胶膜能够满足双马树脂基复合材料及其共固化的胶接要求,并且对金属(铝合金、钛合金等)也具有较好的粘接强度.该胶还具有良好的耐介质、耐老化性能,可在200℃下长期工作.     

四种飞机蒙皮材料抗鸟撞性能对比研究

以伊尔76飞机尾翼前缘结构为对象,对铝合金、GLARE层板、金属面板蜂窝夹芯结构以及复合材料面板蜂窝夹芯结构等四种不同蒙皮材料的抗鸟撞性能进行了对比研究;运用大型非线性动力学软件PAM-crash建立结构有限元模型,通过数值仿真进行计算,并通过试验对分析方法的正确性进行了验证,从结构破坏和吸能特性两个方面进行分析,发现相同条件下,GLARE层板蒙皮重量最小,抗鸟撞能力最强,吸能效率最高,性能最优。