與金屬材料相比，直升機(jī)采用先進(jìn)復(fù)合材料還能達(dá)到減重、抗疲勞、防腐蝕和易修補(bǔ)損傷等目的，特別是在功能化設(shè)計(jì)處理后，還可以提高防雷達(dá)探測(cè)能力和抗墜毀能力。與定翼機(jī)相比，旋翼直升機(jī)的飛行速度相對(duì)較慢，除了發(fā)動(dòng)機(jī)部位阻燃、隔熱的要求較高之外，一般來(lái)說(shuō)，改性環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的耐熱等級(jí)即可以滿足大部分使用要求。從抗撞損性能角度考慮，在重量等同情況下，設(shè)計(jì)機(jī)體結(jié)構(gòu)時(shí)優(yōu)先選用復(fù)合材料代替金屬材料，因?yàn)橛?a href="http:///sell/" target="_blank">碳纖維復(fù)合材料制備的波紋梁地板構(gòu)件已經(jīng)能夠吸收機(jī)身撞擊時(shí)產(chǎn)生的大部分能量。用芳綸纖維復(fù)合材料制備的飛行員坐椅結(jié)合撞損能量吸收系統(tǒng)兼?zhèn)淞藴p重、減震以及復(fù)合陶瓷板防彈的功能。
復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)在旋翼槳葉的應(yīng)用上得到了最充分的發(fā)揮，它使旋翼槳葉氣動(dòng)外形的改進(jìn)以及旋翼動(dòng)力學(xué)特性的優(yōu)化成為可能。旋翼是外部噪音的主要來(lái)源，型面、扭曲度、端部形狀的優(yōu)化都能達(dá)到減少聲發(fā)射的效果。設(shè)計(jì)中盡量減少凹形形狀和金屬零部件、采用透波/吸波材料，可減少雷達(dá)反射面積。更重要的是復(fù)合材料能使交變載荷下的旋翼壽命大幅度提高。金屬槳葉的壽命一般不超過(guò)3 000h，而復(fù)合材料槳葉壽命可達(dá)10 000h至整機(jī)設(shè)計(jì)壽命。這使槳葉的全壽命成本大幅度降低，同時(shí)提高了飛機(jī)的可靠性。
槳葉芯材選用泡沫塑料/Nomex蜂窩芯還可使主槳葉具有良好的破損安全性，耐撞擊，對(duì)缺口效應(yīng)不敏感，彈傷后擴(kuò)散緩慢，不會(huì)驟然斷裂的特點(diǎn)，適應(yīng)了武裝直升機(jī)的抗易損性要求。對(duì)于槳轂材料，主要考慮抗疲勞特性，通常選用高強(qiáng)度玻璃纖維粗紗增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基體制備，這樣可以同時(shí)具備很高的可靠性和抗彈傷能力。這些優(yōu)點(diǎn)使得先進(jìn)復(fù)合材料在直升機(jī)上的大量使用成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)80年代從法宇航引進(jìn)的“海豚”直升機(jī)制造專利技術(shù)，EC-120復(fù)合材料機(jī)身制造裝配技術(shù)，特別是北京航空材料研究院研制的系列化航空級(jí)復(fù)合材料預(yù)浸料和多機(jī)型直升機(jī)承力結(jié)構(gòu)部件等，都有助于擴(kuò)大國(guó)產(chǎn)先進(jìn)復(fù)合材料在新機(jī)型上的應(yīng)用。
1 主槳葉用復(fù)合材料預(yù)浸料性能
直升機(jī)槳葉材料選用中溫固化預(yù)浸料。預(yù)浸料用熱熔膠膜法生產(chǎn)，主要浸漬工藝參數(shù)有纖維張力、浸漬溫度、壓力和走帶速度等。控制樹(shù)脂熔體粘度約100Pa·s、刮膠溫度約70℃、走帶速度約1~2m/min時(shí)比較容易成膜。為提高剛度，使用M40J碳纖維作為增強(qiáng)體。其復(fù)合材料指標(biāo)與性能測(cè)試值見(jiàn)表1。模壓法試制的主槳葉和槳轂組成的旋翼是直升機(jī)的升力面和操縱面。主槳葉在快速變化及復(fù)雜的空氣動(dòng)力環(huán)境中承受高交變氣動(dòng)載荷，其考核內(nèi)容包括疲勞試驗(yàn)和疲勞壽命估算。疲勞壽命估算的原則是：在載荷作用下以變形計(jì)算為基礎(chǔ)，對(duì)試樣剖面各點(diǎn)掃描確定各種組合材料的當(dāng)量動(dòng)態(tài)最大應(yīng)變值。以當(dāng)量動(dòng)態(tài)最大應(yīng)變計(jì)算106疲勞極限，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和MINER線性累積損傷理論，查出試樣剖面各種組合材料的壽命，取最小值，再取各段的極小值給出壽命。試制件至少能夠滿足2 400h的裝機(jī)壽命指標(biāo)。
2 扭力調(diào)節(jié)桿用復(fù)合材料預(yù)浸料性能
扭力調(diào)節(jié)桿件(柔性桿)是直升機(jī)主減速器懸掛組件中的重要部件。通過(guò)前后2個(gè)柔性桿的變形吸收主減速器傳遞下來(lái)的振動(dòng)。桿件兩端分別裝有承扭接頭和滑動(dòng)接頭，主要承受彎矩和壓力。復(fù)合材料不易產(chǎn)生突發(fā)性脆性斷裂，而且其鋪層可設(shè)計(jì)性能夠更加充分地發(fā)揮復(fù)合材料各向異性的受力特征。
本課題選用改性環(huán)氧樹(shù)脂基體及其RC10.800高強(qiáng)型連續(xù)玻璃纖維粗紗作為原材料。采用連續(xù)玻璃纖維窄帶熔融樹(shù)脂預(yù)浸機(jī)組制備了改性環(huán)氧/RC10.800連續(xù)玻璃纖維預(yù)浸料。預(yù)浸料線性質(zhì)量為(24.95±0.35)g/m;幅寬為(34±0.5)mm，連續(xù)長(zhǎng)度≥85m/盤(pán)，可以滿足連續(xù)纏繞成型一根柔性桿件的要求。預(yù)浸機(jī)組的工作原理為熔融樹(shù)脂直接浸漬方式，揮發(fā)分含量≤0.8%。為了使樹(shù)脂含量精確地控制在(23±1)%的范圍內(nèi)，機(jī)組上必須安裝合適的加熱段和有效的擠膠輥，分別調(diào)節(jié)控制24團(tuán)玻璃纖維粗紗的過(guò)程張力和窄帶收卷張力，機(jī)組工作的全過(guò)程通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制。對(duì)制件的功能考核內(nèi)容包括靜剛度試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)和疲勞壽命分析。對(duì)復(fù)合材料基本力學(xué)性能的要求包括常溫和實(shí)際工作環(huán)境溫度(80℃)下的拉伸、壓縮、彎曲、剪切的強(qiáng)度和模量，特別是材料的106疲勞極限強(qiáng)度，以及經(jīng)過(guò)加速濕熱老化處理后力學(xué)性能的變化等。為了滿足這些要求并且便于熱熔預(yù)浸工藝操作，試驗(yàn)中選用了不同種類、不同分子量的環(huán)氧樹(shù)脂作為基礎(chǔ)樹(shù)脂，配合改性芳香胺類固化劑和促進(jìn)劑進(jìn)行優(yōu)化組合。首先遇到的問(wèn)題是，在生產(chǎn)線使用的成型工裝模具和固化工藝都已經(jīng)確定的前提下，只能優(yōu)先調(diào)節(jié)對(duì)固化工藝影響明顯的樹(shù)脂基體的凝膠時(shí)間與其相適應(yīng)。其中使用促進(jìn)劑M的凝膠時(shí)間與設(shè)計(jì)指標(biāo)最為接近。DSC曲線中的放熱峰從410K至482K，峰值為440K，反應(yīng)熱18.51cal/g(77.50J/g)。
熱熔預(yù)浸工藝參數(shù)依賴于樹(shù)脂基體的流變行為，使用HAAK流變儀測(cè)試分析了樹(shù)脂基體的“粘度-溫度”曲線：基體在低于80℃時(shí)熔體粘度高達(dá)103Pa·s，不易平整成膜;在90~110℃范圍內(nèi)，粘度約為102Pa·s，比較適合使用熱熔工藝制備膠膜;當(dāng)溫度進(jìn)一步升至150~160℃時(shí)，樹(shù)脂基體粘度降至最低點(diǎn)，約為幾十Pa·s;然后隨著溫度升高而很快進(jìn)入凝膠狀態(tài)。對(duì)比熱熔預(yù)浸工藝前后基體樹(shù)脂的“粘度-溫度”曲線可見(jiàn)，熱熔預(yù)浸工藝過(guò)程沒(méi)有明顯降低樹(shù)脂基體的操作期。
研制的RC10.800熱熔預(yù)浸料的物理性能見(jiàn)表2，從表中可見(jiàn)，揮發(fā)分含量?jī)H為0.4%,有利于降低制件的孔隙率，提高疲勞壽命;要求預(yù)浸料線性質(zhì)量在±0.35g/m的范圍內(nèi)波動(dòng)，有利于預(yù)浸機(jī)組參數(shù)的精確調(diào)節(jié)。
使用研制的改性環(huán)氧5232/RC10.800預(yù)浸料，按照規(guī)定的固化工藝制樣，測(cè)試了研制材料的基本靜態(tài)力學(xué)性能，以及百萬(wàn)次彎曲、拉伸和剪切疲勞極限強(qiáng)度等動(dòng)態(tài)性能?？弓h(huán)境性能測(cè)試采用48h水煮快速老化試驗(yàn)。其中A表示試樣經(jīng)過(guò)48h水煮后立刻進(jìn)行測(cè)試;B表示試樣經(jīng)過(guò)48h水煮，再置入100℃烘箱內(nèi)干燥處理24h后進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。從表3中的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，研制的改性環(huán)氧5232/RC10.800復(fù)合材料力學(xué)性能實(shí)測(cè)值與要求的技術(shù)指標(biāo)基本相當(dāng)，可以進(jìn)行制件的批生產(chǎn)工藝試驗(yàn)。
3 波紋梁用復(fù)合材料預(yù)浸料性能
按照設(shè)計(jì)圖紙要求，選用本課題組研制的4種5224改性環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維預(yù)浸料制備波紋梁。它們分別是由熱熔法預(yù)浸工藝制備的5224/G803緞紋碳布、5224/G827單向碳布、用于制件局部表層的5224/914Kevlar布和5224/T300無(wú)緯帶，其揮發(fā)分含量指標(biāo)明顯低于使用通常溶液法制備的預(yù)浸料，而且樹(shù)脂含量很容易通過(guò)膠膜厚度的精確調(diào)節(jié)進(jìn)行控制，其物理性能見(jiàn)表4。上述4種5224改性環(huán)氧樹(shù)脂基預(yù)浸料具備良好的鋪覆工藝性。
按設(shè)計(jì)鋪層在不同階段進(jìn)行預(yù)壓實(shí)處理，以確保波紋梁制件的孔隙率降至最低，并使制件厚度尺寸滿足設(shè)計(jì)圖紙的要求。
測(cè)試了樹(shù)脂基體的“粘度-溫度”曲線。樹(shù)脂基體在常溫時(shí)具有較高的粘度，隨著溫度上升至120℃，粘度從幾千降至幾十Pa·s;然后在140~150℃時(shí)進(jìn)入凝膠狀態(tài)，形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。樹(shù)脂基體屬于增韌環(huán)氧，流動(dòng)度較小，模具周邊預(yù)加工幾個(gè)排膠孔以防制品積膠?？紤]到鋼制組合模具的質(zhì)量達(dá)數(shù)百kg，固化過(guò)程中模具溫度明顯滯后于熱壓罐的溫升速率，所以取消中間的保溫階段，依靠相對(duì)緩慢的升溫速率來(lái)保證鋼制模具的實(shí)測(cè)溫度與設(shè)定溫度同步。加壓在樹(shù)脂進(jìn)入凝膠點(diǎn)之前進(jìn)行，有利于夾裹在樹(shù)脂內(nèi)的殘余揮發(fā)分含量盡可能被最后排擠出體系，消除產(chǎn)生孔隙率的根源。
裝入組合模具內(nèi)的預(yù)浸料坯固化成型工藝條件是：在室溫抽真空，真空度至少要達(dá)到0.09MPa;然后以1.5~2℃/min的升溫速率從室溫升至(135±5)℃時(shí)開(kāi)始加壓(0.6±0.1)MPa;繼續(xù)升溫至180℃，恒溫2h后卸真空和外壓;自然降溫至60℃以下，卸模。5244/G803、5244/G827和5224/T300碳/環(huán)氧復(fù)合材料隨爐試片的基本靜態(tài)力學(xué)性能見(jiàn)表5。從表中的測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，隨爐試片的拉伸、壓縮、彎曲強(qiáng)度和模量，以及剪切強(qiáng)度都符合相應(yīng)材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的使用要求。
成型過(guò)程中采用軟模和真空袋協(xié)同加壓方式，目的在于盡可能將預(yù)浸料坯整體壓實(shí)。波紋梁兩端桁板與幅板拐角處能否壓制到圖紙要求的倒角尺寸并使此處纖維排列不紊亂，是成型工藝中的操作難點(diǎn)。為了使軟模和鋼模之間在拐角處的成型壓力均衡有效，操作過(guò)程中盡可能只鋪設(shè)單層吸膠氈。卸模后發(fā)現(xiàn)此層吸膠氈已經(jīng)大部分吸滿擠出的樹(shù)脂膠液，且制件重量超出設(shè)計(jì)值約5%。作為改進(jìn)措施，試用平均降低3%樹(shù)脂含量的碳布預(yù)浸料重復(fù)進(jìn)行上述成型試驗(yàn)，取得了相應(yīng)的減重效果。
按照復(fù)合材料構(gòu)件通用技術(shù)條件(HB7224-95)，使用接觸脈沖反射法、USIP12型超聲波探傷儀(5MHz聚焦探頭)對(duì)使用不同樹(shù)脂含量預(yù)浸料成型的碳/環(huán)氧復(fù)合材料波紋梁制件進(jìn)行檢測(cè)。其原理是利用材料與缺陷區(qū)域?qū)Τ暡ㄐ盘?hào)反射幅度的差別，檢測(cè)復(fù)合材料內(nèi)部的裂紋、脫粘、孔隙及分層等缺陷。檢測(cè)后均未發(fā)現(xiàn)上述制備過(guò)程缺陷，制件都可以通過(guò)此標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的“一級(jí)”無(wú)損檢測(cè)指標(biāo)。波紋梁結(jié)構(gòu)元件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。鋼制組合模具配合硅橡膠軟模適合用于制備滿足型面尺寸要求的直升機(jī)用復(fù)合材料波紋梁承力結(jié)構(gòu)元件。5224碳/環(huán)氧預(yù)浸料滿足波紋梁制件的成型工藝要求，、其最大特點(diǎn)是無(wú)損檢測(cè)合格率高。
4 結(jié)束語(yǔ)
研制的直升機(jī)用先進(jìn)復(fù)合材料部件通過(guò)了試驗(yàn)室階段評(píng)審、工廠工藝試驗(yàn)和試驗(yàn)臺(tái)功能考核，性能滿足設(shè)計(jì)要求。
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