復(fù)合材料自20世紀(jì)70年代就以比重小、強度高、疲勞性能好等優(yōu)點受到飛機設(shè)計師的青睞。但是，由于其層間強度低、分散系數(shù)大和易受濕熱影響等缺點又限制了它的使用。當(dāng)前主要應(yīng)用于機翼蒙皮、垂尾、機身蒙皮等型面較簡單的部位。復(fù)合材料在戰(zhàn)斗機的機身隔框結(jié)構(gòu)應(yīng)用一直都很謹(jǐn)慎，一方面由于機身結(jié)構(gòu)受力更復(fù)雜，復(fù)合材料隔框與外蒙皮和進氣道的連接較困難，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限制了它在飛機機體結(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問題。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，見圖1。新型夾層結(jié)構(gòu)及接頭改進夾層結(jié)構(gòu)及接頭設(shè)計主要考慮載荷傳遞、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)計的主要特點是采用內(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、少量或者沒有緊固件見圖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)點是裝配方便，可用于需要經(jīng)常拆卸的部位，缺點是由于螺栓開孔有較強的應(yīng)力集中，對蒙皮強度有一定的削弱。接頭2是共膠接裝配，此種接頭的優(yōu)點是重量輕，裝配方便，缺點是模具精度要求高，成本高，周期長。接頭3則是采用共固化裝配，此種方法的優(yōu)點是蒙皮夾層結(jié)構(gòu)的面板鋪層可以是非對稱的，重量輕成本低。缺點是面板的表面質(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，因為它具有高的強度和高的損傷容限，而且還耐腐蝕。為了進一步防潮，蜂窩里還填充了泡沫，因為它可以抵御濕氣和油的入侵，進一步提高損傷容限。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)重量和成本會高一些，但從它的全壽命來考慮，輕微的增加重量還是劃算的。

       試驗表明，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。對于接頭2，即使高強度芯子剪切失效時，預(yù)成形件也沒失效。通過試驗也發(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，這個過程將是緩慢的，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。

       試驗還發(fā)現(xiàn)，蜂窩的尺寸大小對夾層結(jié)構(gòu)的強度有明顯的影響，比如蜂窩尺寸從3/8in改到1/4in 或3/16in，夾層結(jié)構(gòu)的強度會有很大的改善。因為蜂窩尺寸減少，芯子粘接面積顯著提高，從而提高粘接強度。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)計時，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)，也可以用于機身結(jié)構(gòu)的普通框或地板等次承力構(gòu)件，特別是前機身結(jié)構(gòu)。

       前機身的結(jié)構(gòu)特點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，載荷較低，需按剛度設(shè)計，因此前機身蒙皮一般都采用復(fù)合材料?，F(xiàn)代戰(zhàn)機由于隱身要求和長壽命要求，進氣道往往也采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。此時對于前機身的地板、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，機體結(jié)構(gòu)上存在大量的縫隙、臺階、緊固件頭等，對隱身不利。由于緊固件開孔也將影響到前機身結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，在前機身的某些部位，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，無疑可以大大改善上述問題。

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

       我國大飛機項目已經(jīng)啟動，由于經(jīng)濟性和高可靠性要求，大飛機對復(fù)合材料的需要就更加迫切，要求也更加苛刻?？梢哉f，先進復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體成型技術(shù)是國產(chǎn)大飛機的技術(shù)瓶頸之一。由于大飛機比一般的戰(zhàn)斗機在尺寸上要大的多，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，特別是在翼面、機身結(jié)構(gòu)方面。當(dāng)然，這些新型接頭也可以應(yīng)用于無人機和導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)，由于這些結(jié)構(gòu)無需進行修理，采用這種些接頭可以獲得更高的結(jié)構(gòu)效率。

結(jié)束語

      近幾年，我國的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成形工藝有了長足的進步，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)在我國飛機上也有一定的使用經(jīng)驗。但總的說來，目前國內(nèi)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計人員還缺乏設(shè)計經(jīng)驗，更缺乏整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計經(jīng)驗。我們應(yīng)該著重從以下幾方面努力：（1）轉(zhuǎn)變設(shè)計觀念。要從過去設(shè)計金屬結(jié)構(gòu)的思路轉(zhuǎn)變到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上，對復(fù)合材料的整體性的優(yōu)缺點要有清楚的認(rèn)識。（2）立足于國內(nèi)研發(fā)的同時，借鑒國外的先進技術(shù)。本文所介紹的新型接頭，歸根到底還是要落實到工藝上，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）要進行充分的計算分析和驗證試驗。只有這樣才能加速研究成果向工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。