复合材料胶接技术及其在某型飞机 垂尾翼盒上的应用高 翔 ， 郭 蕊 娜 ， 刘 佳（ 中 航 工 业 洪 都 ， 江 西 南 昌 330024）摘 要 ： 从 复 合 材 料 胶 接 技 术 特 点 出 发 ， 阐 述 了 胶 接 工 艺 过 程 中 的 要 点 ， 并 针 对 具 有 蜂 窝 夹 层 、 多 墙 式 结构 的 某 型 飞 机 ， 其 垂 尾 翼 盒 胶 接 工 艺 的 实 施 过 程 ， 详 细 阐 述 了 胶 接 工 艺 方 案 ， 以 及 胶 接 性 能 的 控 制 和 检 测 方 法 。关 键 词 ： 复 合 材 料 ； 垂 尾 翼 盒 ； 胶 接 连 接 ； 胶 接 工 艺 ； 质 量 控 制Composite Material Bonding and Its Application on Fin Box of an Aircraft TypeGao Xiang， Guo Rui na， Liu Jia(AVIC Hongdu Aviation Industry Group, Nanchang, Jiangxi, 330024)Abstract: On the basis of composite material bonding features, this paper describes the key points during bondingprocess. It further details the determination of bonding process plan and the control and the inspection method of bonding performance in pertinence to a certain type of aircraft with honey comb and multi-wall structure and the application process of its fin box bonding.Key words: composite material； fin box； bonding connection； bonding process QC0 引 言随 着 航 空 制 造 技 术 的 发 展 ， 复 合 材 料 胶 接 工 艺 得 到 了 日 益 广 泛 的 应 用 。 利 用 胶 接 的 连 接 形 式 取 代 传 统 的 铆 接 、 螺 接 等 机 械 连 接 ， 可 以 减 轻 结 构 重 量 ， 使 部 件 型 面 平 整 光 滑 ， 改 善 疲 劳 强 度 ， 并 且 具 有 良 好 的 抗 化 学 腐 蚀 能 力 和 缩 短 生 产 周 期 。 飞 机 设 计 员 在 复 合 材 料 部 件 设 计 上 也 已 经 开 始 广 泛 应 用 这 种 连 接 技 术 。 目 前 ， 胶 接 工 艺 在 航 空 产 品 中 应 用 越 来 越 多 ， 它 对 于 航 空 器 质 量 和 性 能 方 面 的 提 高 起 到 了 重 要 作 用 ， 已 经 成 为 了 复 合 材 料 航 空 制 造 中 不 可 缺 少 的 工 艺 技 术 。 某 型 飞 机 属 于 三 代 飞 机 的 范 畴 ， 其 中 复 合 材 料 垂 尾 翼 盒 为 多 墙 式 结 构 ， 采 用 胶 接 连 接 形 式 ， 目 前 正 进 入 工 程 化 批 生 产 阶 段 。 通 过 该 型 飞 机 复 合 材 料 胶 接 连 接 工 程 化 制 造 的 实 践 表 明 ， 胶 接 工 艺 是 一 种 较 为 理 想 的 复 合 材 料 结 构 装 配 方 式 ； 胶 接 质 量 和 性能 好 坏 与 很 多 影 响 因 素 有 关 ， 制 定 工 程 制 造 方 案 需 要 对 这 些 影 响 因 素 进 行 深 入 了 解 后 才 能 确 定 ， 并 在 应 用 过 程 中 不 断 优 化 。 本 文 从 复 合 材 料 胶 接 技 术 特 点 、 胶 接 基 本 原 理 出 发 ,通 过 该 型 飞 机 垂 尾 翼 盒 胶 接 工 艺 实 现 ， 详 细 阐 述 了 复 合 材 料 胶 接 工 艺 方 案 的 实 施 方 法 和 胶 接 技 术 要 点 。1 复 合 材 料 胶 接 特 点复 合 材 料 胶 接 是 利 用 聚 合 物 材 料 作 为 胶 黏 剂 将 已 固 化 的 复 合 材 料 件 或 金 属 件 与 其 它 已 固 化 的 复 合 材 料 件 、 蜂 窝 芯 、 泡 沫 芯 或 金 属 件 进 行 胶 接 连 接 ， 它 具 有 以 下 优 点 ：1） 与 机 械 连 接 相 比 ， 胶 接 连 接 提 供 了 更 加 均 匀 一 致 的 应 力 分 布 ， 避 免 了 因 紧 固 件 连 接 而 引 起 的 应 力 集 中 。 如 图 1所 示 ， 胶 接 与 机 械 连 接 相 比 ， 其 接 合 处 的 应 力 分 布 能 更 加 均 匀 一 致 的 传 过 连 接 区 。 因 此 使用 胶 接 比 使 用 紧 固 件 的 机 械 连 接 ， 其 结 构 疲 劳 寿 命 会 更 长 ， 并 能 使 结 构 具 有 更 高 的 抗 振 动 和 阻 尼 的 能 力 。 与 各 向 同 性 的 金 属 材 料 相 比 ， 各 向 异 性 的 复 合 材 料 层 间 剪 切 更 敏 感 ， 特 别 是 单 向 的 复 合 材 料 经 过 机 械 加 工 （ 钻 孔 ） 时 会 受 到 较 严 重 损 伤 和 弱 化 ， 且 缺 口 敏 感 性 更 强 ， 不 允 许 出 现 应 力 集 中 现 象 。 利 用 胶 接 连 接 不 仅 可 承 受 高 载 荷 ， 而 且 能 使 应 力 有 效 分 散 。2） 避 免 使 用 连 接 紧 固 件 可 使 机 构 重 量 减 重 和 降 低 制 造 成 本 。3） 胶 接 连 接 能 够 使 制 件 表 面 非 常 光 顺 ， 具 有 整 体 的 密 封 性 连 接 会 产 生 最 小 的 疲 劳 裂 纹 扩 展 敏 感 度 。 用 胶 接 将 异 性 材 料 装 配 可 以 实 现 二 者 电 绝 缘 ， 预 防 与 金 属 胶 接 时 产 生 的 电 偶 腐 蚀 。4） 与 铆 接 、 螺 栓 等 机 械 连 接 相 比 ， 胶 接 产 生 了 遍 布 整 个 胶 接 区 的 硬 化 效 果 ， 而 铆 接 和 电 焊 则 仅 在 局 部 点 产 生 硬 化 。 胶 接 产 生 的 连 接 区 硬 化 相 比 机 械 连 接 ， 可 以 提 高 30% 100%的 抗 弯 强 度 。机 械 连 接 胶 接 连 接机 械 连 接易 弯 区 域胶 接 连 接图 1 机 械 连 接 与 胶 接 连 接 的 载 荷 分 布 比 较 1工 程 中 对 于 较 薄 复 合 材 料 结 构 连 接 ， 通 常 优 先 采 用 胶 接 方 案 。 这 是 因 为 采 用 螺 栓 或 铆 接 等 机 械 连 接 ， 其 连 接 点 承 载 应 力 会 非 常 大 ， 易 超 过 材 料 的 许 用 应 力 ； 或 者 只 能 通 过 加 大 机 械 连 接 件 数 量 进 行 分 载 ， 而 使 得 结 构 重 量 增 加 。 另 外 ， 实 践 还 表 明 ： 薄 的 复 合 材 料 结 构 连 接 件 ， 因 其 载 荷 路 径 传 递 非 常 明 确 而 优 先 采 用 胶 接 连 接 ， 厚 的 结 构 件 因 其 载 荷 路 径 复 杂 而 多 选 用 机 械 连 接 2。2 复 合 材 料 胶 接 基 本 原 则在 胶 接 结 构 中 ， 其 中 一 个 零 件 上 的 载 荷 通 过 整 个 粘 接 层 传 递 到 另 一 个 零 件 上 。 载 荷 传 递 的 有 效 性 与 胶 接 性 能 有 很 大 关 系 3。 因 此 ， 设 计 在 确 定 胶 接 形 式 后 必 须 对 胶 粘 剂 材 料 进 行 选 择 ， 在 制 造 阶 段 也 必 须 经 过 有 效 的 胶 接 界 面 处 理 和 胶 粘 剂 施 用 、 固 化 使 胶 接 件 达 到 最 佳 的 性 能 。2.1 胶 接 剂目 前 ， 应 用 于 飞 机 部 件 结 构 胶 接 最 常 用 的 胶 粘 剂 是 环 氧 树 脂 基 胶 粘 剂 。 这 类 胶 粘 剂 也 是 复 合 材 料 部 件 结 构 胶 接 首 选 材 料 。 环 氧 树 脂 具 有 很 强 的 粘 接 强 度 和 耐 久 性 ， 可 在 很 广 温 度 范 围 和 环 境 下 使 用 。 另 外 ， 环 氧 树 脂 胶 粘 剂 可 制 备 成 单 组 份 或 双 组 份 胶 粘 系 统 ， 也 可 制 成 胶 膜 和 胶 液 两 类 胶 粘 系 统 ， 还 可 按 施 工 和 使 用 要 求 制 备 常 温 固 化 和 加 温 固 化 胶 粘 系 统 。 这 就 可 很 好 的 提 供 工 程 实 际 应 用 。 在 施 工 和 固 化 期 间 ， 环 氧 树 脂 胶 粘 剂 因 具 有 较 少 或 没 有 挥 发 物 质 、 低 的 收 缩 率 以 及 非 常 好 的 化 学 稳 定 性 ， 而 使 其 具 有 良 好 的 工 艺 性 能 。飞 机 复 合 材 料 胶 接 结 构 件 用 胶 粘 剂 通 常 选 择 环 氧 胶 膜 作 为 胶 粘 剂 ， 与 液 态 或 粘 态 胶 粘 剂 相 比 ， 这 类 胶 膜 贴 在 隔 离 纸 （ 或 塑 料 薄 膜 ） 上 更 省 空 间 ， 便 于 操 作 、 保 存 和 放 置 。2.2 胶 接 表 面 处 理不 少 学 者 对 粘 接 机 理 进 行 了 大 量 的 研 究 ,目 前 主 要 有 吸 附 理 论 、 静 电 理 论 和 扩 散 理 论 。 然 而 对 于 什 么 是 导 致 胶 粘 性 能 最 优 却 有 着 公 认 的 观 点 。 粘 接 表 面 的 粗 糙 度 非 常 重 要 ， 粗 糙 的 表 面 意 味 着 更 大 的 表 面 积 可 以 使 液 态 胶 粘 剂 渗 入 和 粘 附 。 另 外 ， 为 了 使 表 面 粘 附 更 为 有 效 ， 应 使 胶 粘 剂 与 被 胶 物 表 面 能 很 好 的 润 湿 ， 这 就 要 求 粘 接 面 清 洁 ， 并 注 意 胶 粘 剂 的 粘 度 以 及 粘 接 的 表 面 张 力 。 对 于 复 合 材 料 结 构 件 的 胶 接 表 面 ， 复 合 材 料 通 常 要 进 行 机 械 打 磨 或 喷 砂 ， 金 属 零 件 需 进 行 阳 极 化 、 喷 砂 或 酸 洗 等 化 学 处 理 ， 夹 层 零 件 则 应 采 用 机 械 打 磨 。2.3 复 合 材 料 结 构 件 的 胶 合所 谓 胶 合 ， 就 是 在 待 胶 接 物 的 胶 接 面 涂 敷 胶 粘 层 后 ， 将 被 粘 表 面 贴 合 在 一 起 的 操 作 方 法 。 为 了 获 得 理 想 的 胶 接 性 能 ， 胶 合 应 排 除 夹 杂 空 气 、 胶 接 件 紧 密 接 触 、 胶 合 面 位 置 对 准 和 胶 粘 剂 层 固 化 粘 接 。 无 论 是