復合材料自20世紀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。當前主要應用于機翼蒙皮、垂尾、機身蒙皮等型面較簡單的部位。復合材料在戰(zhàn)斗機的機身隔框結構應用一直都很謹慎，一方面由于機身結構受力更復雜，復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 形接頭的夾層結構雖是一種解決辦法，但傳統(tǒng)夾層結構接頭的傳載效率還很不理想。

傳統(tǒng)夾層結構及接頭 

       傳統(tǒng)蜂窩夾層結構（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構的應用。另外，傳統(tǒng)夾層結構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，則復合材料結構的減重效果又不明顯，見圖1。新型夾層結構及接頭改進夾層結構及接頭設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。當前一些新型的夾層結構接頭設計的主要特點是采用內(nèi)嵌三維編織的π 形預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。 

       新型夾層結構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)點是蒙皮夾層結構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量可能不是很高。

       這些新型夾層結構及接頭在選材上也和傳統(tǒng)夾層結構有所區(qū)別，在結構高應力區(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力區(qū)以節(jié)約成本。當然，選用鈦蜂窩，結構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，預成形件也沒失效。通過試驗也發(fā)現(xiàn)，由于π 形預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?shù)妮d荷。因此, 三維編織預成形被固化在接頭后，結構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構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，夾層結構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，在連接設計時，應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, 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。新型接頭應用于機身框內(nèi)嵌三維編織π 形預成形件的新型夾層接頭傳載效率較高，不但可以應用于傳統(tǒng)的翼面結構，也可以用于機身結構的普通框或地板等次承力構件，特別是前機身結構。

       前機身的結構特點是結構復雜，載荷較低，需按剛度設計，因此前機身蒙皮一般都采用復合材料。現(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合材料結構。此時對于前機身的地板、隔框等，如果還采用傳統(tǒng)的金屬結構，蒙皮表面將不可避免地存在金屬緊固件，而在復合材料承力結構的機械連接中，所用緊固件多為鈦合金，成本較高；復合材料結構施工中鉆孔難而慢，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，機體結構上存在大量的縫隙、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構的疲勞壽命，在前機身的某些部位，如果采用上述新型夾層結構接頭，復合材料結構整體性增強，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，大飛機對復合材料的需要就更加迫切，要求也更加苛刻。可以說，先進復合材料結構整體成型技術是國產(chǎn)大飛機的技術瓶頸之一。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 形預成形件的夾層結構接頭、帶蜂窩泡沫芯復合材料面板夾層結構等新型結構在其上面的應用也更具有優(yōu)勢，特別是在翼面、機身結構方面。當然，這些新型接頭也可以應用于無人機和導彈結構，由于這些結構無需進行修理，采用這種些接頭可以獲得更高的結構效率。

結束語

      近幾年，我國的復合材料結構成形工藝有了長足的進步，如三維編織、RTM、RFI等成形技術已基本成熟，復合材料夾層結構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)復合材料結構設計人員還缺乏設計經(jīng)驗，更缺乏整體結構的設計經(jīng)驗。我們應該著重從以下幾方面努力：（1）轉變設計觀念。要從過去設計金屬結構的思路轉變到復合材料結構上，對復合材料的整體性的優(yōu)缺點要有清楚的認識。（2）立足于國內(nèi)研發(fā)的同時，借鑒國外的先進技術。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)研制復合材料成形技術，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用的轉化。