基于自然环境的民机复合材料结构设计技术

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基于自然环境的民机复合材料结构设计技术作者：刘杰

来源：《中国科技纵横》2014年第15期

【摘要】本文针对民用飞机碳纤维复合材料结构，梳理了其工作的各种自然环境条件（如腐蚀介质、侵蚀介质、高/低温、湿度、电磁环境、静电等不同环境）对复合材料结构的可能影响。并基于先进民机工程应用经验，从民用飞机强度、刚度、耐久性等设计原则的角度，针对不同的自然环境提供了不同的复合材料结构设计解决方案。

【关键词】腐蚀侵蚀温度表面防护电磁防护

由于碳纤维复合材料（以下简称复合材料）与常规金属材料相比，具有比强度高、比模量高、疲劳性能优异等性能，因此现代先进民机的复合材料用量大幅提高。民用飞机复合材料结构的工程应用中，考虑复合材料受各种自然环境的影响，其结构设计技术也错综复杂。由于冲击损伤的影响更多地依赖于试验研究，所以本文暂不论述冰雹冲击等类似的环境影响，仅从腐蚀、侵蚀、液体、高温、闪电及电磁干扰等自然环境影响的角度，探究复合材料结构研究强度、刚度、耐久性下降等问题。本文基于先进民机研制经验，考虑不同自然环境的影响，有针对性地梳理出相应的复合材料环境设计解决方案。

1 电偶腐蚀与解决方案

复合材料结构常常处于老化环境中，包括湿热环境、腐蚀性液体（燃油、液压油、防冻液等）、复合材料结构与异电位材料直接连接时将会导致电偶腐蚀，因此复合材料零件选用紧固件和安装时需要关注电偶腐蚀问题。一般地，碳纤维和不锈钢（没有进行钝化处理的400系列不锈钢除外）、钛合金、铜合金等电位差异很小，而与普通的合金钢、铝合金、镉等电位差异较大。为了防止电偶腐蚀，对电位差很大的不同种类的材料接触处要进行相应的结构保护。可以参照以下设计解决方案。

（1）铝合金和碳纤维复合材料连接处需要彻底隔离并进行密封隔离，比如，在接合面处铺覆一层玻璃布，并延伸至复合材料件外至少25mm。（2）在选择与复合材料结构相连接的接头材料时，宜选择钛合金而不是铝合金材料。

2 侵蚀与解决方案

紫外线辐射、风化、砂蚀、雨水等侵蚀会使复合材料性能下降或退化。而紫外线辐射引起的损伤是非常缓慢的过程，只要表面涂层系统完好，可以不计及此类损伤。复合材料结构的迎风面容易受到砂蚀、雨水和风的侵蚀，需要特别注意气流对构件造成的分层威胁。可参照如下设计解决方案进行设计：