房怡，蒋贵刚，周占伟，朱大雷，姚双

(北京卫星制造厂有限公司，北京市 100094)

0 引言

碳纤维蒙皮(以下简称碳蒙皮)蜂窝夹层结构通常是由较薄的碳纤维蒙皮与较厚的铝蜂窝芯胶接而成。碳蒙皮蜂窝夹层结构，因其质量轻、比强度和比刚度高等显著优点，已在航空航天领域得到广泛应用[1]。当碳蒙皮蜂窝夹层结构与其他结构连接或设备安装时，主要通过埋件来实现[2]。构件整体通过埋件将载荷传递和扩散，因此埋件的强度性能直接影响整体构件的可靠性[3-5]。随着卫星功率的不断增大，对载荷的需求也不断提高，蜂窝夹层结构中埋件尺寸相应增大[6]。但蜂窝夹层结构的埋件多为硬质铝合金材质，其与碳蒙皮热膨胀系数存在数量级差异，故大尺寸铝合金埋件应用在碳蒙皮蜂窝夹层结构中，蜂窝夹层结构固化过程的升降温过程使得埋件胶接必然存在较强热应力，极易导致蒙皮皱褶、开裂、分层或脱粘等损伤[7-8]。本文拟采用增加加强过渡层的补强方式，通过有限元仿真分析，结合工艺试验验证，分析增强过渡层材质和规格对蜂窝夹层结构成型的影响，降低工艺成型时热应力不良影响，避免碳蒙皮蜂窝夹层构件开裂，为卫星结构设计提供技术支撑。

1 试件制备

1.1 材料

(1)蒙皮，高模量纤维/环氧树脂复合材料层合板，厚度0.4 mm，未加过渡层为试件a。

(2)加强过渡层蒙皮，试件b选用T300级碳纤维编织布/环氧树脂复合材料层合板，厚度0.2 mm；试件c选用T300级碳纤维编织布/环氧树脂复合材料层合板，厚度0.5 mm；试件d选玻璃纤维编织布/环氧树脂复合材料层合板，厚度0.2 mm。

(3)埋件，铝棒2A12T4(GB/T 3191—2019)，直径120 mm。

(4)蜂窝，有孔铝蜂窝芯材LF2-Y(HB5443—90)，铝箔厚度0.03 mm，格孔边长5 mm，芯高25 mm。

(5)胶黏剂，选用J-47 系列(Q/HSY 003—2012)，包括底胶J-47B，胶膜J-47C，发泡胶J-47D。

1.2 制备工艺

(1)预浸料，利用湿法获取高模量纤维/环氧树脂预浸无纬布，厚度0.1 mm。

(2)蒙皮，将预浸料按纤维方向[0 °/+ 45 °/-45 °/90 °]次序叠合后经真空袋-热压罐法固化成形。固化工艺为0.4 MPa，160 ℃，2 h，并于全过程保持-0.1 MPa的真空压。

(3)埋件，按图1采用数控机床加工。

(4)表面处理，埋件采取磷酸阳极氧化处理，蜂窝芯材胶接面利用乙酸乙酯清洗，蒙皮胶接面打磨树脂层后用乙酸乙酯清洗。

(5)按图2结构形式制作试件，试件固化工艺，利用真空袋-热压罐法固化，固化工艺为0.12 MPa，130 ℃，2 h。

2 结果与讨论

2.1 试件结果

图1 金属埋件结构示意图

图2 试件结构形式示意图

按照图2所示结构形式制作试件。试件经历室温升至130 ℃保温2 h后再降至室温的固化过程中，试件a表面埋件圆环中心区域蒙皮局部出现断裂现象，裂纹延伸方向垂直于蒙皮0 °方向；试件b表面埋件圆环中心区域蒙皮局部出现微裂纹现象，微裂纹方向垂直于蒙皮0 °方向(箭头方向为纤维0 °方向)；试件c、试件d表面状态完好无损伤，蒙皮表面状态如图3所示。

图3 蒙皮表面状态图

图4 红外检测图像

对试件a～d进行音频无损检测，结果表明：埋件与蒙皮之间未发现脱粘缺陷。进一步采用红外热像技术对试件蒙皮断裂区域及其周围进行无损检测，结果表明：试件a在蒙皮断裂区域，中心蒙皮裂纹上下范围内存在明显的热传导异常现象；试件b在细小裂纹区域出现热传导异常现象，其他区域及试件c、d均未发现热传导异常现象，具体形貌如图4所示。

2.2 结果分析

由于金属埋件尺寸较大，最大直径为120 mm，且埋件由硬质铝合金制成，蜂窝夹层结构蒙皮由纤维增强树脂基复合材料制成，其单向层合板力学性能见表1。碳纤维复合材料蒙皮与铝合金埋件热涨系数不同，当蜂窝夹层结构采用J-47系列胶粘剂胶接为一体，再采取热压罐法于120 ℃下保温2 h固化为蜂窝夹层结构，恢复到室温后，埋件安装区域必然存在一定热应力。埋件中部蒙皮形成了一个机械紧箍环，当埋件热胀冷缩时，蒙皮与胶膜间的层剪可以抵御收缩应力，应力继续向内扩散，而直接对蒙皮产生挤压载荷。故试件a埋件中心碳蒙皮强度小于降温过程产生的内应力，导致蒙皮断裂。

表1 高模量碳纤维单向板性能参数

针对内应力导致蒙皮断裂问题，可以通过减小内应力或增加蒙皮强度两方面考虑。设计试件b、试件c在埋件与蒙皮间增加0.2 mm碳纤维编织布加强层起到增加蒙皮强度作用；设计试件d在埋件与蒙皮间增加玻璃纤维编织布0.2 mm过渡层起到减小铝合金埋件收缩内应力作用。材料热膨胀系数见表2。玻璃纤维膨胀系数介于碳纤维与铝合金之间，降温收缩过程铝合金埋件产生应力首先作用在玻璃纤维编织布上，编织布首先吸收一部分应力，而编织布因膨胀系数不匹配自身产生的应力不足以损伤碳纤维蒙皮。

表2 材料热膨胀系数

从试件b最终结果可以看出，增加0.2 mm碳纤维编织布加强层的试件，固化后蒙皮表面仍存在细小裂纹，证明0.2 mm厚增强蒙皮强度可以一定程度上缓解蒙皮断裂现象，但蒙皮强度仍不足以抵御内应力造成损伤；从试件c、试件d最终结果可以看出，增加0.5 mm厚的加强层，蒙皮强度大大提升，表面未出现损伤；增加玻璃纤维过渡层，对成型过程内应力起到了一定程度的缓冲，蒙皮表面也未出现任何损伤。

2.3 有限元分析

由于埋件铝合金埋件，与碳蒙皮热膨胀系数不一致，在结构板固化过程中必然产生热应力，针对热应力问题，利用PATRAN/NASTRAN软件建立三维有限元模型(包括埋件、蒙皮、芯子、胶膜)进行分析，模型如图5所示。

图5 三维有限元模型

计算工况为固化过程中降温过程：即模型从120 ℃降温至20 ℃，分析结果如图6所示。采用HOFFMAN理论进行复合材料安全裕度评估。

图6 最小安全裕度分析

试件a蒙皮铺层为高模量碳纤维/环氧树脂 [0/+45/-45/90]时，蒙皮最小安全裕度为0.19，小于0.25的设计要求，可认为蒙皮已经破坏。试件b蒙皮铺层为高模量碳纤维/环氧树脂 [0/+45/-45/90]+T300/4211[0.2]时，蒙皮最小安全裕度为0.23，仍小于0.25的设计要求，可认为蒙皮强度仍不满足要求。试件c蒙皮铺层为高模量碳纤维/环氧树脂 [0/+45/-45/90]+T300/4211[0.5]时，蒙皮最小安全裕度为0.41，满足大于0.25的设计要求，可认为蒙皮强度满足要求。

理论分析也进一步印证了产品实际状态，增加加强层可以提升蒙皮最小安全裕度。当加强层厚度为0.5 mm时，蒙皮最小安全裕度满足结构设计要求，蒙皮未发生损伤。

2.4 冷热循环试验

为了充分释放蜂窝夹层结构成型产生的内应力，考察加强层及过渡层是否从根本上解决蒙皮断裂问题，选取完好的试件c和试件d进行冷热循环试验。试件冷热循环处理条件见图7及表3。

图7 试件冷热循温度曲线

表3 冷热循处理条件

经冷热循环后，试件d蒙皮表面出现断裂，且裂痕贯穿埋件开孔，如图8所示。提取受损部位后对受损处蒙皮进行进一步剖析，发现蒙皮截面方向破坏形式为碳纤维-45 °层与90 °层间分层，而大多90 °层与玻璃纤维过渡层及胶膜结合良好，且玻璃纤维过渡层与铝合金埋件未发生脱粘现象。这是由于-60 ℃到80 ℃，140 ℃的温差循环6次，使得结构中的应力释放更充分。试件d蒙皮与埋件间为玻璃纤维过渡层，在冷热循环应力释放过程中，铝合金、玻璃纤维过渡层与碳蒙皮间的热膨胀差异共同产生的应力小于胶膜剪切强度但大于碳蒙皮纤维间的层间剪切强度，力通过层剪进行扩散和传递，故出现图8所示的失效形式。

经冷热循环后，试件c蒙皮表面状态完好无损伤，经红外探伤也未发现热传导异常现象。说明试件c中0.5 mm后碳纤维编织布加强层对蒙皮强度提升效果明显，蒙皮强度完全可以抵御成型过程及冷热循环过程中结构释放的应力，从根本上解决了大尺寸环形金属埋件与碳蒙皮热膨胀不匹配导致蒙皮断裂的问题。

图8 试件d冷热循环后表面状态

图9 试件c冷热循环后表面状态及红外图像

3 结论

本文针对大尺寸铝合金埋件与碳蒙皮蜂窝夹层结构热膨胀系数不匹配易导致开裂问题，通过有限元仿真分析、工艺件试制，结合无损探伤和冷热循环试验验证，得到如下结论：

(1)通过在大尺寸埋件与高模量碳蒙皮间增加加强层或过渡层，可以提升蒙皮强度，减小成型过程产生固有热应力，对蒙皮开裂现象有较大改善。

(2)在大尺寸埋件与高模量碳蒙皮间增加0.5 mm厚高强碳纤维编织布加强层，大大提升了蒙皮自身强度，可以从根本上解决由于热膨胀系数不匹配产生内应力导致蒙皮断裂的问题，为蜂窝夹层结构设计优化提供技术支撑。