員斌強
摘要:介紹了復合壁大板方艙基本原理、性能以及存在的問題,針對存在的問題對內(nèi)蒙皮、外蒙皮、夾芯材料、骨架材料選型及結構工藝進行研究提出了解決方案,并通過沖擊、強度、電磁屏蔽等試驗數(shù)據(jù)進行驗證,對后續(xù)復合壁大板方艙設計研究具有一定的參考價值。
關鍵詞:復合壁;夾芯板;蒙皮;碳纖維
1引言
復合壁方艙也稱復合材料蒙皮方艙,不是新名詞,但它依然是至今為止方艙發(fā)展方向和新技術。現(xiàn)階段大多數(shù)方艙為金屬蒙皮方艙,這是因為金屬蒙皮工藝成熟,有較好的強度和韌性,而且金屬蒙皮方艙易形成電磁屏蔽的法拉第籠,通常金屬蒙皮采用鋁蒙皮或不銹鋼蒙皮。與金屬蒙皮大板方艙比,玻璃纖維蒙皮大板方艙有很強的的抗腐蝕性,蒙皮重量輕,熱傳導系數(shù)小,雷達波和激光反射系數(shù)小,有利于隱身。但是其韌性差,在沖擊下易碎,嚴重影響方艙壁板的強度,這就限制了在受頻繁運輸沖擊和搬運沖擊的方艙上使用。同時,玻璃纖維纖維蒙皮方艙難于形成電磁屏蔽的法拉第籠,喪失了金屬蒙皮固有電磁屏蔽能力。因此,復合壁方艙將是未來大板方艙發(fā)展方向已成為當代不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢,引起各國軍隊的高度重視,目前國內(nèi)復合壁方艙雖然做了大量的研究和實驗,但是還是處在起步階段,許多的關鍵技術尚不完善,還沒有全面的、大范圍的應用。
2復合壁大板方艙存在問題
復合材料蒙皮方艙的關鍵問題,一是蒙皮纖維材料的選擇,這種纖維材料要有高的拉伸強度,也應有一定的韌性,在沖擊下不易碎,價格不貴,使用方能夠接受。當前,Kevlar纖維、高分子量聚乙烯纖維雖具有高的拉伸強度,在沖擊下不易碎,但每公斤價格在300元左右,不可能在非防爆防彈的普通方艙上大量使用,因此應該研制或?qū)ふ乙环N符合方艙蒙皮強度和韌性要求的非金屬纖維,如玻璃纖維、石墨纖維等。二是,復合材料蒙皮和大板的制作工藝。不管纖維拉伸強度高,若纖維排布不合理和纖維拉緊,制作出的復合材料蒙皮大板就不能達到應有的強度。三是復合材料蒙皮方艙艙體電磁屏蔽法拉第籠的形成,大板內(nèi)可層壓金屬網(wǎng)或金屬薄膜,但是在相鄰艙壁里實現(xiàn)金屬網(wǎng)或金屬薄膜的良好電連接就比較困難。
3復合壁大板方艙解決方案
3.1外蒙皮-碳纖維復合材料
復合材料的主要組成部分是增強材料及基體材料,對于纖維增強復合材料,當材料受載荷作用時,起主要作用的是纖維,樹脂基體主要是傳遞載荷。一般情況下,用于受力構件的復合材料大多數(shù)是纖維增強復合材料。目前纖維種類主要有玻璃纖維、碳纖維、Kevlar纖維、硼纖維、碳化硅纖維及超高分子量聚乙烯纖維等。
根據(jù)我公司對復合材料面板的研究,將碳纖維復合蒙皮與芳綸夾心結構復合(夾芯板抗沖擊試驗結果見圖1)用于方艙面板。外蒙皮采用玻璃纖維和碳纖維復合材料在1.1mm厚時即可滿足760mm沖擊要求,可用于艙板蒙皮。
3.2內(nèi)蒙皮-高強度航空鋁板
根據(jù)目前各方艙生產(chǎn)單位對傳統(tǒng)40dB方艙的解決方案,內(nèi)蒙皮采用鋁板可以滿足組艙后達到40dB屏蔽效能。考慮方艙減重效果和屏蔽指標要求,可采用t0.8mm鋁板解決內(nèi)板,生產(chǎn)首批大幅面高強度的航空鋁板,艙內(nèi)板采用t0.8mm即可滿足抗沖擊要求。試驗見圖2。
3.3夾芯材料-保溫型芳綸蜂窩
方艙常用的芯材有聚氨酯泡沫(PU泡沫)、酚醛泡沫(PF泡沫)、聚氯乙烯結構泡沫(PVC泡沫)、蜂窩芯等材料,四種芯材在密度方面差別不大,但蜂窩芯的抗拉強度、抗壓強度等力學性能指標明顯優(yōu)于其他泡沫,有利于夾芯復合板采用新型結構形式。
由于蜂窩的結構所限,需對蜂窩進行隔熱處理方艙才能滿足GJB6109中3.6.5條的傳熱系數(shù)Ⅱ級要求,目前對蜂窩隔熱處理的方式有兩種:一種是蜂窩間由一層玻纖隔離,該結構增加一層玻纖和兩層膠的重量,蜂窩(整車)增加重量約60kg;一種是在蜂窩芯內(nèi)填充發(fā)泡材料,蜂窩(整車)增加重量約13kg。兩種隔熱處理結構如圖3。
綜上所述,該方案夾芯材料選用中保溫型芳綸蜂窩。
3.4骨架結構及其他輕量化材料(碳纖維型材)
碳纖維型材制備采用熱壓罐成型,是指將單層預浸料按預定方向鋪疊成的復合材料坯料,放在熱壓罐內(nèi),在定溫度和壓力下完成固化過程的工藝方法。熱壓罐是一種能承受和調(diào)控定溫度、壓力范圍的專用壓力容器。坯料被鋪放在附有脫模劑的模具表面,然后依次用多孔防粘布(膜)覆蓋,并密封于真空袋內(nèi),再放入熱壓罐中。加溫固化前先將袋抽真空,除去空氣和揮發(fā)物,然后按不同樹脂的固化制度升溫、加壓、固化。相對傳統(tǒng)普通模壓工藝而言,熱壓罐生產(chǎn)時的壓力及溫度相對較大,獲得的產(chǎn)品密實度高,不易出現(xiàn)分層,型材可以拉沉頭鉚釘不分層。
4總結
本文介紹了復合壁大板方艙的歷史、發(fā)展前景、結構形式、性能以及優(yōu)缺點,提出了解決方案。在未來戰(zhàn)爭中,復合壁大板方艙在直接作戰(zhàn)、技術支援、后勤保障裝備中有著廣泛應用,因此一種新型、先進的大板方艙可大幅度提高我軍的作戰(zhàn)能力。
參考文獻
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(作者單位:武漢濱湖電子有限責任公司)