CN216509108U - 蜂窝夹芯复合层 - Google Patents

Abstract

提供一种蜂窝夹芯复合层，包括外层碳纤维层合板、内层碳纤维层合板和碳纳米垫，碳纳米垫铺设在外层碳纤维层合板的外表面上；外层碳纤维层合板和内层碳纤维层合板之间采用蜂窝结构。该复合层具有较轻的质量和较强的抗冲击性能。

Description

蜂窝夹芯复合层

技术领域

本实用新型涉及复合层领域，具体涉及用于航空航天复合层领域。

背景技术

涡扇航空发动机短舱的主要功能是将发动机固定在飞机上、优化发动机气动流场以及保护发动机免遭外部损伤，例如鸟撞。鸟撞是一种突发性和多发性的飞行事故，一旦发生往往会直接威胁到空勤人员及旅客的生命安全。目前国际航空联合会已把鸟撞危害升级为“A”类航空灾难。飞机在飞行过程中，机头雷达罩、风挡、机翼以及尾翼前缘以及吊挂前缘的拇指罩均容易遭受鸟体撞击。

因此有必要提供一种抗冲击复合层，以有效应对异物冲击。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是提供一种蜂窝夹芯复合层，具有较轻的质量和较强的抗冲击能力。

为实现上述目的的蜂窝夹芯复合层包括外层碳纤维层合板和内层碳纤维层合板，所述外层碳纤维层合板和所述内层碳纤维层合板之间采用蜂窝结构，还包括铺设在所述外层碳纤维层合板外表面上的碳纳米垫，以应对外部冲击。

在一个或多个实施例中，所述蜂窝结构为铝蜂窝。

在一个或多个实施例中，所述蜂窝结构为玻璃布非金属蜂窝或芳纶纸非金属蜂窝。

在一个或多个实施例中，所述碳纳米垫和所述外层碳纤维层合板粘接成型。

在一个或多个实施例中，所述蜂窝结构与所述外层碳纤维层合板和所述内层碳纤维层合板粘接成型。

在一个或多个实施例中，所述蜂窝结构与所述外层碳纤维层合板和所述内层碳纤维层合板共固化成型。

在一个或多个实施例中，所述蜂窝夹芯复合层用于短舱拇指罩。

在一个或多个实施例中，所述蜂窝夹芯复合层用于短舱形成进气道的区域。

上述蜂窝夹芯复合层通过在最外层设置碳纳米垫，有效消除了在承受撞击时的应力集中，还通过采用蜂窝夹芯的方式，在承受冲击载荷时，通过蜂窝芯格内部发生屈服的形式吸收大部分冲击能量，避免复合层整体被穿透，因此通过碳纳米垫和蜂窝芯结构的复合形式，有效提高了复合层整体的抗冲击能力。此外，碳纳米垫、蜂窝结构和碳纤维蒙皮的结构还可以有效降低总体重量。

附图说明

本实用新型的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是涡扇航空发动机整体结构示意图。

图2是短舱拇指罩示意图。

图3是蜂窝夹芯复合层剖面图。

图4是图3中A处的放大图。

附图标记说明

11进气道

12风扇罩

13反推装置

14尾喷管

15拇指罩

16飞机吊挂

101外层碳纤维层合板

102内层碳纤维层合板

103蜂窝结构

104碳纳米垫

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本实用新型的保护范围。

需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本实用新型实际要求的保护范围构成限制。

参照图1和图2所示，发动机短舱主要由进气道11、风扇罩12、反推装置13、尾喷管14以及安装系统等部件组成。

风扇罩12主要由风扇舱门、吊篮、拇指罩15等结构组成。拇指罩15位于飞机吊挂16前端，为一安装在吊篮上的薄壁结构。

拇指罩15的一个作用是在风扇舱12内着火时，防止火焰从风扇舱12中蔓延到飞机机翼上引起机翼着火；另一个、要作用是保护发动机与飞机连接的线缆和管路系统免遭受撞击，确保在风扇吊挂16遭受撞击后不影响发动机正常工作。

以鸟撞为例，根据民用航空飞机适航规章的要求，飞机必须在鸟撞造成结构破坏情况下能够成功完成该次飞行。安装在飞机吊挂16前缘的拇指罩15在遭受鸟撞后，为确保发动机能正常工作使得飞机能成功完成该次飞行，鸟体不能穿透拇指罩15进而撞击连接发动机与飞机的线缆和管路系统，除此之外，拇指罩15的凹陷部分也不能挤压或破坏线缆和管路系统。

因此有必要提供一种具有较强抗冲击性能的复合层结构，以应对多种异物冲击。

本公开所述的蜂窝夹芯复合层能够有效解决上述问题。

参照3和图4理解，蜂窝夹芯复合层包括外层碳纤维层合板101和内层碳纤维层合板102，外层碳纤维层合板101和内层碳纤维层合板102分别作为外层蒙皮和内层蒙皮。碳纤维层重量轻，具有出色的热稳定性和较高的强度。因此，可作为主要受力构件，以实现扭矩载荷传递，承受机翼弯矩。

外层碳纤维层合板101和内层碳纤维层合板102可选择碳纤维增强树脂基复合材料、碳纤维增强碳复合材料等常见类型，具有较高的耐高温特点。如碳纤维增强碳复合材料在1000℃时仍具有较高的强度，从而保证其作为承力结构的稳定性，也有助于实现防火功能。

外层碳纤维层合板101和内层碳纤维层合板102之间采用蜂窝结构 (honeycombstructure)103。蜂窝结构103是由上下面板和蜂窝状芯子构成的夹层结构。具有弯曲刚度大、结构阻尼大、强度高的优点，具有较高的刚度重量比和强度重量比。在承受冲击载荷过程中，通过蜂窝芯格内部发生屈服的形式吸收大部分冲击能量，从而避免复合层被穿透。

此外，在同等重量的条件下，蜂窝夹芯结构形式的整体刚度显著大于薄壁结构，在遭受冲击时，蜂窝夹芯复合层向下凹陷的变形明显小于其他薄壁结构，从而保护内部部件。

具体的，蜂窝结构103的芯子和面板的选择由工作人员根据设计结构受力大小确定。根据不同的设计载荷，对蜂窝结构的面板和空格进行相应调整，防止面板在孔格内局部屈曲，保证蜂窝芯格的吸收能力；还可以避免冲击力导致的凹陷变形过大的问题，保障复合材料的完整性。

在一个实施例中，蜂窝结构103选择铝蜂窝，优选为Flex-Core型，在制造工艺上容易成型。

在另一实施例中，蜂窝结构103选择玻璃布非金属蜂窝或芳纶纸非金属蜂窝，能够有效减轻质量，并防止蜂窝结构脱胶和腐蚀现象的发生。

蜂窝夹芯复合层还包括铺设在外层碳纤维层外合板101表面上的碳纳米垫 104，以应对外部冲击。

碳纳米垫104可采用Zhang等人在Carbon上发表的“A new-structurednanocarbon cushion with highly impact-resistant properties”所记载的碳纳米垫(Nanocarbon Cushion)结构。通过将进行类金刚石碳(diamond like carbon，DLC)膜和多壁碳纳米管(multi-wall carbon nanotube，MWCNT)进行结合，在疏松不连续的多壁碳纳米管(MWCNT)阵列上沉积致密连续的类金刚石碳膜(diamond like carbon film)以获得该碳纳米垫。

碳纳米垫104中的类金刚石碳膜能够抵抗应力集中，有助于在整个碳纳米垫结构中分配和转移冲击载荷；且具有较佳的高比耗散能(specific dissipated energy)，实现冲击能量的及时扩散，从而有效的抵抗冲击。

在一个实施例中，碳纳米垫104和外层碳纤维层合板101粘接成型。蜂窝结构103与外层碳纤维层合板101和内层碳纤维层合板102粘接成型。

在上述实施例的基础之上，蜂窝结构103与外层碳纤维层合板101和内层碳纤维层合板102采用共固化成型(cocuring)工艺，提高粘结效果。

在实际加工过程中，首先按照气动型面要求，将碳纳米垫103粘接在外层碳纤维层合板101的外层，然后将外层碳纤维层合板101的内部与蜂窝结构103 共固化成型，最后将内层碳纤维层合板102与蜂窝结构103共固化成型，完成复合层的加工。

回到图2，对于拇指罩15，现有技术主要采用铝合金薄壁加筋的技术方案或者不锈钢薄壁实现抗冲击的作用。

但由于铝合金的熔点较低，为确保拇指罩满足防火要求，通常需要在拇指罩的内部增加一层不锈钢材料的挡火板，这将导致拇指罩过于笨重。若采用不锈钢薄壁，由于钢的材料密度较大，这也会使得拇指罩过于笨重。

本公开所述的蜂窝夹芯复合层可直接应用于短舱拇指罩15所使用的碳纤维层合板满足在一定时间内防止火苗蔓延的要求，因此不再需要额外增加挡火板，减轻了部件的总体重量。

此外，若加强筋设计不合理，还容易导致拇指罩15遭受冲击时，冲击能量在拇指罩蒙皮局部聚集，而导冲击力击穿拇指罩。此外，在鸟体撞击时拇指罩的凹陷变形过大容易挤压发动机线缆和管路系统。

本公开所述的蜂窝夹芯复合层利用了最外层的碳纳米垫104的出色耗能性能，能够有效消除材料在冲击过程中应力集中，因此能够提高复合层的整体安全性和可靠性。此外，复合层内部所采用的蜂窝结构103，能够通过蜂窝芯格内部发生屈服的形式吸收大部分冲击能量。

因此，上述蜂窝夹芯复合层中的结合碳纳米垫104与蜂窝结构能够共同承担冲击力，使得复合层具有较佳的抗冲击能力，避免整体被穿透，也可以避免凹陷变形过大从而挤压或破坏发动机与飞机连接的线缆、管路系统的问题，提高飞行安全性。蜂窝夹芯复合层中的外层碳纤维层合板和内层碳纤维层合板凭借耐高温的特点，还使得复合层整体具有较佳的防火性能。

除了用于拇指罩，本公开所述的蜂窝夹芯复合层还适用于可能遭受冲击的多种部件，如短舱用于形成进气道的区域等部位，提高抗冲击性能，避免进气道异物对短舱造成影响。

上述介绍使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本实用新型权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (8)

1.蜂窝夹芯复合层，其特征在于，包括：

外层碳纤维层合板；

内层碳纤维层合板，所述外层碳纤维层合板和所述内层碳纤维层合板之间采用蜂窝结构；以及

碳纳米垫，铺设在所述外层碳纤维层外合板外表面上，以应对外部冲击。

2.如权利要求1所述的蜂窝夹芯复合层，其特征在于，

所述蜂窝结构为铝蜂窝。

3.如权利要求1所述的蜂窝夹芯复合层，其特征在于，

所述蜂窝结构为玻璃布非金属蜂窝或芳纶纸非金属蜂窝。

4.如权利要求1所述的蜂窝夹芯复合层，其特征在于，

所述碳纳米垫和所述外层碳纤维层合板粘接成型。

5.如权利要求1所述的蜂窝夹芯复合层，其特征在于，

所述蜂窝结构与所述外层碳纤维层合板和所述内层碳纤维层合板粘接成型。

6.如权利要求4所述的蜂窝夹芯复合层，其特征在于，

所述蜂窝结构与所述外层碳纤维层合板和所述内层碳纤维层合板共固化成型。

7.如权利要求1所述的蜂窝夹芯复合层，其特征在于，所述蜂窝夹芯复合层用于短舱拇指罩。

8.如权利要求1所述的蜂窝夹芯复合层，其特征在于，所述蜂窝夹芯复合层用于短舱形成进气道的区域。

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