复合材料夹层结构因其优异的强度重量比和结构特性，在减轻重量、提高性能和增强安全性方面发挥着重要作用。在航空领域，夹层结构的应用经历了从早期木质结构到高性能复合材料结构的发展过程。目前，复合材料夹层结构已在航空领域得到广泛应用，包括轻型飞机、直升机、商业飞机和军用飞机等。然而，夹层结构的设计复杂、制造难度大、环境影响敏感、认证挑战多、多物理功能集成程度低等问题仍然存在，制约着其进一步发展。

一、航空夹层结构基础知识

1.定义和类型

（1）夹层结构定义

由一层或多层高强度外层（通常称为蒙皮）和一层或多层低密度内层（通常称为芯材）组成。

（2）类型

对称夹层：主要用于提升抗压屈曲刚度和弯曲刚度，适用于受压结构和承受气动载荷的结构，是最广泛使用的类型。

非对称夹层：由一层碳纤维层压板蒙皮（工作蒙皮）和一层或两层碳纤维或凯夫拉蒙皮（稳定蒙皮）组成。工作蒙皮承受大部分膜应力，稳定蒙皮提供屈曲阻力。适用于非加压和中低载荷结构，例如直升机、轻型飞机或无人机。非对称夹层存在中性轴偏移，导致几何非线性行为，需要适应的分析方法。

2.基本力学和尺寸问题

（1）线性静态行为

夹层结构利用轻质芯材来提升截面弯曲惯性矩，有效降低重量并增强抗弯刚度。芯材强度较低，设计时需谨慎考虑。

夹层结构易受屈曲和局部屈曲的影响，这些屈曲模式可能成为失效的主要原因，需要通过深入研究和 3D 有限元模型分析来解决。尽管可以使用经验公式进行初步估算，但需考虑安全系数和初始形状缺陷的影响，以确保结构安全可靠。

（2）全局和局部屈曲

全局屈曲：由芯材控制，主要受剪切屈曲影响。

局部屈曲：指面板的皱褶，受芯材影响较小。

屈曲载荷受多种因素影响，包括芯材的厚度和材料属性、芯材的形状、面板的材料和层数、面板的厚度和材料的泊松比、面板和芯材之间的粘合强度，以及结构的几何形状和尺寸。

屈曲会导致结构承载能力下降、失效甚至影响耐久性。分析屈曲的方法包括经验公式、有限元分析和实验测试，这些方法可以相互验证，以确保结构设计的可靠性。

（3）非线性静态行为

夹层结构在受到面内载荷时，可能会表现出非线性响应。这种响应可能导致应力过早超过许用值，因此在设计中需要考虑这种可能性。

非线性响应的成因可能包括夹层结构的初始形状缺陷、制造过程中的误差、纤维体积和/或表面处理的差异，以及锥形区域中面板加载的不均匀性。通常，这种非线性响应会体现在压缩测试中，可通过观察压缩后应变曲线的形状来进行分析。

3.损伤容限

（1）损伤容限的重要性

夹层结构对低速度/低能量冲击非常敏感，例如制造过程中的操作失误或维护操作中的工具掉落。损伤容限是确保结构安全的关键，分为不可检测损伤和可检测损伤，并规定了相应的修复和处理方法。

（2）损伤容限设计的主要原则

将结构分为不可检测损伤区域和可检测损伤区域。

对于不可检测损伤区域，结构必须能够带损伤加载至极限载荷 (UL)。

对于可检测损伤区域，损伤必须得到修复，并区分需要详细检查才能发现的损伤和可以立即发现的损伤。

（3）损伤容限的应用

夹层结构设计中，确保其在所有位置上的压缩应变低于许用应变值至关重要。为此，许多研究致力于深入了解夹层结构在受到冲击后的损伤行为，例如蜂窝结构芯材的压缩和破坏、复合面板的损伤行为，以及损伤后压缩行为。

这些研究通常采用多种策略，例如详细的模型、基于非线性弹簧的离散策略，或使用正交各向同性连续体的损伤力学方法，以更准确地捕捉冲击造成的复杂损伤模式和力学响应。

4.夹层连接

夹层与夹层连接: 例如T型、L型或边对边连接，需要考虑连接的强度、尺寸、变形、疲劳寿命和重量等因素。

夹层与层压板过渡连接: 将接缝设计在层压板上，简化设计并提高强度。

使用嵌入物: 通过螺栓等方式将嵌入物固定在芯材中，用于承受集中力或连接夹层结构。

制造和测试: 包括制造方法、无损检测和修复，以及水分渗透等问题。

5.制造、检测

制造: 夹层结构的制造方法包括共固化、共胶接和二次胶接，以及制造过程中可能出现的缺陷，如气泡和变形。

无损检测: 用于检查夹层结构初始质量的常用方法，例如目视检查、超声和X射线检测。

水分渗透: 夹层结构对水分渗透的具有敏感性，在设计、维护过程中应考虑水分渗透造成的问题。

图1 夹层结构

二、早期：木质夹层结构

1.木制夹层结构的历史

夹层结构并非航空领域首创，早在19世纪就被土木工程领域采用。Hugo Junkers 1915年申请了夹层结构相关的专利，但未将其应用于自己的飞机。Theodore Von Karman 在1924年申请的滑翔机机身专利，是最早的夹层结构应用案例。

2.木制夹层结构的优势

重量轻、强度高：通过合理设计夹层结构，可以实现重量轻、强度高的结构。

易于维修：木制夹层结构在制造和维护过程中更容易进行维修。

制造技术成熟：20世纪初，高效粘合剂的出现推动了木制夹层结构的制造技术发展。

3.木制夹层结构的案例

滑翔机：滑翔机最早采用木制夹层结构，例如早期滑翔机使用的D-Spar和典型机身结构。

商用飞机：20世纪30年代，一些飞机部件（如浮筒、副翼、机身和机翼）采用木制夹层结构。

4.木制夹层结构的影响

木质夹层结构为现代复合材料结构飞机奠定了基础：Mosquito飞机的夹层结构设计理念对现代复合材料结构飞机的发展产生了深远影响。

推动了高效粘合剂的发展：木制夹层结构的制造需要高效粘合剂，这也促进了粘合剂技术的发展。

图2 一些具有夹层结构的飞机的图片（a）de Havillan 88“Albatros”，（b）Morane Saulnier 406，（c）de Havilland 98“Mosquito”，（d）夹层型机身。

三、2-3马赫飞机蜂窝夹层结构

冷战期间，美国研发了多款高超声速飞机，例如Convair B-58轰炸机和XB-70“复仇女神”。这些飞机需要承受极高的温度，因此使用不锈钢蜂窝夹层结构，以实现轻质和热防护。

1.Convair B-58轰炸机

1956年首飞，最大速度可达2.4马赫。

机翼和机身部分使用铝蜂窝夹层结构，以减轻重量并保持结构完整性。

该结构允许密封，从而减少机翼上的梁的数量，并使其能够在-55°C至+126°C的温度范围内工作。

2.XB-70“复仇女神”

1964年首飞，最大速度可达3马赫。

机身部分使用不锈钢蜂窝夹层结构，以承受高速飞行带来的高温。

该结构不仅具有优异的结构性能，还具有良好的热绝缘性能。

由于成本和洲际导弹的出现，该项目最终下马，但其制造技术被应用于其他项目。

3.其他高超声速飞机

Concorde：1968年首飞，最大速度可达2.2马赫，使用铝蜂窝夹层结构的垂直尾翼和碳纤维夹层结构的副翼。

SR-71“黑鸟”：使用钛合金为主材料，但部分非结构部件采用碳纤维/玻璃纤维蜂窝夹层结构。

高超声速飞机的研发推动了蜂窝夹层结构技术的发展，例如电热焊接技术。

这些技术同样也被应用于商用飞机和卫星等其他项目。

图3 SR 71的复合蜂窝区域，以黑色显示

四、次级复合材料夹层结构

在民用航空领域，复合材料夹层结构的应用非常谨慎，主要从非承力部件开始，例如内饰、侧壁、行李架和厨房。

随着技术的发展，复合材料夹层结构逐渐应用于次承力部件，例如襟翼、方向舵、副翼和襟翼。

20世纪60年代开始，复合材料夹层结构在军民用飞机中得到广泛应用

波音747飞机：使用大量复合材料夹层结构，包括机翼约一半面积（包括翼尖和翼根）和大型机身整流罩。

ATR 72飞机：首款获得认证的碳纤维复合材料主承力结构的民用飞机，其机翼盒和许多次承力部件都使用复合材料夹层结构。

空客A320、A330和A340等飞机：使用复合材料夹层结构，但比例有所下降，主要应用于机身整流罩、发动机罩、前起落架舱门和一些襟翼和方向舵。

空客A350和波音787等最新型民用飞机：复合材料夹层结构应用比例进一步减少，主要应用于机身整流罩、发动机罩和前起落架舱门等。

复合材料夹层结构在民用航空领域的应用逐渐普及，但成本和认证问题仍然是限制因素。在军用飞机中的应用已经非常成熟，成为重要的结构材料。

复合材料夹层结构在民用航空领域的应用比例逐步下降，新型轻质结构材料（如自增强层压结构）逐渐成为主流。

图4 B747夹层结构

五、主承力复合材料夹层结构

1.复合材料夹层结构在主承力结构中的应用

Beechcraft Starship：作为首款获得认证的全复合材料主承力结构的民用飞机，其机身和机翼都采用复合材料夹层结构，使用环氧树脂碳纤维蒙皮和Nomex蜂窝芯。

Raytheon Premier：在Starship的基础上发展而来，机身采用两片半壳结构，重量更轻，零件数量减少，生产成本降低。

ADAM Aircraft A500 & A700：商业喷气式飞机，也采用复合材料夹层结构，借鉴了Starship的经验和先进的自动纤维铺放技术。

CIRRUS SR 20 & SR22：也采用复合材料夹层结构，零件数量大幅减少，安全性提高，性能提升。

Elixir Aircraft：法国Elixir公司生产的双座碳纤维飞机，采用“一次性生产”方法，机身、机翼和驾驶舱等都采用单块式复合材料夹层结构，零件数量大幅减少，安全性提高，性能提升。

2.未来发展趋势

结构改进：开发新型夹层芯材，例如Kagome芯材、折叠芯材、X-Cor芯材等，以优化结构性能和减轻重量。

多功能集成：将复合材料夹层结构与其他功能集成，例如太阳能电池、射频天线等，实现结构的多功能性。

复合材料夹层结构在大型民用飞机主承力结构中的应用仍然面临挑战，但新技术的发展和应用将推动其进一步发展。

3.影响

复合材料夹层结构在主承力结构中的应用取得了显著进展，但其成本和认证问题仍然是限制因素。

新技术和新方法的应用将推动复合材料夹层结构在主承力结构中的应用进一步发展，为航空工业带来更大的创新和突破。

图5（a） A380中的夹层结构，（b）A350和B787复合材料飞机的夹层和复合结构。

六、直升机应用案例

1.直升机结构中复合材料夹层结构的广泛应用

旋翼：由于旋翼承受的载荷较大，且对重量和性能要求较高，复合材料夹层结构成为旋翼的主要材料。

机身：复合材料夹层结构也广泛应用于直升机机身，例如Gazelle、Puma、Dauphin等型号的直升机，复合材料部件的比例越来越高。

尾梁：复合材料夹层结构因其轻质高强的特性，被广泛用于直升机尾梁结构。

2.复合材料夹层结构带来的优势

减轻重量：复合材料夹层结构具有重量轻、强度高的特性，可以显著减轻直升机的重量，提高其性能和载重能力。

提高性能：复合材料夹层结构可以优化直升机的气动性能，例如减少阻力，提高升力系数等。

降低成本：复合材料夹层结构可以减少直升机的制造成本和维护成本。

提高可靠性：复合材料夹层结构具有良好的耐腐蚀性能和抗疲劳性能，可以提高直升机的可靠性。

3.未来发展趋势

多功能集成：将复合材料夹层结构与其他功能集成，例如隐身功能、降噪功能等，实现结构的多功能性。

全复合材料机身：推动复合材料夹层结构在直升机全复合材料机身中的应用，进一步提高其性能和可靠性。

复合材料夹层结构已经成为直升机结构中不可或缺的材料，其应用范围和比例将继续扩大。新技术和新方法的应用将推动复合材料夹层结构在直升机结构中的应用进一步发展，为直升机工业带来更大的创新和突破。

图6 EC 155“Dauphin”的结构

七、航空夹层结构的未来

1.多功能集成

将复合材料夹层结构与其他功能集成，例如太阳能电池、射频天线、边界层吸除等，实现结构的多功能性。

探索复合材料夹层结构与其他材料或结构的集成，例如碳纤维增强塑料、玻璃纤维增强塑料等，以实现更复杂的功能和性能。

2.主承力结构的应用

推动复合材料夹层结构在大型民用飞机主承力结构中的应用，例如机身、机翼等，以进一步提高其性能和可靠性。

研究复合材料夹层结构在军用飞机主承力结构中的应用，例如机翼、机身等，以满足更严格的性能要求。

3.其他应用

将复合材料夹层结构应用于无人机、空间飞行器等，以实现更轻、更可靠、更高效的结构。

探索复合材料夹层结构在航空领域的其他应用，例如机身内隔板、油箱、起落架等。

4.挑战

复合材料夹层结构的成本和认证问题仍然是限制因素。

复合材料夹层结构的制造和检测技术需要进一步发展。

复合材料夹层结构的损伤容限问题需要进一步研究。

5.机遇

复合材料夹层结构具有巨大的应用潜力，可以推动航空工业的创新发展。新技术和新方法的应用将为复合材料夹层结构带来新的发展机遇。复合材料夹层结构的可持续发展将为航空工业带来更广阔的发展前景。

图7 多功能夹层结构

原始文献：

Castanie, B., Bouvet, C., & Ginot, M. (2020). Review of composite sandwich structures in aeronautic applications. Composites Part C: Open Access, 100004.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jcomc.2020.100004

责任编辑：复小可

文章来源：复合材料力学

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