一种多功能蒙皮结构及其制备方法与流程

【技术领域】

本发明涉及航空制造技术领域，尤其涉及一种多功能蒙皮结构及其制备方法。

背景技术：

当飞机以小于某一临界马赫数的亚音速在结冰气象条件下飞行时，一些部件的迎风表面如机翼缝翼，会因大气中的过冷水滴撞击、积聚而结冰，会显著影响飞机的气动外形，导致气动性能恶化、操控性能与稳定性降低。发动机短舱前缘的径向截面与机翼缝翼具有近似的气动外形，进气道结冰会导致发动机推力降低，而且当进气道内冰层脱落随气流进入发动机内部，会打伤高速旋转的叶片，甚至导致发动机破坏，因此也需要进行结冰防护。

结冰防护有多种方法，如：加入超疏水材料(cn206636710u)、碳纳米管(cn110744833a)或微观纤维结构(cn206602672u)等，其中把电加热层埋入防护区域表面的电加热防除冰加热效率高、覆盖范围广；同时相比金属结构，飞机结构上复合材料的大量使用可以大大降低燃油消耗，但是机翼缝翼和短舱前缘属于遭受初始雷电附着的高概率表面，复合材料本身是高阻抗材料，闪电电流流经复合材料结构时会引起高的电压降，造成复合材料结构击穿，导致严重威胁飞行安全，因此还需要具备闪电防护功能。

多功能蒙皮结构的制造难点在于电加热层、闪电防护层和复合材料层的集成和一体化制造。制造过程中电加热层一般采用金属热喷涂工艺制造，是将熔融的金属以高速粒子流的方式喷在基材表面以产生覆层，热喷涂的喷嘴出口温度(约3000℃)和粒子速度(500m/s-2100m/s)很高，喷涂到基材表面视距离和参数不同，由于热固性复合材料的树脂软化温度为180℃左右，热固性预浸料的使用温度为80℃左右，喷涂过程中喷涂高温和高冲击易造成复合材料预浸料中树脂的提前固化和变形，目前解决方法有两类。

第一类方法是对固化后的复合材料预浸渍纤维表面进行喷涂，再与承载的复合材料结构机械连接在一起。这类解决方法大大增加了装配工作量和重量，需要多次固化，成本较高，同时降低了表面加热区域的连续性。第二类方法是复合材料选用耐高温热塑性复合材料，如聚醚醚酮peek、聚酰亚胺pi和聚醚酰亚胺pei(专利fr2939767)。因peek树脂熔融温度340℃，pei熔融温度220℃，pi熔点334℃，热塑性预浸料的使用温度为120℃左右，因此这种方法对热喷涂的参数区间要求很高，且加热层结合强度较低。

因此，有必要研究一种多功能蒙皮结构及其制备方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种多功能蒙皮结构及其制备方法，能够具备闪电防护和电加热防除冰功能，制备方法简单，不需要多次进热压罐，成本低。

一方面，本发明提供一种多功能蒙皮结构，其特征在于，所述蒙皮结构为层状结构，所述层状结构依次包括导电层、第一绝缘层、加热层、第二绝缘层和承载层；

所述导电层用于提供闪电通路；

所述第一绝缘层和所述第二绝缘层用于对所述加热层进行定位，且保护所述承载层不发生异电位腐蚀；

所述加热层用于电加热防除冰；

所述承载层用于为其他层提供承载功能。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述导电层为网状结构或回路结构。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述导电层的厚度为0.1～0.2mm，面密度范围为107g/m²～190g/m²。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一绝缘层和/或所述第二绝缘层的材质为玻璃纤维织物、干纤维或其他软化温度不低于1600℃的绝缘材料。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一绝缘层厚度在0.5mm以内，所述第二绝缘层厚度大于所述第一绝缘层的厚度。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述加热层为铜基或镍基材料。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述承载层的材料为纤维织物或干纤维，厚度大于1.5mm。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述加热层的厚度小于0.1mm。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述蒙皮结构为平面结构、弯折结构和弧形结构中的任意一种或两种及以上结构的组合结构。

另一方面，本发明提供一种多功能蒙皮结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法用于制备如上任一所述的蒙皮结构；

所述制备方法的步骤包括：

s1、以铺贴的方式制备第二绝缘层；

s2、在所述第二绝缘层表面用热喷涂的方式制备加热层，得到第一中间体；

s3、在模具中以铺贴的方式制备承载层；

s4、将所述第一中间体转移至所述承载层上；

s5、在所述加热层的表面以铺贴的方式制备第一绝缘层；

s6、在所述第一绝缘层表面铺设导电层，得到预成型体；

s7、在真空环境下给预成型体注射树脂，冷却定型后脱模，得到具有所需形状的蒙皮结构。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s7的内容包括：给预成型体打袋并抽真空，树脂从袋体顶端注入。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述树脂为环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂和双马来酰亚胺树脂中的任意一种。

再一方面，本发明提供一种飞机缝翼，其特征在于，所述飞机缝翼采用如上任一所述的蒙皮结构制成。

还一方面，本发明提供一种飞机短舱前缘结构，其特征在于，所述飞机短舱前缘结构部分或全部采用如上任一所述的蒙皮结构制成。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：大大减轻热喷涂制备金属层对复合材料中树脂的热影响，扩大了复合材料的使用种类和喷涂参数的区间；具备闪电防护和电加热功能；集成度高，减轻整体重量；制备方法简单，不需要多次进热压罐，成本低。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的多功能蒙皮结构示意图；

图2是本发明一个实施例提供的蒙皮结构的飞机缝翼图；

图3是本发明一个实施例提供的飞机短舱前缘结构图；

图4是本发明一个实施例提供的喷涂加热层示意图；

图5是本发明一个实施例提供的铺贴完成后蒙皮结构的示意图；

图6是本发明一个实施例提供的液体成型示意图。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

针对现有技术的不足，本发明提供一种多功能蒙皮结构及其制备方法，该结构集成电加热防除冰、闪电保护、承载的功能；制备方法简单，消除电防除冰加热层的喷涂过程对复合材料结构耐温性的影响，不需要多次进热压罐固化。

一、结构介绍：

该结构为蒙皮结构，为五层复合结构。如图1所示，蒙皮结构依次包括导电层1、第一绝缘层2、加热层3、第二绝缘层4、承载层5。导电层一般为0.1-0.2mm，面密度范围在107g/m²-190g/m²；加热层可根据功率的要求和金属种类改变厚度，厚度越小电阻越大，厚度越大则金属层电阻越小，一般小于0.1mm；承载层厚度可根据部位受力情况和所用材料，一般大于1.5mm；为保证散热向需加热的外表面传导，同时保护承载层5，绝缘层4的厚度应至少保证充分隔热，且一般大于绝缘层2，绝缘层2一般为0.5mm以内。

导电层1为金属丝网或导电聚合物网状材料，可以提供闪电通路，避免雷电击穿复合材料结构，同时大大提高制备过程中注射树脂的渗透效率。导电层1也可以是回路形状。

第一绝缘层2和第二绝缘层4为绝缘材料，如玻璃纤维织物或干纤维(软化温度1600℃左右)，因绝缘层无树脂，喷涂过程中的高温和高冲击力不会发生预浸料中树脂的提前固化，在制造过程中避免直接喷涂过程对复合材料结构的高温损伤，进行模具转移时对曲面结构适应性好；由于绝缘层可以耐热喷涂过程中的高温和高冲击，因此能够避免对内层的碳纤维叠层结构形成异电位腐蚀，上下两层绝缘层还可以对加热层3在液体成型工艺过程中提供定位功能。

加热层3，分布在上下两层绝缘层之间，可选择绝缘层结合强度高的金属材料，如铜基和镍基材料。

底层为承载层5，主要提供承载功能，其材质为纤维织物、干纤维等。

本发明的蒙皮结构可应用在飞机缝翼或短舱前缘结构上。将上述蒙皮结构应用在飞机缝翼时如图2所示，应用在短舱前缘结构时如图3所示。短舱前缘结构中防冰区域、短舱唇口一圈均需要全部使用该结构。

二、总体成型方法：

该蒙皮结构采用vari液体成型工艺制造。主要成型过程包括：铺贴第二绝缘层4→在第二绝缘层4的表面喷涂制备加热层3→在模具上铺贴承载层5→转移加热层3和第二绝缘层4到承载层5上→在加热层3的表面铺贴第一绝缘层2→在第一绝缘层2的表面铺贴导电层1→模具预热→给预成型体打袋、准备注射树脂→抽真空→加压保压→注射树脂→冷却定形→脱膜。

树脂从顶端注入，最外层的导电层1为网状材料或回路形状，可以促进树脂流动，提高注射树脂的渗透性，注入树脂后树脂可透过加热层渗透到底层的承载层内；固化后此层具备闪电防护的功能。注射所选树脂可以是环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂以及双马来酰亚胺树脂中的任意一种。

该蒙皮结构可集成闪电防护、电热防除冰、承载三大功能；大大减轻热喷涂制备金属层对复合材料中树脂的热影响，扩大了复合材料的使用种类和喷涂参数的区间；集成度高，减轻整体重量；制备方法简单，不需要多次进热压罐，成本低。该结构不限于平面结构。

制备加热层3时，先铺贴第二绝缘层4，再采用金属热喷涂技术加工电加热膜，根据加热功率设计需要喷涂不同形状到第二绝缘层表面，如回字形、网格形、折线形等，如图4所示。因绝缘层无树脂，喷涂过程中的高温和高冲击力不会发生预浸料中树脂的提前固化，且注入树脂后树脂可透过加热层渗透到底层的承载层内。两端预留金属接口以连接供电线缆。

加热层3制备好后，准备模具，铺叠承载层，把上述的加热层和第二绝缘层转移至承载层上方，再依次铺贴第一绝缘层2和导电层1，上下两层绝缘层对加热层起到定位和保护作用。铺贴完成后的蒙皮结构如图5所示。

铺贴完成后，在模具顶端注入树脂，按树脂的固化工艺曲线完成固化。脱模得到该一体化电防冰复合材料结构。注入树脂的系统结构图如图6所示。将预成型体置于真空袋中，真空袋的形成是通过袋体两边的真空泵来抽真空实现的。通过树脂罐及管路从预成型体的顶端注入树脂，待冷却定形后脱模，得到该一体化电防冰复合材料结构。

本发明提供的电防除冰与闪电防护多功能一体化结构及其制备方法，可以具备电加热防除冰、闪电防护的功能，同时和复合材料高度集成，不需要机械连接，使加热区域更加均匀，制备方法简单、成本较低，做到了结构功能一体化，应用部位在发动机短舱前缘、机翼缝翼。

以上对本申请实施例所提供的一种多功能蒙皮结构及其制备方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

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