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60航空制造技术２００６年第６期
１ Ａｒａｌｌ层板
１９８１年２月９日，荷兰代夫特工业大学申请了纤维金属层板的美国专利。当时，纤维金属层板采用芳纶纤维，商品名为Ａｒａｌｌ（Ａｒａｍｉｄ Ｒｅｉｎ－ｆｏｒｃｅｄ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｌａｍｉｎａｔｅｓ），１９８２～１９８３年由ＡＬＣＯＡ公司商品化。Ａｒａｌｌ层板既有复合材料高强低密的特点，又有铝合金韧性和抗疲劳
纤维金属层板（Ｆｉｂｒｅ Ｍｅｔａｌ Ｌａｍｉｎａｔｅｓ， ＦＭＬｓ）是由薄的金属层和纤维复合材料层组成的混杂复合材料层板，综合了金属材料和纤维复合材料的优点，弥补了单一金属材料和
非金属复合材料的不足，具有耐腐蚀、阻燃、耐冲击等优点，是飞机结构的理想材料
性能好的优点。最初，纤维金属层板有Ａｒａｌｌ １和Ａｒａｌｌ ２两种，Ａｒａｌｌ １采用７０７５铝板，Ａｒａｌｌ ２采用２０２４铝板。１９８７年又有２种Ａｒａｌｌ层板（Ａｒａｌｌ３和Ａｒａｌｌ ４）问世，除采用７４７５铝板外，Ａｒａｌｌ ３和Ａｒａｌｌ １没有其他差别，Ａｒａｌｌ ４主要是军用，具有较好的高温性能。
Ｆ－２７的Ａｒａｌｌ机翼壁板研制是第１个真正采用纤维金属层板的飞机结构件开发项目。该项目于１９８５年１１月开始研制，研究过程中发现，Ａｒａｌｌ层板对缺口断裂敏感，抗拉－压疲劳性能不理想。最终装机试验发现，Ａｒａｌｌ机翼壁板负载达到３倍于Ｆ－２７的设计寿命后，仅在Ａｒａｌｌ最外层厚度突变的地方出现微小裂纹，实际上Ａｒａｌｌ只出现小的表面擦伤，而铝合
金壁板在同样条件下早已发生破裂。
experience可数吗
另外，研究还发现，裂纹出现后，Ａｒａｌｌ结构的剩余强度高，与铝合金壁板相比，在增加结构安全性的同时，还可以减重３３％。
在代夫特大学研制Ａｒａｌｌ壁板的同时，汉堡的ＭＢＢ公司也开始了纤维金属层板及其在机身上的应用研究。机身壁板纵向和周向双向受力，其受力状况远比机翼壁板复杂，ＭＢＢ公司研究发现，在
加载条件下，疲劳裂纹附近芳纶纤维出现断裂，随着纤维的断裂，裂纹快速增长，这对Ａｒａｌｌ层板来说是非常严重的问题。法国对Ａｒａｌｌ层板在Ａ３２０机身壁板上的应用研究却令人失望。有关Ａｒａｌｌ层板的应用只有ＡＬＣＯＡ公司１９８８年在Ｃ－１７军用运输机项目中拿
曹增强：
西北工业大学教授，主要从事飞机装配与先进连接技术研究。２００４～２００５
年在澳大利亚国立大学作访问学者四级几分及格
纤维金属层板的发展
西北工业大学机电学院 曹增强
纤维金属层板及其在飞机结构中的应用
tend
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航空制造技术２００６年第６期到一个合同，当时Ｃ－１７存在重量太
大的问题，应用研究中机翼和机身多个部位都拟采用Ａｒａｌｌ层板，但只有９．６ｍ×５．６ｍ的舱门项目取得成功，它采用Ａｒａｌｌ ３制造，重量减轻２６％，不过制造工艺非常复杂，有拉形、滚弯、胶接、铆接等多个工序。当时只能制造小尺寸的Ａｒａｌｌ，因而不得不采用昂贵的钛合金带连接小片的Ａｒａｌｌ，导致成本提高，每公斤价格为铝合金的８～１０倍。由于成本太高，最终只有３０％的Ｃ－１７采用Ａｒａｌｌ舱门。２ Ｇｌａｒｅ层板
为解决Ａｒａｌｌ在受疲劳载荷作用时纤维断裂的问题，人们又开发了新的纤维金属层板——Ｇｌａｒｅ（ＧｌａｓｓＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄ）。Ｇｌａｒｅ层板是由０．３～０．５ｍｍ的铝合金板和０．２５～０．５ｍｍ的玻璃纤维增强的复合材料层交替粘接在一起的。１９８７年１０月，ＡＫＺＯ公司申请了Ｇｌａｒｅ的专利，１９９１年ＡＫＺＯ和ＡＬＣＯＡ开始合作生产和商品化Ｇｌａｒｅ，为此，专门成立了合资企业ＳＬＣ（ＡＫＺＯ占１／３，ＡＬＣＯＡ占２／３），生产中心设在宾夕法尼亚州，而研发中心设在荷兰的代夫特大学。ＳＬＣ最初协助波音公司研究Ｇｌａｒｅ在大型飞机上的应用，后来直
接进入波音７７７的Ｇｌａｒｅ层板应用研究。
由于玻璃纤维的热膨胀系数为４．８×１０－６／℃，较芳纶的热膨胀系数－２×１０－６／℃更接近铝的热膨胀系数２３．８×１０－６／℃，所以固化后玻璃纤维结构的残余应力比芳纶的低。加之玻璃纤维具有有较高的破坏应变，能允许裂纹尖端的铝合金层塑性变形，这不仅使Ｇｌａｒｅ层板具有优良的抗拉－压疲劳性能，而且提高了它的缺口断裂性能。Ｇｌａｒｅ层板除密度略高于Ａｒａｌｌ外，保持了Ａｒａｌｌ的优越性能，并改善了Ａｒａｌｌ的弱点——对缺口和冲击的敏感性，特别是改善了抗拉－压疲劳性能，解决了在双向受载的机身蒙皮上的应用问题。尽管玻
璃纤维复合材料的冲击性能明显低于厦门英语翻译公司
铝合金，但具有双向纤维层的Ｇｌａｒｅ层板的冲击性能优于铝合金，受到冲击后的Ｇｌａｒｅ层板的机械性能也很好。１９９０年波音７７７开始采用Ｇｌａｒｅ制造舱内地板，这是Ｇｌａｒｅ的第１个商业应用。据报道，使用Ｇｌａｒｅ层板可使结构减重３０％，而且经济效益更好。空客公司也对Ｇｌａｒｅ层板进行了大量的应用研究，目前最大的民用飞机Ａ３８０的机身上壁板已采用Ｇｌａｒｅ层板制造。
Ｇｌａｒｅ层板非常适合机身的制造，除纤维单向排列的Ｇｌａｒｅ １和Ｇｌａｒｅ２层板外，１９９０年为机身应用又开发了纤维交错排列的Ｇｌａｒｅ ３层板。Ｇｌａｒｅ ３层板的一半纤维
我的宝贝英文在一个方向，而另一半纤维在其垂直方向。Ｇｌａｒｅ ４层板
的纤维也采用垂直排列，但一个方向的纤维量是其垂直方向纤维量的２倍，由于机身在不同方向受力大小不同，所以Ｇｌａｒｅ４层板非常适合机身制造。
在过去１０多年中，人们把更多的注意力集中于飞机机身结构损伤容限上，特别是要求密封的机身壳体的损伤容限。随着机身结构尺寸的增大，现代飞机机身壳体承受的载荷已越来越大，因此需要更先进的制造工艺和材料。
东京奥运会推迟至2021年夏天纤维金属层板最初是为民用飞机高疲劳裂纹区开发的材料，这类材料在其他方面也表现出了非常优越的性能，如损伤容限、阻燃和耐冲击等。已有研究表明纤维金属层板能降低综合费用，并能提高结构安全性，具备这２方面综合性能的材料是绝无仅有的，因此，Ｇｌａｒｅ层板是目前最有前途的飞机蒙皮材料。１ 疲劳性能
hint是什么意思shevchenko代夫特大学和一些航空企业对纤维金属层板的疲劳性能进行过很多试验。Ｇｌａｒｅ层板与２０２４－Ｔ３铝合金在模拟机身加载条件下的疲劳试验表明，随着裂纹长度的增加，铝合金的裂纹增长速率迅速增加，而Ｇｌａｒｅ层板的裂纹增长很慢，其增长速率几乎是常数。在实际加载条件下，纤维金属层板的裂纹增长速率只有铝合金的１０％～１％。出现裂纹后，２０２４－Ｔ３铝板接头的剩余强度快速减小，而Ｇｌａｒｅ层板接头的剩余强度减小很慢，下图是２０２４－Ｔ３铝板与２种Ｇｌａ
ｒｅ ３层板（最大循环应力分别为１００
和
５００４００３００２００１０００
１０
２０
３０
４０
５０
６０
７０
循环次数（×１０００）
剩余强度／ＭＰａ
２０２４－Ｔ３铝板Ｇｌａｒｅ ３（１００ＭＰａ）Ｇｌａｒｅ ３（１２０ＭＰａ）
２０２４－Ｔ３铝板和Ｇｌａｒｅ ３层板的剩余强度
纤维金属层板的特点
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62航空制造技术２００６年第６期
１２０ＭＰａ）的剩余强度的比较。２ 抗冲击性能
考研政治真题及答案
冲击损伤是飞机结构损伤的一种形式，要使损伤穿透同样厚度的层板，纤维金属层板比普通金属层板需要更多的能量。与普通纤维复合材料不同，ＦＭＬｓ的损伤容限性能好，与传统的铝合金相当。能够承受较大的冲击损伤是Ｇｌａｒｅ的另一个优点，冲击变形是Ｇｌａｒｅ层板的一个显著特征，这主要得益于玻璃纤维有较大的破坏应变。３ 抗腐蚀能力
当腐蚀沿ＦＭＬｓ层板的厚度方向进一步发展时，纤维树脂层能够抑制腐蚀，使得ＦＭＬｓ层板有较好的抗腐蚀能力。试验表明，ＦＭＬｓ层板的抗腐蚀性能远优于传统的铝合金。４ 阻燃性
用煤油火加热的传统的铝合金飞机蒙皮，２０～３０ｓ后结构会被熔化，而飞行过程中出现紧急事故时，旅客最少需要９０ｓ的逃离时间，因此存在不安全因素。玻璃纤维的熔点很高，它可以防止Ｇｌａｒｅ的内层铝合金板被熔化，因此Ｇｌａｒｅ层板有较好的防火性能。普通机身铝合金蒙皮结构的内部往往要专门增加一道防火墙，采用Ｇｌａｒｅ层板就可以免除这种麻烦。
ＦＭＬｓ层板在飞机上的应用主要集中于机身和机翼蒙皮，而在机身上的应用是其发展方向。单曲率蒙皮最合适的方法是滚弯，纤维方向对滚弯后的回弹量影响较大。纤维方向为飞机周向时回弹量最大；纤维方向为飞
机纵向时回弹量最小。双曲率机身蒙皮的成形工艺比较复杂，金属蒙皮常用拉形方法制造，Ｇｌａｒｅ机身蒙皮仍然可以采用拉形工艺。 拉形过程中，材料的变形方式为平面应变，无论是平行于纤维方向还是垂直于纤维方向，材料都有变形。由于Ｇｌａｒｅ层板纤维的破坏应变很小，仅能达百分之几，采用拉形成形工艺时，要防止纤维断裂。当纤维方向不是特别重要时，如受冲击的蒙皮，纤维方向可以采用
±４５°斜向铺设。机身蒙皮还可以同普通纤维复合
材料一样采用铺叠成形方法，将
ＦＭＬｓ的每一层逐层放到成形模上，然后加温加压。
金属材料的一大优点是在室温下可以塑性成形，对于ＦＭＬｓ来说，由于其表面是铝板，也可以采用传统的金属成形方法，但由于纤维的破坏应变很小，材料的成形极限远小于相应的金属材料。
ＦＭＬｓ结构的加工一般都在零件或部件成形完成后进行，可采用传统的纤维复合材料层板的加工方法，常用工序是零件的周边磨削及钻孔。加工过程中要注意防止分层破坏。
ＦＭＬｓ零件的装配，通常有胶接和铆接２种连接方法。这２种连接工艺和普通结构连接工艺没有什么区别，但应注意的是：在进行金属结构的铆接时，干涉有利于结构疲劳寿命的增加；但在进行ＦＭ
Ｌｓ结构的铆接时，由于铆钉杆的膨胀可能导致ＦＭＬｓ的分层破坏，所以必须限制干涉。对于螺栓连接也有同样的限制，特别是环槽钉的安装，在金属结构连接中往往有一定的干涉量，但ＦＭＬｓ
结构则要限制干涉以防止分层破坏。
ＦＭＬｓ层板是一种先进的混杂复合材料，综合了金属材料和纤维复合材料的优点，具有单一金属材料和纤维复合材料所不具备的很多优点，是飞机结构的理想材料。由于ＦＭＬｓ层板既有金属层，又有非金属层，零件制造工艺相对复杂，但ＦＭＬｓ层板能降低综合成本，减轻结构的重量，提高结构的安全性。ＦＭＬｓ层板在波音７７７及空客Ａ３８０上的成功应用为此先进材料在未来飞机制造中的广泛应用奠定了基础。
（责编 凌川）
ＦＭＬｓ零件及结构制造
结束语拉深破坏的纤维金属层板件
