本發(fā)明涉及超混雜復(fù)合材料機(jī)翼前緣技術(shù)領(lǐng)域及飛行器除冰領(lǐng)域，特別涉及一種具有壓電除冰功能的翼型前緣及其成型方法。

背景技術(shù)：

本發(fā)明涉及的翼型前緣包括機(jī)翼前緣及尾翼前緣，它們的主要功用包括產(chǎn)生升力，操縱方向和維持飛機(jī)的平衡。飛機(jī)在某些飛行條件下，作為迎風(fēng)部件表面的翼型前緣會(huì)不可避免地受到兩種最致命的威脅：一是高空飛鳥的撞擊，二是云層中過冷水滴撞擊所產(chǎn)生的結(jié)冰。鳥撞產(chǎn)生的變形及冰層的覆蓋均會(huì)破壞翼面的流型進(jìn)而引起翼型表面氣流的分離，造成飛機(jī)氣動(dòng)和操縱性能的下降，因此飛機(jī)的防鳥撞及除防冰問題一直是頗受關(guān)注的世界性難題。傳統(tǒng)的單一金屬層翼型前緣及熱空氣除防冰顯然已經(jīng)不能滿足人們對(duì)飛機(jī)安全裕度的要求。

目前，解決上述鳥撞及結(jié)冰問題的飛機(jī)翼型前緣結(jié)構(gòu)主要有以下幾種：(1)通過前緣加固件對(duì)鳥體進(jìn)行切割，并通過包覆在內(nèi)部的蜂窩芯層吸收鳥體的撞擊力。如文獻(xiàn)號(hào)為CN201010554079.4的中國專利文獻(xiàn)所述的一種抗鳥撞飛機(jī)平尾前緣結(jié)構(gòu)。(2)通過將熱氣防除冰系統(tǒng)與超聲波高頻振蕩輔助裝置相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)熱除冰與超聲波除冰的雙重保障。如文獻(xiàn)號(hào)為CN201110443826.1的中國專利文獻(xiàn)所述的一種飛機(jī)翼型超聲波輔助熱氣聯(lián)合防除冰裝置。(3)通過在目標(biāo)結(jié)構(gòu)上粘貼固定壓電振子并施加一定電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)，激勵(lì)壓電振子產(chǎn)生面內(nèi)或面外行波除去冰層。如文獻(xiàn)號(hào)為CN201210013021.8的中國專利文獻(xiàn)所述的一種基于面內(nèi)或面外模態(tài)的行波型壓電材料振動(dòng)防除冰裝置及方法。第(1)種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是僅對(duì)前緣的尖端區(qū)域進(jìn)行加固防止鳥撞且增加蜂窩層后的前緣厚度過大。第(2)種方法的缺點(diǎn)是除冰裝置依舊過于復(fù)雜且超聲振動(dòng)的頻率越高時(shí)產(chǎn)生的切向應(yīng)力卻越小。第(3)種方法的缺點(diǎn)是壓電振子粘接于內(nèi)表面，目標(biāo)結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊時(shí)壓電振子極易脫落而失效。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述問題，提供了一種具有壓電除冰功能的翼型前緣及其成型方法，具有很高的比強(qiáng)度和比剛度，優(yōu)異的疲勞性能和抗沖擊性能，以及高損傷容限。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種具有壓電除冰功能的翼型前緣，其特征在于，包括內(nèi)外兩層蒙皮和置于內(nèi)外兩層蒙皮之間的復(fù)合材料層，在外蒙皮上設(shè)有若干凹坑，在凹坑內(nèi)嵌有壓電振子，在壓電振子和凹坑之間的間隙中填充有粘接劑，在外蒙皮的表面還涂覆有氟化聚氨酯防冰涂層。

其中，所述復(fù)合材料層為纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料層，所述內(nèi)外兩層蒙皮均為金屬蒙皮，所述壓電振子為矩形壓電陶瓷片，所述凹坑為矩形，若干凹坑以兩種不同的排布方式進(jìn)行規(guī)則排列。

一種具有壓電除冰功能的翼型前緣的成型方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、裁制兩塊相同大小的矩形金屬面板分別作為內(nèi)蒙皮和外蒙皮，并在外蒙皮的一面上的特定位置銑削出以兩種不同的排布方式進(jìn)行規(guī)則排列的凹坑；

S2、將內(nèi)蒙皮和銑削后的外蒙皮分別成型至翼型前緣所需的曲率；

S3、將成型后內(nèi)蒙皮和外蒙皮依次清洗并進(jìn)行陽極氧化處理或噴砂處理；

S4、將上下表面均鍍有金屬電極的壓電振子嵌入外蒙皮的凹坑中心，在壓電振子與凹坑四周的間隙中填充粘接劑，并通過該粘接劑將導(dǎo)線的一端與壓電振子上表面粘接固定，后放入干燥箱內(nèi)加熱固化；

S5、將嵌有壓電振子的外蒙皮放入壓制模具的下模中并定位，在外蒙皮的表面鋪設(shè)第一層環(huán)氧樹脂基纖維預(yù)浸料，并使連接壓電振子上表面的導(dǎo)線穿過該層環(huán)氧樹脂基纖維預(yù)浸料；

S6、待導(dǎo)線在第一層環(huán)氧樹脂基纖維預(yù)浸料表面排布完成后，繼續(xù)鋪設(shè)第二層環(huán)氧樹脂基纖維預(yù)浸料至復(fù)合材料層所要求的厚度，并覆蓋內(nèi)蒙皮；

S7、上模下行，并加熱至所需溫度，保溫保壓至復(fù)合材料層固化成型后，上模上行，取出翼型前緣；

S8、清理翼型前緣在模壓過程中溢出的少量樹脂，并在外蒙皮的表面涂覆防冰涂層。

其中，所述S1中，外蒙皮采用厚度為0.6-1mm的鋁合金板或鈦合金板，外蒙皮上凹坑的深度為0.3mm，平面尺寸略大于壓電振子的平面尺寸，且凹坑規(guī)則排布于外蒙皮兩側(cè)靠近邊緣處，內(nèi)蒙皮采用厚度為0.3mm的鋁合金板、鈦合金板或鋁板。

其中，所述內(nèi)蒙皮為鋁合金板或鈦合金板時(shí)，需要經(jīng)過模壓成形、漸進(jìn)成形或拋丸成形進(jìn)行預(yù)成形。

其中，所述S3中，內(nèi)蒙皮或外蒙皮為鋁合金板時(shí)，需要依次經(jīng)過除油、堿洗和酸洗進(jìn)行清潔，并采用酸性溶液進(jìn)行陽極氧化處理；內(nèi)蒙皮或外蒙皮為鈦合金板時(shí)，則需要依次經(jīng)過除油和酸洗進(jìn)行清潔，并采用堿性溶液進(jìn)行陽極氧化處理。

其中，所述S4中，壓電振子采用矩形壓電陶瓷片，金屬電極為銀電極，粘接劑為環(huán)氧樹脂膠。

其中，所述S5中，外蒙皮為鋁合金板時(shí)，需要通過下模表面的定位銷進(jìn)行定位；外蒙皮為鈦合金板時(shí)，則需要通過預(yù)成形得到的曲面與下模型面貼合定位；所述環(huán)氧樹脂基纖維預(yù)浸料通過自身粘度定位，具體為單向排布或斜紋編織的玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂預(yù)浸料或碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，

其中，所述S6中，導(dǎo)線采用保證同類型壓電振子并聯(lián)連接的方式進(jìn)行排布。

其中，所述S8中，防冰涂層為厚度為20μm-100μm的聚氨酯涂料層或氟化聚氨酯涂料層。

本發(fā)明的有益效果為：

1)采用超混雜復(fù)合材料取代單一金屬材料制造翼型前緣，使翼型前緣具有很高的比強(qiáng)度和比剛度，優(yōu)良的疲勞性能和抗沖擊性能，以及高損傷容限。

2)采用兩類不同排布方式的壓電振子激發(fā)出兩種不同的振動(dòng)模態(tài)，疊加后達(dá)到最佳的壓電除冰效果，該方式具有能耗低，除冰徹底，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。

3)壓電振子嵌于金屬外蒙皮的凹坑中，保證了壓電振子與外蒙皮的剛性接觸，有利于振動(dòng)的傳遞與能量的節(jié)約，同時(shí)利用凹坑與復(fù)合材料對(duì)壓電振子自由度的約束，避免了前緣受到?jīng)_擊時(shí)造成的壓電振子脫落現(xiàn)象，提高了使用壽命；同時(shí)壓電振子與導(dǎo)線均埋覆于材料體系內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)了冗雜結(jié)構(gòu)的簡單化。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的橫截面局部示意圖。

圖3為壓電振子的排布及導(dǎo)線連接示意圖。

其中：1-外蒙皮，2-復(fù)合材料層，3-內(nèi)蒙皮，4-壓電振子，5-粘接劑。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

如圖1-2所示，一種具有壓電除冰功能的翼型前緣，包括內(nèi)外兩層蒙皮1、3和置于內(nèi)外兩層蒙皮1、3之間的復(fù)合材料層2，在外蒙皮1上設(shè)有若干凹坑，在凹坑內(nèi)嵌有壓電振子4，在壓電振子4和凹坑之間的間隙中填充有粘接劑5，在外蒙皮1的表面還涂覆有氟化聚氨酯防冰涂層。

其中，復(fù)合材料層2具體為纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料層；內(nèi)外兩層蒙皮1、3均為金屬蒙皮，可以具體為鋁合金板或鈦合金板；壓電振子4具體為矩形壓電陶瓷片，凹坑為與矩形壓電陶瓷片相匹配的矩形凹坑，若干凹坑以兩種不同的排布方式進(jìn)行規(guī)則排列。

以下結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)前述翼型前緣的成型做進(jìn)一步說明。

實(shí)施例一

第一步，依據(jù)機(jī)翼前緣展開尺寸的計(jì)算結(jié)果，裁制出兩塊與機(jī)翼前緣展開尺寸相應(yīng)的TA2板，其中一塊厚度為0.3mm的TA2板作為內(nèi)蒙皮，另一塊厚度為0.6mm的TA2板則作為外蒙皮；然后在外蒙皮上銑削出深度為0.3mm，平面尺寸略大于壓電陶瓷平面尺寸的若干矩形凹坑，且若干矩形凹坑以如圖1中所示的兩種不同的排布方式進(jìn)行規(guī)則排列；

第二步，將兩塊TA2板分別放入具有機(jī)翼前緣曲率形狀型面的沖壓模具中，沖壓成形至內(nèi)外兩塊蒙皮所需曲面形狀；

第三步，將成形后的內(nèi)外兩塊蒙皮依次進(jìn)行除油、酸洗和氫氧化鈉陽極氧化處理；

第四步，將上下表面鍍有銀電極的厚度為0.3mm的壓電陶瓷片置于矩形凹坑中，在壓電陶瓷片與凹坑四周的間隙中填充環(huán)氧樹脂膠，并通過環(huán)氧樹脂膠將導(dǎo)線一端與壓電陶瓷片上表面粘接固定，后放入溫度設(shè)置為130℃的干燥箱內(nèi)加熱固化；

第五步，將外蒙皮放入壓制模具的下模中并與下模型面貼合而定位，在其表面鋪設(shè)第一層碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基預(yù)浸料，并使連接壓電陶瓷片上表面的導(dǎo)線穿過該層預(yù)浸料；

第六步，在第一層預(yù)浸料表面按圖3所示的電路排布導(dǎo)線，保證同一列的壓電陶瓷片按并聯(lián)方式連接于同一激勵(lì)源，然后繼續(xù)鋪放第二層碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基預(yù)浸料至復(fù)合材料層所要求的厚度，并覆蓋內(nèi)蒙皮；

第七步，模具預(yù)熱至60℃后上模下行，繼續(xù)加熱至130℃并逐漸加壓至1MPa，保溫保壓2h后(即復(fù)合材料層固化成型后)，上模上行，取出翼型前緣；

第八步，清理翼型前緣在模壓過程中溢出的少量環(huán)氧樹脂，并在外蒙皮的表面均勻涂覆厚度為20μm-100μm的氟化聚氨酯涂層，干燥即可；

第九步，將外蒙皮作接地處理，連接信號(hào)發(fā)生器與功率放大器，并將功率放大器的輸出端與翼型前緣內(nèi)部引出導(dǎo)線相連以輸送激勵(lì)電壓，設(shè)置合適的輸出參數(shù)后即可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的除冰及防冰效果。

實(shí)施例二

第一步，依據(jù)機(jī)翼前緣展開尺寸的計(jì)算結(jié)果，裁制出兩塊與機(jī)翼前緣展開尺寸相應(yīng)的2024硬鋁板，其中一塊厚度為0.3mm的2024硬鋁板作為內(nèi)蒙皮，另一塊厚度為0.6mm的2024硬鋁板則作為外蒙皮；然后在外蒙皮上銑削出深度為0.3mm，平面尺寸略大于壓電陶瓷平面尺寸的若干矩形凹坑，且若干矩形凹坑以如圖1中所示的兩種不同的排布方式進(jìn)行規(guī)則排列；

第二步，將內(nèi)外兩塊蒙皮依次進(jìn)行除油、堿洗、酸洗和磷酸陽極氧化處理；

第三步，將上下表面鍍有銀電極的厚度為0.3mm的壓電陶瓷片置于矩形凹坑中，在壓電陶瓷片與凹坑四周的間隙中填充環(huán)氧樹脂膠，并通過環(huán)氧樹脂膠將導(dǎo)線一端與壓電陶瓷片上表面粘接固定，后放入溫度設(shè)置為130℃的干燥箱內(nèi)加熱固化；

第四步，將外蒙皮放入壓制模具的下模表面并由定位銷定位，在其表面鋪設(shè)第一層玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基預(yù)浸料，并使連接壓電陶瓷片上表面的導(dǎo)線穿過該層預(yù)浸料；

第五步，在第一層預(yù)浸料表面按圖3所示的電路排布導(dǎo)線，保證同一列的壓電陶瓷片按并聯(lián)方式連接于同一激勵(lì)源，然后繼續(xù)鋪放第二層玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基預(yù)浸料至復(fù)合材料層所要求的厚度，并覆蓋內(nèi)蒙皮；

第六步，模具預(yù)熱至60℃后上模下行，繼續(xù)加熱至130℃并逐漸加壓至1MPa，保溫保壓2h后(即復(fù)合材料層固化成型后)，上模上行，取出翼型前緣；

第七步，清理翼型前緣在模壓過程中溢出的少量環(huán)氧樹脂，并在外蒙皮的表面均勻涂覆厚度為20μm-100μm的氟化聚氨酯涂層，干燥即可；

第八步，將外蒙皮作接地處理，連接信號(hào)發(fā)生器與功率放大器，并將功率放大器的輸出端與翼型前緣內(nèi)部引出導(dǎo)線相連以輸送激勵(lì)電壓，設(shè)置合適的輸出參數(shù)后即可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的除冰及防冰效果。

在實(shí)施例二中，由于內(nèi)外兩塊蒙皮采用了2024硬鋁板，省去了實(shí)施例一中的第二步預(yù)成型。

實(shí)施例三

第一步，依據(jù)機(jī)翼前緣展開尺寸的計(jì)算結(jié)果，裁制出兩塊與機(jī)翼前緣展開尺寸相應(yīng)的TA2板，其中一塊厚度為0.3mm的TA2板作為內(nèi)蒙皮，另一塊厚度為0.6mm的TA2板則作為外蒙皮；然后在外蒙皮上銑削出深度為0.3mm，平面尺寸略大于壓電陶瓷平面尺寸的若干矩形凹坑，且若干矩形凹坑以如圖1中所示的兩種不同的排布方式進(jìn)行規(guī)則排列；

第二步，將兩塊TA2板分別放入具有機(jī)翼前緣曲率形狀型面的陰模中，通過拋丸機(jī)向板材拋出高速彈丸迫使TA2板成形至內(nèi)外兩塊蒙皮所需曲率形狀；

第三步，將成形后的內(nèi)外兩塊蒙皮依次進(jìn)行除油、酸洗和氫氧化鈉陽極氧化處理；

第四步，將上下表面鍍有銀電極的厚度為0.3mm的壓電陶瓷片置于矩形凹坑中，在壓電陶瓷片與凹坑四周的間隙中填充環(huán)氧樹脂膠，后放入溫度設(shè)置為130℃的干燥箱內(nèi)加熱固化；

第五步，將外蒙皮放入壓制模具的下模中并與下模型面貼合而定位，在其表面鋪設(shè)碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基預(yù)浸料至復(fù)合材料層所要求的厚度，并覆蓋內(nèi)蒙皮；

第六步，模具預(yù)熱至60℃后上模下行，繼續(xù)加熱至130℃并逐漸加壓至1MPa，保溫保壓2h后(即復(fù)合材料層固化成型后)，上模上行，取出翼型前緣；

第七步，清理翼型前緣在模壓過程中溢出的少量環(huán)氧樹脂，并在外蒙皮的表面均勻涂覆厚度為20μm-100μm的氟化聚氨酯涂層，干燥即可；

第八步，將外蒙皮作接地處理，連接信號(hào)發(fā)生器與功率放大器，并將功率放大器的輸出端與翼型前緣的內(nèi)蒙皮相連以輸送激勵(lì)電壓，設(shè)置合適的輸出參數(shù)后即可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的除冰及防冰效果。

在實(shí)施例三中，激勵(lì)電壓直接輸送至內(nèi)蒙皮，因此無需實(shí)施例一排布導(dǎo)線的步驟。

實(shí)施例四

第一步，依據(jù)機(jī)翼前緣展開尺寸的計(jì)算結(jié)果，裁制出兩塊與機(jī)翼前緣展開尺寸相應(yīng)的2024硬鋁板，其中一塊厚度為0.3mm的2024硬鋁板作為內(nèi)蒙皮，另一塊厚度為0.6mm的2024硬鋁板則作為外蒙皮；然后在外蒙皮上銑削出深度為0.3mm，平面尺寸略大于壓電陶瓷平面尺寸的若干矩形凹坑，且若干矩形凹坑以如圖1中所示的兩種不同的排布方式進(jìn)行規(guī)則排列；

第二步，將內(nèi)外兩塊蒙皮依次進(jìn)行除油、堿洗、酸洗和磷酸陽極氧化處理；

第三步，將上下表面鍍有銀電極的厚度為0.3mm的壓電陶瓷片置于矩形凹坑中，在壓電陶瓷片與凹坑四周的間隙中填充環(huán)氧樹脂膠，后放入溫度設(shè)置為130℃的干燥箱內(nèi)加熱固化；

第四步，將外蒙皮放入壓制模具的下模中并與下模型面貼合而定位，在其表面鋪設(shè)玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基預(yù)浸料至復(fù)合材料層所要求的厚度，并覆蓋內(nèi)蒙皮；

第五步，模具預(yù)熱至60℃后上模下行，繼續(xù)加熱至130℃并逐漸加壓至1MPa，保溫保壓2h后(即復(fù)合材料層固化成型后)，上模上行，取出翼型前緣；

第六步，清理翼型前緣在模壓過程中溢出的少量環(huán)氧樹脂，并在外蒙皮的表面均勻涂覆厚度為20μm-100μm的氟化聚氨酯涂層，干燥即可；

第七步，將外蒙皮作接地處理，連接信號(hào)發(fā)生器與功率放大器，并將功率放大器的輸出端與翼型前緣的內(nèi)蒙皮相連以輸送激勵(lì)電壓，設(shè)置合適的輸出參數(shù)后即可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的除冰及防冰效果。

在實(shí)施例四中，內(nèi)外兩塊蒙皮采用了2024硬鋁板，同時(shí)激勵(lì)電壓直接輸送至內(nèi)蒙皮，因此省去了實(shí)施例一中預(yù)成型和排布導(dǎo)線的步驟。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，還可以做出若干變換或改進(jìn)，在不脫離本發(fā)明總的構(gòu)思的前提下，這些改進(jìn)或變換也應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。