通用飛機復合材料結構損傷維修技術

文/龔偉明

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通用飛機復合材料結構損傷維修技術

文/龔偉明

0　引言

復合材料由于具有比剛度高、比強度大和可設計性強等優(yōu)點，在飛機主承力結構上獲得了越來越廣泛的應用，但是復合材料結構的抗沖擊阻抗、抗沖擊韌性低，在生產(chǎn)、使用和維護過程中，不可避免地會發(fā)生結構缺陷或損傷，必須進行及時修理以減少生產(chǎn)中部件的報廢率，提高部件使用完好率，在保證安全的同時，降低復合材料使用成本。目前，國外對修理相關問題可以直接查詢修理手冊，現(xiàn)階段的研究方向是如何高速、有效、低成本地完成結構修理，可見復合材料部件維修技術的重要性。

1　復材結構的缺陷和損傷形式

按產(chǎn)生損傷的原因，復合材料結構的損傷可分為制造缺陷、使用損傷及環(huán)境損傷。制造缺陷主要指機械損傷和非機械損傷：機械損傷指在機械加工過程中造成制件表面劃痕、擦傷、工具墜落造成的沖擊損傷等；非機械損傷是指在鋪貼或固化過程中造成的制件內(nèi)部孔隙過多、夾雜、鋪層方向錯誤、貧富脂等。

使用損傷是指在使用過程中的沖擊損傷或灼傷。沖擊損傷包括鳥撞、碎片沖擊、砂石飛濺、踩踏及撞擊等。灼傷主要是指復合材料結構表面雷擊防護不完備造成的雷擊損傷，導致結構表面產(chǎn)生分層或被燒灼。

2　復合材料修理方法

復合材料結構缺陷、損傷修補方法主要包括貼補法、挖補法、注射膠接法、機械連接法等多種方法，從連接形式來分，一般可分為機械連接修理和膠接修理?？紤]復合材料結構修補后的性能、重量等因素，包括空客、波音的飛機公司的復合材料結構修理通常采用貼補法、挖補法的修補工藝，對于承傳載比較重要的部位，在貼補或挖補修理的基礎上局部加機械螺栓或鉚釘?shù)冗M行緊固連接。

2.1膠接修理

膠接修理相比機械修理具有結構增重小、修理時間短、修理效率高、成形性能好及無損探傷簡單等優(yōu)點。具體包括貼補、挖補和注射法等。

（1）貼補法。

貼補法是采用膠接的方式將修補材料貼片貼在結構上，使之恢復強度和剛度的方法。貼片材料既可以是復合材料也可以是金屬材料，一般規(guī)定金屬材料可用于修補復合材料結構，但是復合材料不可用于修補金屬結構。貼片的形式既可以是固化好的層合板也可以是未固化的預浸料，與被修補結構一起共固化。貼補法適用于曲率小且對氣動表面要求不高的零部件。

貼補法的優(yōu)點是補片制作簡單，施工方便，但是需要注意的是補片端部與被修理結構的貼合角度，因為貼合區(qū)相當于單面搭接接頭，容易造成應力集中，使修補失效。

（2）挖補法。

挖補法是將破損結構清除，采用新材料進行修補的方法，新材料填補可采用斜接法和階梯法，這兩種方法效果相當。該方法與貼補法相比，適用性廣，效果明顯，只是工藝復雜，對人員及設備要求都很高。

①斜接法，是指將結構破損部位按某一角度挖成傾斜表面，再在斜面上填補新的材料的一種方法。

該方法由于需要斜挖出角度，故適用于厚度比較大的層壓板修補，由于膠接面分布均勻，故不會導致應力集中，因此，這種方法的修補效果很好，修補后結構的表面很光滑。缺點是修補施工困難，不適合外場快速維修。

②階梯法，是將結構破損部位按某一角度加工成階梯狀，再填補新材料，這種方法較斜接法難度更大，對工藝要求更高，需要借助專業(yè)工具，但是修補后結構性能更好。

對臺階寬度的精確控制是階梯法的關鍵，修理過程中，一般是從最上面一層開始，以12.5mm的寬度為臺階，從上之下，直到最內(nèi)層損傷鋪層。最后在打磨區(qū)域邊緣再打磨出一個12.5mm寬的周邊，以輔加鋪層補片。

③夾層結構的挖補修理方法。蜂窩或泡沫夾層樹脂基復合材料結構的挖補修理需要同時考慮面板和夾芯的切除，其中夾層結構面板的切除和修理方案類似層合板結構的修理，損傷或含缺陷部位的蜂窩/泡沫夾芯的切除一般采用全高度切除法。根據(jù)夾層補片的高度，夾層結構挖補修補方法有主要有2種形式，一種是將夾層面板和夾芯等孔距垂直面板切除，裁制蜂窩/泡沫補片高度為原蜂窩高度加面板高度的總高度，預浸料補片突出結構外形；另一種是只將夾芯垂直切除，面板類似層合板挖補修理方法，進行斜接法或階梯法修理，裁制原高度夾芯蜂窩/泡沫補片。膠結過程中，在蜂窩側面和底面放置膠膜，外部貼補片方法類似層板修理方案。

（3）注射樹脂法。

注射樹脂法一般用于修理復合材料小面積的脫膠和分層，這種方法是否有效，要看是制造產(chǎn)生的缺陷還是使用中的損傷。由于局部膠接壓力不夠或表面污染造成的制造缺陷，其表面的污染層必須去除，方能保證高的膠接強度。如果是內(nèi)表面污染，則難修理，也難達到滿意結果。與此相反，如果是使用中造成的損傷，且其表面還未受到燃油或液壓油等的污染，也未吸收水分（水分用干燥法很容易去除），則可以進行有效的膠接。這種方法需要在結構上布置注膠孔和出膠孔，空的深度要達到缺陷所在位置，保證樹脂注射在孔隙中。這種方法不用去除材料，只要將樹脂注入分層區(qū)域，將樹脂與纖維固化粘合即可。

（4）填充與灌注修理。

填充與灌注修理是將填料填充或灌注到損傷區(qū)以恢復其結構完整性的一種修理方法。一般用于蜂窩結構的損傷修補。在受載較小的蜂窩夾層板上采用填充、灌注修理可以穩(wěn)定表板和密封損傷區(qū)，防止?jié)駳獾臐B入以及損傷的進一步擴大。對連接孔的損傷，如孔變形成摩擦損傷，可以經(jīng)過機械加工好的填充塊修補。如果發(fā)生緊固件孔位置鉆錯，或者孔尺寸過大，則可以先采用此法修理，然后重新鉆孔。

2.2機械連接修理

機械連接修理通常是指應用緊固件，將補片與被修理結構通過螺釘或鉚釘連接在一起的方法。這種方法操作簡單，不需要輔助的溫控設備，特別適合于外場飛機修理。

復合材料的機械連接修理雖然工藝簡單，但存在許多問題，如金屬連接件對結構主體的破壞、連接件引起的應力集中、連接件和復材的電位腐蝕、連接件和復材間的配合控制及損傷、金屬連接引起的增重效應等等。

3　結束語

目前，我國設計制造和投入使用的通用飛機已達數(shù)百架以上，其中不少飛機型號采用了大量的復合材料結構，而且隨著我國低空空域開放，通用飛機的市場越來越大，通用飛機的數(shù)量將會急劇增加，復合材料的用量也會不斷攀升。復合材料結構檢測與修理技術將是直接影響通用飛機低成本制造和持續(xù)安全、提升通用飛機市場競爭力的核心支撐技術。

作者簡介：龔偉明（1985-），男，工程師，碩士研究生，任職于中航通飛研究院有限公司，從事飛機復合材料結構強度設計工作。