粘接技術(shù)在飛機(jī)復(fù)合材料修理中的運(yùn)用

◎張應(yīng)南

飛機(jī)行駛的過程中其外部結(jié)構(gòu)會受到多方面因素的影響產(chǎn)生破損問題，此外，在維護(hù)操作不當(dāng)?shù)那闆r下，也可能引發(fā)嚴(yán)重的損傷問題，主要受損表現(xiàn)為分層、裂縫、破孔和斷裂等。此種損傷問題的產(chǎn)生不僅會影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)的承載性能，還有可能危及行駛安全?？紤]到機(jī)械修理方式對飛機(jī)結(jié)構(gòu)的性能影響較大，應(yīng)優(yōu)先選擇粘接技術(shù)進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理。對其主要修理方法和粘接技術(shù)的內(nèi)容展開探討也具有重要的意義。

一、飛機(jī)復(fù)合材料的主要粘接修理方法

針對飛機(jī)材料結(jié)構(gòu)的修理工作中所采取的粘接修理方法根據(jù)修補(bǔ)工藝的不同，可以被細(xì)分為貼補(bǔ)修理和挖補(bǔ)修理兩種。其中的貼補(bǔ)修理方式指的是，在損傷部位的外部直接使用貼片修補(bǔ)損傷，并且借助貼片保障飛機(jī)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)質(zhì)量與強(qiáng)度，使其性能與最初設(shè)計(jì)的剛度需求和強(qiáng)度相符。此種粘接方式即可采用預(yù)浸貼片，又可采用膠粘劑將已經(jīng)固化處理后的貼片使用膠粘劑直接貼于損傷處。此種修理方式的操作較為便捷，無需過多的修理工序，且修理效率較高，在操作得當(dāng)?shù)那闆r下，往往可以使修補(bǔ)部位的強(qiáng)度達(dá)到原有強(qiáng)度的80%左右，在一些損失較小，且對外形氣動要求偏低的結(jié)構(gòu)修理中較為常用。

挖補(bǔ)修理指的是，在粘接之前，使用專用的銑切工具將受損傷的部位挖除，并且使其形成階梯式的粘接面，之后使用填充物填補(bǔ)損傷部位，對其進(jìn)行固化處理，做好表面平整操作，盡量使其表面與原有的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)相同的流線關(guān)系，使其結(jié)構(gòu)的氣動外形得到有效修復(fù)。采用該種方式進(jìn)行修復(fù)的結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力分布均勻，不存在偏心荷載的影響問題，相對來說修理效果較好，基本可以達(dá)到原有結(jié)構(gòu)的性能要求。但此種修理方式的作業(yè)工序較為復(fù)雜，在維修時需要消耗大量的時間，對于結(jié)構(gòu)形式較大，且受損部位突出的情況并不適用。

二、粘接修理技術(shù)在飛機(jī)復(fù)合材料修理中的運(yùn)用

1.熱補(bǔ)儀修理技術(shù)。

以往進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理是采用復(fù)合材料制造的工序，致使修理過程中所使用的設(shè)備設(shè)施較多，且修理工藝較為復(fù)雜，雖然修復(fù)后的效果較好，但會造成大量的成本投入，在進(jìn)行外場修理時，此種方法難以適用。為了改善上述修理技術(shù)的局限性，相關(guān)人員研發(fā)出了便攜式的熱補(bǔ)儀修理設(shè)備，同時具備除塵、干燥、加壓和加熱等功能，在實(shí)際修理工作中，發(fā)揮了重要的作用。一些知名的航空公司已經(jīng)逐步應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修理工作，并且取得了較好的應(yīng)用效果。

2.電子束固化修理技術(shù)。

電子束固化修理實(shí)際上就是借助樹脂類的復(fù)合材料進(jìn)行修復(fù)的方法，該種電子束樹脂材料不具備熱敏特征，無需加熱便可完成固化處理。實(shí)際進(jìn)行修理時，是借助電子加速器對此類材料進(jìn)行沖擊，使其形成樹脂變化，該種固化修理方式對溫度的要求不高，在常溫內(nèi)便可進(jìn)行固化操作，同時具備固化效率高的特點(diǎn)。采用該種修理方式進(jìn)行復(fù)合材料修復(fù)時，可以有效避免溫度因素對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部粘接質(zhì)量的影響，且因其固化時的溫度與室溫相同，無需考慮到在溫度影響下的流動性問題和膨脹系數(shù)等。另外，也為由于其自身對熱量不敏感，在儲存時的難度較低，在常規(guī)室溫下保存即可。該技術(shù)最初起源于復(fù)合材料的制造領(lǐng)域，后續(xù)發(fā)展中，部分技術(shù)人員為了降低修理工作對飛機(jī)結(jié)構(gòu)性能的影響在其中應(yīng)用了電子束固化技術(shù)，實(shí)踐應(yīng)用中的效果良好。

3.微波修理技術(shù)。

由于大部分復(fù)合材料和膠粘劑是熱不良導(dǎo)體，傳熱速度慢、溫度梯度大，用傳統(tǒng)加熱方法固化時會直接導(dǎo)致膠層固化不均勻和固化速率低，在修補(bǔ)區(qū)域會產(chǎn)生較大的“熱應(yīng)力”，大大降低修理的質(zhì)量。為此，研究人員開發(fā)出了微波修理技術(shù)。微波加熱不同于一般的外部熱源由表及里的傳導(dǎo)式加熱，是被加熱物體在電磁場中由于介質(zhì)損耗引起“體積加熱”。因此微波修理具有傳熱均勻、加熱效率高、固化速度快、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。微波修復(fù)技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵是便攜式的微波修復(fù)機(jī)和微波結(jié)構(gòu)膠粘劑的研制。許陸文等和空軍第一航空學(xué)院合作，成功地研制開發(fā)了便攜式微波修復(fù)機(jī)(頻率為2.45GHz、功率為200W)和數(shù)種微波施加器。利用這種設(shè)備，以短纖維／環(huán)氧膠作修復(fù)膠，修復(fù)了帶孔碳纖維／環(huán)氧和玻纖／環(huán)氧復(fù)合材料，固化時問僅為20s～24s。固化修復(fù)后，復(fù)合材料構(gòu)什拉伸強(qiáng)度可達(dá)原構(gòu)件的80%以上。經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，該技術(shù)對金屬復(fù)合材料粘接修理和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的粘接修理，都具有優(yōu)異的效果。

4.光固化修理技術(shù)。

光固化復(fù)合材料粘接修理技術(shù)是以光敏膠作基體樹脂，用纖維作為增強(qiáng)材料，預(yù)先制備成預(yù)浸料修理補(bǔ)片，在光線的輻照下迅速固化，以達(dá)到快速修復(fù)的目的。從理論上講，各種波長的光段都可以引發(fā)固化反應(yīng)，但臼前主要以紫外周化修理為主。該技術(shù)使用便攜式的紫外光源(或光同化修復(fù)機(jī))輻照光敏膠的修復(fù)區(qū)引發(fā)快速固化。與電子柬固化相同的是，紫外固化也可在室溫和低溫下固化，且固化速度也很快．紫外固化修理更為簡便，對設(shè)備的要求也最低。但紫外固化目前還存在如下2個缺點(diǎn)：一是目前所使用的紫外固化膠剪切強(qiáng)度偏低(普遍低于20MPa)，只能適用于一些輕微損傷的修理；二是對粘接體系的顏色及透光性要求較高，大部分設(shè)備的輻照深度不足2mm。只能用于表層處理。因此開發(fā)出高強(qiáng)度的紫外光敏膠和提高紫外固化輻射深度將是該技術(shù)研究的方向。

三、結(jié)語

在飛機(jī)制造領(lǐng)域中，復(fù)合材料的應(yīng)用已經(jīng)逐漸趨于大型化，在使用時難免出現(xiàn)破損問題，在一些非承力結(jié)構(gòu)的部位，發(fā)生小的損傷時，也需要采取適當(dāng)?shù)男蘩矸椒?，以免對各個結(jié)構(gòu)的性能造成影響。而對于飛機(jī)外部結(jié)構(gòu)和重點(diǎn)結(jié)構(gòu)部位的損傷問題則應(yīng)適當(dāng)選取粘接修理技術(shù)，以期盡快修復(fù)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)性能，保障飛機(jī)的行駛安全。