直升機(jī)復(fù)合材料的使用與維護(hù)

摘 要：上個(gè)世紀(jì)六十年代就已經(jīng)開(kāi)始在飛行器中應(yīng)用復(fù)合材料。到了本世紀(jì)初，在直升機(jī)中應(yīng)用的復(fù)合材料已達(dá)到近百種，已經(jīng)占到了直升機(jī)總重量的百分之十至百分之三十。筆者以服務(wù)于某飛機(jī)制造廠多年的工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)直升機(jī)中使用的復(fù)合材料部件及其維護(hù)做一個(gè)簡(jiǎn)要的闡述。

關(guān)鍵詞：直升機(jī)；復(fù)合材料；使用；維護(hù)；直升飛機(jī)；飛機(jī)

引言

由于某些復(fù)合材料一方面強(qiáng)度與韌性上要優(yōu)于金屬材料，另一方面其重量上反而相對(duì)于金屬材料更輕，因此復(fù)合材料被大量地應(yīng)用于航空航天事業(yè)中。復(fù)合材料曾一度被當(dāng)做最高級(jí)的軍事機(jī)密被西方發(fā)達(dá)國(guó)家保密了若干年，直到冷戰(zhàn)結(jié)束以后復(fù)合材料廣泛地應(yīng)用于民用，才露出其廬山真面目來(lái)。但是這些纖維增強(qiáng)類的復(fù)合材料也并非無(wú)堅(jiān)不摧，它們也會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂、磨損，在外力撞擊的情況下也會(huì)出現(xiàn)某種程度的損傷，但是幸運(yùn)的是復(fù)合材料具有金屬材料所無(wú)法比擬的極方便的可修復(fù)性。因此復(fù)合材料被大量應(yīng)用于直升機(jī)的制造與修復(fù)上。復(fù)合材料目前已經(jīng)成了直升機(jī)上不可或缺的材料之一。

1 影響復(fù)合材料使用的主要因素

復(fù)合材料的受熱穩(wěn)定性要好于鋼鐵，鋼鐵的熱漲冷縮要遠(yuǎn)大于復(fù)合材料，因此，對(duì)于制造直升機(jī)而言，復(fù)合材料的這種熱穩(wěn)定性是最受人們青睞的特性，同時(shí)，復(fù)合材料的強(qiáng)度、韌性、剛度也優(yōu)于金屬材料，因此，復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于直升機(jī)的制造與維護(hù)過(guò)程中。但是復(fù)合材料也并非十全十美，復(fù)合材料在使過(guò)程中要注意采取防腐、防雷、防劇烈沖擊等措施，以增加復(fù)合材料的使用壽命。

1.1 環(huán)境條件

任何材料在使用的過(guò)程中都要面對(duì)形形色色的各種各樣的環(huán)境因素，這些環(huán)境因素會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生種種不良的影響，復(fù)合材料也不例外。對(duì)復(fù)合材料影響較大的因素有以下幾種：（1）力學(xué)條件。如聲音作用下的復(fù)合材料的減振、減低噪聲以及振動(dòng)阻尼特性等；（2）物理?xiàng)l件。如在壓力作用下，復(fù)合材料的彎折、斷裂特性等；（3）氣象條件。如在日光的持續(xù)照射下，復(fù)合材料的變軟、變彎等特性或者在雨水的浸潤(rùn)下復(fù)合材料的抗腐蝕能力等；（4）大氣條件。在大氣條件下，復(fù)合材料的長(zhǎng)期放射線照射下的材料變異性或者高度霉變環(huán)境下的復(fù)合材料受霉菌侵蝕能力等；上述的力學(xué)條件與物理?xiàng)l件考察的是復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)上的剛度與強(qiáng)度等物理穩(wěn)定性。上述的氣象與大氣條下考察的是復(fù)合材料的化學(xué)穩(wěn)定性。

1.2 熱應(yīng)力

目前在直升機(jī)上應(yīng)用的復(fù)合材料由于還沒(méi)有達(dá)到百分之百，因此所應(yīng)用的這一部分復(fù)合材料必然要與金屬構(gòu)件進(jìn)行連接。但是由于前文提及的復(fù)合材料與金屬特質(zhì)的熱脹冷縮比率不同，因此，在應(yīng)用中如果處理不好就會(huì)出現(xiàn)直升機(jī)的連接部件在遇熱以后會(huì)出現(xiàn)較多翹曲，在遇冷以后可能會(huì)出現(xiàn)撕裂。那么是不是復(fù)合材料不能與金屬連接呢？答案是否定的。目前科研人員已經(jīng)找到了一種熱脹冷縮系數(shù)較小的鈦金屬與復(fù)合材料進(jìn)行連接以極大地減少熱應(yīng)力。

1.3 防腐蝕

復(fù)合材料除了上述的與金屬材料連接的問(wèn)題以外，還存在著另外一個(gè)大問(wèn)題，那就是，復(fù)合材料與金屬之間由于存在著電容差，因此復(fù)合材料與金屬材料緊密結(jié)合以后就會(huì)在電容差的作用下產(chǎn)生輕度的溶解并對(duì)金屬形成腐蝕作用。為解決這種腐蝕效應(yīng)，科研人員不得不在復(fù)合材料與金屬構(gòu)件之間增加一層玻璃纖維以解決這個(gè)問(wèn)題。但是更大的問(wèn)題也隨之而來(lái)，那就是復(fù)合材料與玻璃纖維之間的連接一旦出現(xiàn)問(wèn)題，就會(huì)造成直升機(jī)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.4 防雷擊

復(fù)合材料的另外一個(gè)弱點(diǎn)就是其內(nèi)部特性決定了復(fù)合材料本身就是一種半導(dǎo)體，眾所周知，半導(dǎo)體在受到雷擊時(shí)會(huì)比金屬產(chǎn)生更大的熱量，因此，當(dāng)碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件位于雷擊影響區(qū)域時(shí)，需要采取防護(hù)措施，如加鋁箔、網(wǎng)狀表面層和噴涂金屬層等。另外，裝金屬邊界元件可以減小損傷程度。

1.5 抗沖擊

碳纖維復(fù)合材料的抗沖擊性能很差。沖擊會(huì)引起損傷，影響材料的性能，降低強(qiáng)度，導(dǎo)致局部失穩(wěn)并進(jìn)一步分層。

1.6 邊界效應(yīng)

在復(fù)合材料層合板自由邊界附近存在邊界層，邊界層區(qū)域?qū)挾冉频扔趯雍习搴穸取Ｔ谠搮^(qū)域，存在層間應(yīng)邊，邊界效應(yīng)主要引起分層，導(dǎo)致層合板破壞。

2 復(fù)合材料構(gòu)件故障檢測(cè)方法

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)被廣泛應(yīng)用在故障檢測(cè)中，檢查復(fù)合材料操作缺陷的方法主要有以下幾點(diǎn)。

2.1 目視檢查法

檢查結(jié)構(gòu)件的外觀質(zhì)量。包括壓痕、皺紋、劃痕、毛刺、穿孔、肉眼可見(jiàn)和表面裂紋以及可見(jiàn)和分層等缺陷。目視檢查可以發(fā)現(xiàn)撞擊損傷、壓痕、擦傷、邊緣分層、邊緣脫膠、裂紋，堅(jiān)固件操作、雷擊和燒傷等損傷。

2.2 敲擊法

利用敲擊時(shí)發(fā)出的聲音來(lái)判斷復(fù)合材料構(gòu)件損傷部位和面積，常用于檢查旋翼蒙皮開(kāi)膠分層等故障。

2.3 射線檢測(cè)

通過(guò)檢測(cè)損傷與無(wú)損傷部位對(duì)射線的吸收能力差異判定損傷區(qū)域的大小。

2.4 超聲波檢測(cè)

對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的分層和脫膠損傷。采用超聲波檢測(cè)是最有效的方法。大部分超聲波探傷儀使用A掃描和C掃描，它是利用壓電傳輸元件將超聲脈沖傳入結(jié)構(gòu)中，遇到損傷或缺陷產(chǎn)生界面反射，或者引起聲速和能量衰減的變化，利用這一特性達(dá)到檢測(cè)損傷的目的。

2.5 聲發(fā)射檢測(cè)

通過(guò)特定的加載程序，用聲響變化檢測(cè)復(fù)合材料主受力件在加載情況下的內(nèi)部損傷情況。

3 復(fù)合材料構(gòu)件的修理

3.1 修理原則

一是等強(qiáng)度修理。二是構(gòu)件修理后的性能及耐久性不變。三是戰(zhàn)時(shí)需要的臨時(shí)性短壽命修理。

3.2 對(duì)于損傷的結(jié)構(gòu)修補(bǔ)的要求

（1）修補(bǔ)后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，應(yīng)該恢復(fù)到使用條件下的設(shè)計(jì)許用值。（2）恢復(fù)結(jié)構(gòu)的耐久性要求。（3）恢復(fù)結(jié)構(gòu)的使用功能，或者使用功能降低最小。（4）結(jié)構(gòu)修補(bǔ)后重量增加最少不于直升機(jī)控制面的修補(bǔ)，重量一定要滿足氣動(dòng)平衡要求。（5）修補(bǔ)時(shí)間要盡量少，縮短停飛時(shí)間。（6）修補(bǔ)中使用的設(shè)備和工具要少。

4 使用與維護(hù)注意事項(xiàng)

（1）外場(chǎng)維護(hù)中分解下的零構(gòu)件必須輕放，不可隨意亂丟，更不可長(zhǎng)期浸泡在油料及雨水中。（2）重新安裝復(fù)合材料零件時(shí)，托板螺母孔上的螺釘不宜擰得太緊。（3）要防止尖銳的東西劃傷或碰傷復(fù)合材料零構(gòu)件表面，更允許用錘敲擊復(fù)合材料零構(gòu)件。（4）給復(fù)合材料零構(gòu)件鉆孔時(shí)，在其反面必須用硬木塊或膠木墊住，以防鉆孔力量過(guò)大導(dǎo)致復(fù)合材料表面分層或抽絲。（5）復(fù)合材料零構(gòu)件排故需鉚接金屬零件時(shí)，必須在兩者之間貼一層厚度為0.08～0.11mm的玻璃布，以防零件腐蝕。（6）復(fù)合材料使用了進(jìn)口的鉚釘和高鎖螺栓，不允許以其它鉚釘代用，拆裝時(shí)必須符合技術(shù)規(guī)范。（7）復(fù)合材料破損時(shí)，不能擅自修補(bǔ)，必須通知廠家作出技術(shù)處理后方可使用。（8）為了減少損失，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損壞時(shí)應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)，避免潮氣及腐蝕性介質(zhì)進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部。（9）在飛行及地面維護(hù)過(guò)程中，應(yīng)避免外來(lái)物撞擊及冰雹風(fēng)沙的襲擊。（10）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面的漆層損壞時(shí)應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)。（11）由于復(fù)合材料對(duì)溫度很敏感，在維護(hù)中應(yīng)防止烈日暴曬，注意高溫區(qū)復(fù)合材料板件的散熱，防止燒傷。（12）在沿海和腐蝕性大氣中飛行后，要及時(shí)清洗復(fù)合材料機(jī)身部件，應(yīng)用手冊(cè)中推薦的清洗劑清洗復(fù)合材料構(gòu)件。

5 結(jié)語(yǔ)

直升機(jī)在維護(hù)的過(guò)程中，要求工程師必須精益求精，讓復(fù)合材料能集中發(fā)揮材料的最大優(yōu)越性，以促進(jìn)飛行安全。層出不窮的先進(jìn)復(fù)合材料使我們的生活發(fā)生了翻天覆地的變化，由鋼鐵一統(tǒng)天下的局面已經(jīng)被打破，復(fù)合材料已經(jīng)離開(kāi)陸地飛向藍(lán)天，并終將飛向更廣闊的空間。

參考文獻(xiàn)

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