對飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理技術(shù)的探究

李素東

（中國南方航空股份有限公司河南分公司,鄭州 450000）

目前我國民用飛機(jī)其選用材料將逐漸從全金屬向混雜結(jié)構(gòu)技術(shù)轉(zhuǎn)化，可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性及舒適性等是未來飛機(jī)運(yùn)行時(shí)要的，因此，復(fù)合材料的高比剛度、耐高溫、材質(zhì)輕等性能優(yōu)勢將更為顯著，能很好的滿足民用飛機(jī)材料的要求，復(fù)合材料也開始應(yīng)用于制造飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)件且用量越來越多。復(fù)合材料在我國航空領(lǐng)域的應(yīng)用取得了一定成效，而復(fù)合材料的使用要求也逐漸嚴(yán)格，但隨著復(fù)合材料及其成形工藝技術(shù)的發(fā)展，對飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理技術(shù)方面的研究還有待于完善。

1 飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及分析

1.1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的類型與特點(diǎn)

層壓板、蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)和蜂窩壁板結(jié)構(gòu)是飛機(jī)上使用的主要復(fù)合材料構(gòu)件。單層板粘合面、不同材質(zhì)單層板和不同纖維鋪設(shè)方向上相同材質(zhì)的各向異性單層板也可以構(gòu)成復(fù)合材料層壓板。致使層壓板具有各向異性的特點(diǎn)是由于這些單層板在厚度方向的宏觀非勻質(zhì)性導(dǎo)致的。兩塊薄面板和中間膠接低密度的夾芯組成了蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，夾芯材料有泡沫塑料和蜂窩夾芯，面板較薄，結(jié)構(gòu)形式為層壓板，主要材料有預(yù)浸單向碳纖維帶或編織布、未預(yù)浸或預(yù)浸纖維玻璃布、芳綸白機(jī)纖維布等。蜂窩夾芯有鋁箔蜂窩、芳綸紙蜂窩和玻璃布蜂窩。夾芯結(jié)構(gòu)上，把剪切載荷傳遞到夾芯，或者從夾芯傳遞到其他相連結(jié)構(gòu)上是面板和夾芯之間的膠層作用，下兩塊面板承受軸向、彎曲和面內(nèi)剪切載荷。任何一個(gè)單元體從承受側(cè)向載荷的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)中取出，蜂窩夾芯則承受該單元體剪力的受力;彎矩通過上、下面板分別收拉威函、壓威拘來承受，通過面板受軸力來承受，軸力也是由上、下面板承受的。還有較好的隔熱性能、較高的結(jié)構(gòu)阻尼、更高的比強(qiáng)度、較高的吸音和耐聲振疲勞的性能、并具有光滑的氣動(dòng)外形都超過了常規(guī)的金屬結(jié)構(gòu)。

承力面和蜂窩夾芯組成了蜂窩壁板，鋁合金、欽合金或不誘鋼板材制成的承力面板之間是鑲邊、嵌件和尖端等骨架元件及蜂窩夾芯的位置。夾芯則由泡沫塑料、玻璃布蜂窩、金屬蜂窩或金屬波紋板制做。膠接、釬焊或點(diǎn)焊方法是骨架元件、承力面板和蜂窩夾芯之間采用的連接。在蜂窩壁板結(jié)構(gòu)中，上下承力面板確定了整個(gè)結(jié)構(gòu)的彎曲剛度，載荷守立力、壓力、剪切力和橫向彎矩是承力面板實(shí)際上承受的。即使在大載荷作用下，夾芯也能保持面板所需的氣動(dòng)外形，因?yàn)閵A芯在結(jié)構(gòu)彎曲時(shí)承受橫向剪切力并與面板配合承力，提高了承力面板的局部剛度和蜂窩壁板結(jié)構(gòu)的剪切剛度。骨架元件用于提高固定處的持久剛度，保證在集中力作用下結(jié)構(gòu)的局部剛度。

1.2 飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷

在生產(chǎn)或者使用過程中，由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在材料組成和系統(tǒng)性能上的特殊性，容易發(fā)生各種結(jié)構(gòu)損傷。因此，對復(fù)合材料的損傷特點(diǎn)進(jìn)行分析，并根據(jù)其結(jié)構(gòu)和材料的不同，掌握規(guī)律、做好修理的準(zhǔn)備工作。高速?zèng)_擊損傷與低速?zèng)_擊損傷是主要是飛機(jī)復(fù)合材料損傷的兩種沖擊損傷。低速?zèng)_擊損傷能量較低，會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部引起嚴(yán)重的層間分離和集體裂紋，而結(jié)構(gòu)表面不會(huì)有明顯的損傷，結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度會(huì)因?yàn)閾p傷而明顯降低。高速?zèng)_擊損傷損傷情況較嚴(yán)重，能量高且集中、破壞較大，易見性損傷包括裂紋、破孔、結(jié)構(gòu)斷裂，造成層板凹坑、纖維斷裂。而劃痕、擦傷，分層，穿透孔，熱損傷則是飛機(jī)復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)的損傷的主要類型。按照損傷產(chǎn)生的部位，兩側(cè)面板、芯子的穿透損傷、面板損傷、復(fù)合損傷及單側(cè)面板和芯子的復(fù)合損傷是蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的損傷。

2 飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理技術(shù)

2.1 補(bǔ)片式修理技術(shù)

補(bǔ)片式的修理修復(fù)工藝較為復(fù)雜，由于飛機(jī)復(fù)合材料的使用在現(xiàn)代航空領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛，由于損傷的存在，針對復(fù)合材料在進(jìn)行實(shí)際的修補(bǔ)處理過程中具有良好的效果，而且復(fù)合材料的修補(bǔ)主要應(yīng)用于較大型的損傷的修復(fù)。以下幾種類型是針對修理工藝劃分的幾種方法：

2.1.1 外搭接補(bǔ)片膠接法

這種方法需要重視補(bǔ)片大小、補(bǔ)片厚度以及膠層的設(shè)計(jì)。在進(jìn)行外搭接補(bǔ)片膠接法過程中，最佳的補(bǔ)片厚道的設(shè)計(jì)為母版厚度的二分之一，而且補(bǔ)片的厚度需要根據(jù)母版厚度進(jìn)行分析與設(shè)定，搭接的長度考慮到國內(nèi)膠黏劑的性能，與補(bǔ)片大小直接相關(guān)的參數(shù)是搭接長度通常為20-30毫米。通過具體的試驗(yàn)證明，過于剛硬的材料不能夠起到良好的效果，具有軟補(bǔ)片的膠接強(qiáng)度較低，在飛機(jī)復(fù)合材料的修理過程中經(jīng)常出現(xiàn)相應(yīng)問題。膠粘劑的具體強(qiáng)度影響膠接接口的強(qiáng)度，膠層設(shè)計(jì)過程中，膠接接頭部分會(huì)產(chǎn)生比較高的局部應(yīng)力，需要根據(jù)具體材料以及設(shè)計(jì)進(jìn)行損傷處理。在外搭接補(bǔ)片膠接法當(dāng)中，通過增加膠層厚度來降低該處較高的剪應(yīng)力。

2.1.2 外搭接補(bǔ)片機(jī)械連接法

補(bǔ)片的材料的選擇具有自主性特點(diǎn)，在進(jìn)行具體修補(bǔ)的過程中并沒有要求一定的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，材料可以選擇金屬板或者是復(fù)合材料面板，保證在飛機(jī)出現(xiàn)復(fù)合材料問題時(shí)能夠得到及時(shí)處理，需要通過抽釘?shù)染o固件與母體結(jié)構(gòu)機(jī)械進(jìn)行連接，這種方法在進(jìn)行外場補(bǔ)救的過程中被廣泛應(yīng)用。這-種方法在進(jìn)行連接的過程中需要考慮腐蝕問題，因?yàn)槿狈ο鄳?yīng)的標(biāo)準(zhǔn)約束，對補(bǔ)片材料可能會(huì)使用鋁合金等相關(guān)金屬材料。

2.1.3 嵌入式補(bǔ)片修理法

該方法是一種水久性修理方法，是通過挖去部分的母體材料，之后與預(yù)浸料補(bǔ)片或者是預(yù)固化后再與母體材料膠接，補(bǔ)片鋪層與母體斜坡或者是臺階相同或略多。此種方法不僅外形恢復(fù)較好，對消除外搭接補(bǔ)片修理引起的偏心彎矩有著良好的效果，在進(jìn)行實(shí)際的復(fù)合材料的修補(bǔ)過程中具有重要作用。

2.2 非補(bǔ)片式修理技術(shù)

這種技術(shù)方法主要是針對小損傷進(jìn)行修理，在進(jìn)行外場修補(bǔ)的過程中較為便捷，在進(jìn)行飛機(jī)符合材料修理的過程中操作方法較為簡單。復(fù)合材料的非補(bǔ)片式修理技術(shù)主要為以下幾種:

（1）涂層法。在航空領(lǐng)域的應(yīng)用，復(fù)合材料表面出現(xiàn)問題的過程中，保證材料表面的安全性、材料外部穩(wěn)定性，需要通過涂層法來修復(fù)表面密封層、防腐層以及導(dǎo)電層。

（2）注射法。注射法在進(jìn)行實(shí)際的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)對損傷區(qū)的處理具有較好的效果，特別是對于復(fù)合材料外層處理以及邊緣分層處理。這種方法在針對損傷區(qū)進(jìn)行修理的過程中，通過注射法填補(bǔ)修復(fù)，采用常溫固化以及加熱固化的形式將樹脂注入損傷區(qū)，在進(jìn)行實(shí)際的應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)對損傷區(qū)的處理。

（3）混合物填充法。在飛機(jī)復(fù)合材料的修理技術(shù)中，這種方式與注射法相似，主要的填充物為短切纖維一樹脂混合物。但在實(shí)際的填充物方面兩者具有明顯的差異，此種方法能夠修復(fù)復(fù)合材料中較小的損傷，在進(jìn)行修復(fù)表面范圍以及蜂窩夾層中的損傷修理具有較好效果。

（4）抽釘法。此種方法能夠有效的控制復(fù)合材料小損傷的擴(kuò)展，在具體的應(yīng)用過程中是加強(qiáng)分層區(qū)域或者是脫膠區(qū)采用樹脂注射法或混合物填充，保證恢復(fù)外界的傳載能力，該法已廣泛用于碳纖維復(fù)合材料的邊緣分層修理，具有良好的應(yīng)用效果，保證復(fù)合材料外部穩(wěn)定性。

3 總結(jié)

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的維修維護(hù)工作隨著飛機(jī)復(fù)合材料在航空領(lǐng)域當(dāng)中越來越廣泛的應(yīng)用越來越顯得重要，維修技術(shù)將是復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)今后發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)方向，加快修理材料的研究和開發(fā)，加快復(fù)合材料修理標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的基礎(chǔ)性研究，在完善現(xiàn)有熱補(bǔ)技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)易損修理工具和設(shè)備國產(chǎn)化，不斷汲取新技術(shù)，開發(fā)復(fù)合材料修補(bǔ)軟、硬件工具及修理設(shè)計(jì)、修理前后的無損探傷檢測技術(shù)，向高質(zhì)量、高效率、低成本化發(fā)展，不斷完善和發(fā)展新型技術(shù)，建立數(shù)字化修理生產(chǎn)線，為航空領(lǐng)域安全使用復(fù)合材料奠定基礎(chǔ)，盡決實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料數(shù)字化修理，可極大地提高其使用效能，促進(jìn)航空領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。

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