飛機復合材料的發展前景及修理前瞻

徐偉杰　張傳璽

[摘 要]民用航空器上復合材料應用比例越來越大，使用和維護過程中都不可避免地會發生結構缺陷和損傷，有必要對復合材料部件進行定期檢查并針對可能的缺陷進行修理，從而降低飛機的運營成本。

[關鍵詞]民用航空器；復合材料；結構缺陷；材料損傷；定期檢查

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2015.45.143

1 復合材料的重要性及發展前景

復合材料是指有機高分子、無機非金屬或金屬等幾類不同材料通過復合工藝組合而成的復合材料，它既能保留原有組分材料的特色，又通過材料設計使各組分的性能互相補充并彼此關聯與協同，從而獲得原組分材料無法比擬的優越性能，與一般材料的簡單混合有本質的區別。

相對于金屬材料，復合材料有相對不易腐蝕；不會產生金屬疲勞；可設計載荷；可減少連接部件（同步成型）；減重；節油等特點，并且采用復合材料的部位、面積和重量也日益增加，復合材料已成為繼鋁、鋼、鈦之后的四大航空材料之一。復合材料在航空器上的應用，特別是民用航空器上的應用比例也會越來越大。

先進復合材料是指用碳纖維等高性能增強的復合材料，具有優異的綜合性能。其具有以下優點。

1.1 質輕、高強

飛機結構中廣泛使用的碳纖維復合材料的密度只有鋼的1/5、鋁的3/5，但比強度是鋼的5倍、鋁的4倍、鈦合金的4.5倍以上。復合材料的使用可使一個金屬零件重量減輕20%左右，在B777中，所減輕的重量相當于15名旅客和行李的重量。圖1顯示了復合材料高比強高比模的突出優勢。

1.2 耐腐蝕性好

復合材料較之金屬和非金屬常規材料具有更為優異的抗腐蝕性，能夠延長飛機的使用壽命、減少民航開支、提高經濟效益。

1.3 具有極好的抗疲勞性能

對于拉伸或壓縮構件，復合材料具有較高的強度重量比，比相同鋁制件可以高出30%，現以空氣動力表面如副翼來說，當上表面承載時處于壓縮狀態，下表面處于拉伸狀態，飛機在飛行中時而承受拉力時而承受壓力因而容易產生疲勞。使用復合材料合板制作的副翼，因為各鋪層是按一定的方向鋪放的，結構可以更好地承受來自各方面的載荷，因而可以比鋁制件有更好的抗疲勞性能。

1.4 具有良好的減振性能

由于復合材料的比摸量高，其自振頻率也高，這是因為受力結構的自振頻率與其結構材料比模量的平方根成正比，高的自振頻率決定了復合材料有很強的吸振能力，可以避免結構在一般工作狀態下發生共振，不易造成振動破壞。同時，復合材料中高韌性的基體材料也具有顯著的振動阻尼特性。

1.5 斷裂安全性好

纖維復合材料中大量獨立存在的纖維通過具有韌性的基體把它們粘合成整體，當結構中有少數纖維斷裂時，其他完好的纖維就會將載荷接受下來并重新進行分裂，因而構件不至于在短時間內發生斷裂，故斷裂安全性好。

1.6 耐高溫性好

復合材料具有較好的耐高溫性，可作為耐高溫材料來使用，主要應用于燃燒室、燃燒室浮壁、渦輪外環、火焰穩定器、尾噴管調節片等。

空客、波音、國產飛機的復材應用比例也逐步增加；但復合材料本身的結構穩定性并不出色，且大量的復合材料部件在生產、使用和維護過程中都不可避免的會發生結構缺陷和損傷，如果將損壞的部件全部報廢，必然會造成成本的大幅度提高，因此有必要對民用航空器復材部件進行定期檢查并針對可能的缺陷進行修理以降低其報廢率，從而降低飛機的運營成本。根據美國NASA調研結論，復合材料的修理問題已經成為阻礙復合材料進一步應用的主要問題之一。

2 復合材料修理發展現狀

目前，歐美在復合材料修理上基本處于壟斷地位。以美國航空器零組件NORDAM為例，現在基本壟斷了國際民用航空器發動機進氣口整流罩等大型復材部件的維修市場。美國對復合材料修理的理論研究可以追溯到20世紀70年代，在復合材料修理設計（包括結構損傷容限和修理方法等）修理材料和修理工藝及工具設備主要方面上進行了長期的研究；同時美國空軍也進行了大量實驗，積累了豐富的使用經驗。發展到現在，無論軍機還是民機，都能以結構修理手冊SRM的形式給出可修理數據。針對修理方法和相應的修理材料，已實現修理材料系列化，品種齊全多樣，修理工藝成熟，設備工具完善，有完整損傷檢測和評估系統。其最大的特征就是在復材部件設計時就開始考慮到其可維修性。歐洲在20世紀80年代中期也開始在正式的設計文件和維修手冊中規定詳細具體的復合材料結構的修理方法。現在正在進行快速修補、自動化修補、參數化工藝等研究并已拿出了成果，波音公司開發的CRAS軟件已經可以自動計算出最佳修補參數。

我國在復材修理上的研究起步較晚，目前仍未形成系統化，國內對于復合材料修理技術的系統研究始于“九五”，從修理方法、研究方法入手，對層壓板和蜂窩夾層結構的挖補、貼補修理進行深入研究，并對層壓板沖擊損傷的注射修理進行了探索性研究，目前仍處于跟蹤國際現有技術的階段，且所用修理材料和工具大部分為進口。還有一點，研究和應用主要集中在軍用航空器上，這就造成民用航空器復合材料部件（特別是大型部件）的維修市場已經基本為國外壟斷。

2.1 復合材料損傷和缺陷來源

一般按來源將復材失效分為缺陷和損傷。

缺陷是在生產制造過程中出現的先天性問題，其來源于制造時工藝水平不足，遵守工藝規格不嚴，質保質檢措施不力等因素。如材料預浸和結構件固化成形過程中產生的缺陷：空隙、富膠、貧膠外來物夾雜不正確的纖維取向和鋪層順序、板厚超差、角度超差、變形；以及結構件機械加工和裝配過程中產生的缺陷：劃傷、有缺陷孔和過緊連接等。 值得注意的是有些缺陷比如板厚超差是無法進行維修的，一旦顯露出來就只能報廢。

損傷是指裝配/使用過程中出現的后天性問題，包括使用階段損傷、環境性損傷和人為性損傷。根據國外大量的使用經驗，損傷中最主要的是沖擊損傷，其次是人為性損傷。使用階段損傷包括劃傷、擦傷、邊緣損傷，外來物沖擊引起的分層、脫膠、凹痕和穿透性損傷等；環境性損傷包括雷電沖擊引起的表面燒蝕和分層、冰凍/熔化引起的濕膨脹、熱沖擊造成的分層和脫膠、夾芯結構水分浸入引起的分層等；人為性損傷是指不良維護和乘客錯誤造成的損傷，比如粗暴的機務維修工作、工具設備和行李等的碰撞、乘客意外污染等。（為了方便敘述，下面將缺陷和損傷統稱為損傷。）

2.2 復合材料部件無損檢測

只要對復合材料部件進行定期檢測，及時發現可能的損傷，就能及時進行針對性修理，以延長部件壽命，節省飛機整體運行成本。

現在常用的檢測方法有：

（1）目視檢查法。用人的眼睛或與一些輔助設備，對飛機構件表面做直接觀察，發現構件表面損傷，并根據個人的技能和技術規范對損傷做出判斷和評價。適用于初步檢查；

（2）敲擊檢查法。通過敲擊表面，檢查和確定脫膠和分層范圍，適用于初步檢查；

（3）超聲波檢測法。利用超聲波穿透力較強，指向性好的特點可以對部件內部進行檢測，超聲波在傳播的路徑上，如果遇到細小的缺陷，如氣孔、裂紋等，就會在界面上發生反射，檢測者分析反射的聲束，便可以發現缺陷并確定缺陷的位置，但是其不適用于形狀復雜或表面粗糙部件的內部探傷檢測；

（4）X射線檢測法。當X 射線透過被檢工件時，有缺陷的部位，如氣孔、非金屬夾渣等和無缺陷部位的基體材料對X射線的吸收能力不同。以金屬為例，缺陷部位所含空氣、非金屬夾雜物對X射線的吸收能力遠遠低于金屬的吸收能力，這樣，通過有缺陷部位的射線強度高于無缺陷部位的射線強度。當用感光膠片來檢測射線強度時，在內部有缺陷的部位就會在感光膠片上留下黑度較大的影像。但是其無法檢測厚度較大部件，且成本過高，對人體有害。

隨著工業生產和科學技術的進步，無損檢測技術也得到飛速發展，不僅超聲、射線等傳統的檢測技術不斷改進，而且還產生了像激光全息干涉、激光超聲、紅外、聲發射、微波、磁記憶等眾多的無損檢測新方法、新技術。

實際進行檢測時，可先進行目視檢查和敲擊檢查確定大致位置，然后再進行內部的無損檢測。檢測所要完成的任務包括：找到損傷部位；評估損傷程度；若為結構件，還應根據檢測結果評估損傷應力。

2.3 復合材料部件修理

復合材料損傷和金屬有顯著不同，詳見表1，其修理方法特別是專業修理往往根據其加工工藝修改形成。

對航空復合材料部件的維修可分為現場應急/快速修理以及在工廠的完備技術條件下進行的專業修理，根據習慣將其分別稱為基層級修理和工廠級修理，這里我們主要討論工廠級修理。對維修的要求包括：

（1）滿足結構強度。穩定性要求，即恢復結構的承載能力，壓剪載荷下不失穩；

（2）滿足結構剛度要求，包括撓度變形、氣彈特性和載荷分布，以及傳力路線等；

（3）滿足耐久性要求，包括疲勞、腐蝕、環境影響等多方面問題；

（4）要恢復使用功能，包括燃油系統密封、雷擊防護等；

（5）修理后增重小，并注意質量平衡；

（6）氣動外形改變小，保證光滑平整；

（7）維修效率高，成本低。

比較常用的修理方法有膠接和鉚接兩種，維修時，主要根據部件的物理特性和維修要求進行選擇。

2.3.1 膠結修理

膠結修理方法的適用范圍很廣，從簡單的表面劃痕，缺陷處理到承力結構件的修理都能夠應用，這種方法的優點是引起的應力集中小，且對結構重量影響不大，根據是否使用補片，又可以分為無補片修理與補片式修理。

無補片修理通常是對損傷構件進行直接粘接或者是向其內部注射膠結劑/膠結混合物，具體實施方法為在損傷處鉆孔（注膠孔、通氣孔），鉆孔應深至損傷層，然后將膠/混合物注入直至膠從通氣孔溢出，最后對修補區加熱加壓，以形成整體。對于熱塑性復合材料，還可用熔接修補，利用其可溶性，對分層區進行加壓加熱，使復合材料發生熔化，從而完成修補。

補片式修理適用于承力結構件，分為外部補片修理和內部補片修理，外部補片適用于薄板修理，工藝簡單，在外場條件下即可進行，但修理后結構強度只能回復到70%。內嵌補片修理用于較厚的層壓板，工藝復雜，環境要求高，一般選用的補片材料為碳纖維環氧復合材料，實施時需要去除大量未損傷材料以獲得所需要的楔形，此外還要求鋪層的順序與原層板相同，這種修理方式的優點是偏心載荷小，修理效率高，氣動性好。

2.3.2 鉚接修理

鉚接修理適用于較厚的整體壁板，通常是使用膠結方法難以滿足強度要求的情況，其原理和膠結相同，只是把膠結變成了鉚接一塊補板，這樣修理后部件強度高，但會有很大的應力集中，且會對重量影響很大。

2.3.3 復合材料部件修理流程翼下整流罩壁板（172）修理

目前，修理程序通常采用十步法，如圖7所示（非結構件可不評估應力），舉例說明：

翼下整流罩壁板易被污染，出現嚴重的分層現象，針對此進行修理。

（1）將板豎直放置，用40℃～60℃的熱水清洗壁板，清洗時應防止熱水及油污進入壁板內表面。洗后用不起毛的布擦干，然后仍直立狀態放在通風干燥處晾干。

（2）通過目視及敲擊檢查，確定損傷區的范圍，并在部件上標記清楚。

（3）首先按標記線從油污嚴重的地方開始切除損傷或污染的內蒙皮，然后再除去受污染的蜂窩。在切除時盡量不損壞未損傷或污染的蒙皮和蜂窩；拐角盡可能平滑（半徑大）。

（4）除去余下的全部內蒙皮，盡可能不損壞蜂窩，然后消除全部廢物，確保除盡全部油跡和污染。

（5）用240目砂紙輕輕打磨保留下的蜂窩表面，除去毛刺。從內向外制備內蒙皮修理區的臺階。在不同的預浸料層片間做臺階時，要保證下面的鋪層不被損壞。再用320目砂紙打磨修理區表面，并用真空吸塵器清除壁板表面及蜂窩孔格內的碎屑和灰塵，然后用不起毛的布蘸少量丙酮輕輕擦拭膠接表面。

（6）將壁板直立放置于烘箱中。在80℃下至少干燥8h。

（7）根據損傷情況準備足夠的修理用材料：蜂窩芯、預浸料、膠膜、泡沫膠、TEDLAR膜。

（8）將保留下的壁板放入模具并固定。在蜂窩置換區內鋪1層膠膜，將準備好的蜂窩用泡沫膠包住側面周邊，按原來的類型和方向鋪放在蜂窩置換區內。在保留下的內蒙皮上鋪滿1層膠膜，然后按原有鋪層將準備好的預浸料進行層對層的置換鋪貼。最后在壁板全部內表面鋪滿1層TEDLAR膜作為防護層，蜂窩拼接縫上要放壓平板。

（9）做真空袋，按部件材料固化條件在熱壓罐中固化。

（10）檢查固化記錄并對壁板進行目視及敲擊檢查，以確定固化狀態良好，按需進行內部無損檢測。

3 結 論

復合材料在航空器上的應用，特別是民用航空器上的應用比例越來越大。我國在復材修理上的研究和應用主要體現在軍用航空器上，這就造成民用航空器復合材料部件（特別是大型部件）的維修市場已經基本為國外壟斷。復材失效分為缺陷和損傷，其修理方法特別是專業修理往往根據其加工工藝修改形成。比較常用的修理方法有膠接和鉚接兩種，維修時，主要根據部件的物理特性和維修要求進行選擇。對復合材料部件進行定期檢測，及時發現可能的損傷，就能及時進行針對性修理，以延長部件壽命，節省飛機整體運行成本。

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