航空復合材料結構修補技術與應用

劉健

摘 要：從上個世紀中葉為開始，復合材料就已經逐步人們的生活，并在越來越多的產業中得到了重視和發展，尤其是在航空航天產業中的應用最引人注目。因為過去應用于航天領域的金屬材料存在許多不足，而復合材料的出現則有效的彌補了這些不足，并在不少方面有所提升，尤其是在質量、耐磨性以及耐腐蝕性等方面。然而，復合材料的缺陷則在于其容易出現斷裂，因此便催生航空復合材料結構修補技術。在面對航天用結構復合材料制品出現難以避免的損傷時，為了恢復原結構的使用性能，減少材料浪費就需要航空復合材料結構修補技術。因此，復合材料的修補技術越來越引起工程技術人員的重視，國內外紛紛開展復合材料修補技術的研究。

關鍵詞：航空；復合材料；結構；修補技術

中圖分類號：TQ436.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）23-0056-02

1 概 述

復合材料修補的設計和可行性研究最早始于上個世紀70年代初葉。當時，美國和蘇聯的冷戰正處于關鍵時期，也是太空競賽的重要節點，因此，以英美為首的資本主義國家開始積極投入資源研究復合材料的修補技術，并且采取了積極而嚴密的保密機制。而我國的復合材料修補技術研究直到上個世紀的80年代中后期才開始籌建。在1989年，我國首次實現了對某飛機副油箱水平安定板支臂裂紋進行了以碳纖維復合材料為補片的外場修補，標志著我國航天材料修補技術及工藝應用開端。然而，我國在該項技術的研發上落后于發達國家太多，加上各國之間的技術交流缺乏有效的途徑，這使得我國的航空符合材料結構修補技術研究綜合水平不高。尤其是在某些特點材料結構的修補上缺乏足夠深入和系統的研究，其中的不足之處表現在多個方面，不僅僅是對該復合材料的研究和修補技術上，更表現在有限元模擬和工程應用技術儲備等方面。

因此，這也是本文介紹結構復合材料修補技術的初衷，希望可以有更多力量投入到在航空領域材料結構修補技術的研究和應用當中。

2 航空復合材料結構損傷及修補的分析

2.1 航空復合材料結構的損傷

復合材料在制造和應用的階段往往容易產生結構性的損傷，這主要是由于該類材料在物質組成和系統性能上具有一定的特殊性。然而，該類材料往往具有較高的物質成本，整個部件的置換往往需要耗費大量勞務成本和物質成本，因此，往往對航空復合材料的結構損傷采取修補的方式，使之再次投入使用。對于修補技術而言，首先便是需要對復合材料的損傷特點進行分析，并通過對其結構損傷詳情和材料組成差異性的分析，決定相應的修理工作。

具體而言，航空復合材料的結構損傷往往分為高速沖擊損傷與低速沖擊損傷兩個大的類別，其修補技術也需要根據這兩類損傷的不同具體確定。因為低速沖擊損傷所附帶的能量水平較低，所以其引發的復合材料內部結構的層間分離和集體裂紋，其材料結構表明并不會有太明顯的特征，但是這類損傷也會使得材料結構的強度大大減弱，無法繼續發揮使用性能。而高速沖擊損傷的表象則相對明確，因為具有大量的能力，而且相對集中，因此所造的破壞和易見性損傷都明顯，例如裂縫、空洞、斷裂等等。

2.2 航空復合材料結構的修補原則

2.2.1 基本的修補原則

航空復合材料的基本修補原則主要包括了便捷性、時效性、經濟效益以及使用性能的恢復等諸多方面。

具體來看，第一，需要修補之后的強度和硬度滿足使用要求，同時還需要保障材料在結構性上的完整，無論是承載狀況還是使用性能都能恢復到標準水平。第二，需要在修補的過程中要盡可能少影響機械整體結構、重量以及其他性能，控制在可接受的標準范圍內。第三，還需要材料表明的平整性、光潔度以及完備性，這主要是為了保障航空設備的外形不發生變化，減少對設備的啟動影響。第四，由于修補具有較強的操作性，同時不需要太多的器材和設備。第五，修補具有在經濟效益是符合標準的，需要保障成本是處于可接受的范圍內。

2.2.2 結構性修補的原則

對于從事修補的技術人員來說，除開對于基本修補原則的注重之外，還需要對結構性修補原則引起重視。首先，需要保障修補通道的預設置，方便今后檢修工作和強化工作的進行。其次，要對頻繁損壞的位置進行設計方案上的優化。最后，還需要強化對組合構件的設計和應用，降低單一項目修補所帶來的難度，及其對整體結構的影響。除此之外，還需要盡量減少對整體構建的置換和裝卸，進一步避免安裝所帶來的時間成本。

3 航空符合材料結構修補技術的分類

3.1 機械連接類

機械類的修補技術大多是通過焊接和鉚接來實現，通常而言，這類修補需要在所需修補的位置外表覆蓋補片，然后通過螺栓或鉚釘對補片進行固定。這樣一來，被損壞位置在經過修補之后有可以維系完整的載荷傳遞路線，滿足其原有的功能性需求，具有非常明顯的優勢，而且在操作上也相對簡單。同時這類修補技術也有效地避免在修補過程出現冷藏和加熱的需求，因此對輔助設備功能性要求較低。在最后階段的修補連接件處理上并不需要投入太多的技術施工，同時又滿足了效率和便捷性的需求，具有相對可靠的修補性能。然而，該類修補技術模式也存在一定的技術缺陷，尤其是連接孔的位置會出現應力過于集中的問題，需要引起高度的重視。

同時，這類機械連接修補技術還存在不少的問題需要解決。

①補片采用的材質（一般采用欽合金、鋁合金、不銹鋼等纖維復合材料）、厚薄以及形態；

②緊固件的材質（常用單面螺栓或抽芯鉚釘）和類型；

③緊固件的位置排布（間距一般為4～5D，孔邊距為3D，保持和鉚釘孔的間距）；

④科學的打孔技術；

⑤打孔對于整體結構的效果；

⑥緊固件的安裝、配置以及保存問題。

3.2 膠接類

膠接類修補技術可以直接從名稱進行理解，是指通過特殊的膠體將損壞位置與補片進行連接固定，以實現使用性能的恢復。膠接法的應用，使得損壞部位的修補模式有了更多的選擇空間和更強的可調節性，可以實現切除填補，這也使得膠接類修補法主要分為貼補、挖補等不同的類別。

首先是貼補修補，其本質是利用外部補片的膠接完成對損傷位置的修補，但是能夠用到貼補修補的損傷位置并不多，一般只能在平面損傷中進行修補，而且大多都是不會影響到整體氣動外形的部位。通常應用到貼補補片模式的材料也具有較多的選擇空間，除了可以選用鈦、鋁、不銹鋼等金屬材質之外，還可以直接運用碳/環氧、硼/環氧等類型的復合材料。然而事實上，對于這類外貼補片的材料選擇，往往會優先選用和母體材質相近的材料完成修補工作。

其次是固化完成的復合材料層板，鈦、鋁合金金屬材料。膠接修補模式可以有效減少在修補中所消耗的時間成本，并且對修補位置的氣動外形影響也相對較小。挖補修補，應用這類修補的主要原因是因為這類損傷部位需要進行高強度的清理，然后再由新材料進行填補。而這類修補技術也可以根據填充模式的不同進行劃分，主要是斜接填充和階梯填充兩大類。

以斜接填充法為例，主要是將損壞位置進行二次修整，保證其呈現斜面狀，然后采用新的材料進行補充，而對于基于膠接面的剪切則可以保證其勻稱性，同時避免載荷偏離、剝離應力過小的問題，所以修補效果更好，特別是關于厚層合板方面的修補完全可以忽略厚度因素，就可以保證修補位置表面恢復光潔。然而，相比貼補法的特點分析，這類修補模式往往對操作工藝具有較高的要求，而且會耗費較大的時間成本，還需要特別的操作環境和操作設備，因此，在一般的廠家并不容易開展。加上階梯修補本身與斜接修補就有不少的相似性，只是階梯修補需要將損壞位置修整為階梯型，再利用新選用的修補材料進行填充。然而，這類修補模式往往需要對修補工作的操作人員有較高的要求，不僅僅需要利用專業的設備，還需要高超的技術水平和嚴謹的工作態度。值得注意的是，這類修補模式需要對沒有損失的部位進行清除，因此會衍生出不少的風險。

3.3 其他修補類

對于航空復合材料而言，除了其本身材料構成上的特殊性之外，還有其所運用領域的特殊性，綜合下來，其易受損的狀況也比普通金屬材料要頻繁的多。因此，該類材料的修補模式也和其他傳統修補模式存在一定的差異性。

因此，除了前兩種常用的修補方法之外，我國在技術發展的過程中也涌現出了不少的新型修補模式。其中發展和應用狀況相對良好的主要是：電子束固化修補、光固化修補以及微波修復等等。這類修補模式往往具有相對較高的修補效率，通常適用于非補片式的修補需求，例如微波修補，則主要采用的是一種特殊的“膠接”方法，即在損壞地方加入微波吸收劑，然后強化該位置的磁導率，然后以特定的微波施加設備對修補位置導入微波，使之在較短的時間周期可以構建全新的高強度修復面，最終實現對于損傷位置的修補，恢復其使用性能。

4 結 語

隨著時代的發展，航空復合材料的應用領域和前景也得到了進一步的顯現，同時也催生航空復合材料結構修補產業和技術的發展和完善。然而，我國目前的航空符合材料及其修補的發展還相對較慢，與發達國家存在較大的差異。

因此，需要國家加大對航空復合材料結構修補技術的支持和引導，尤其是對教育產業的引導和扶持，讓更多的人可以有平臺接觸該知識，通過擴大教育基礎加大高級技術人才對該領域研究的深入，為我國航空復合材料修補技術的發展提供堅實的基礎。

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