民用飛機復材層壓板分層缺陷修理方法研究

朱宇

【摘 要】簡要介紹了國內外復合材料修理技術現狀，主要對機體復合材料制造缺陷修理進行研究，有針對性地提出了復合材料無損檢測方法，闡述了修理材料，修理方法以及固化方式等內容，并重點介紹了復合材料層壓板分層缺陷修理技術。旨在為民用飛機復材修理工藝的實施提供參考和借鑒。

【關鍵詞】復合材料;分層缺陷;修理

中圖分類號： TD453 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）01-0022-002

先進復合材料由于比強度高、比剛度大、可設計性、耐疲勞性能和抗腐蝕性能良好等優點，采用復合材料已越來越被在飛機上大量使用。在具有眾多優點的同時，復合材料結構也存在層間強度低、抗沖擊能力差、對濕熱環境和缺口敏感性強等缺點。因此，復合材料結構在制造過程中不可避免地會產生各種制造缺陷，典型的制造缺陷有孔隙，分層，脫膠，表面損傷，鉆孔錯誤等。按照當前制造驗收技術條件的要求，對于不可許用的缺陷，那么需要予以修理。國外民機進行了大量的分析和試驗驗證工作，對復合結構有明確的缺陷損傷評估與修理規定。總體來說，國外飛機的復合材料修理已經基本實現規范化。

1 復材修理簡介

層壓板的修理問題是復合材料結構修理問題中的基礎性研究課題。層壓板由兩層或兩層以上的浸有樹脂的纖維層或組織物經一定順序疊合、熱壓結合成的整體板。與金屬結構相比，復合材料會以多種損傷形式相繼交互出現，而且分散性大。復合材料的維修一般分為現場應急/快速修理以及在工廠進行的專業修理，維修的要求包括：滿足結構強度，結構剛度要求，耐久性要求等。

修理方法有膠接和鉚接兩種，維修時根據部件的物理特性和維修要求進行選擇。

1.1 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。主要分為挖補修理和注射修理兩種，將在第4節中進行詳細介紹。

1.2 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 缺陷檢測

缺陷通常是生產制造過程中產生的問題，是制件先天的問題，如分層、脫膠、壓陷、空隙、夾雜、富脂、貧脂、翹曲、鋪層方向不對、角度不準、次序不對、厚度超差等。其來源于未嚴格遵守工藝規范，質保、質檢措施不利等。有的缺陷能修，有的不能修。

在對結構進行損傷修復之前，應首先確定損傷或缺陷的類型，主要方法有目視、敲擊、射線、超聲和機械阻抗試驗等。

2.1 目視檢查

目視檢查是使用最廣泛的無損檢測方法。通常可觀察到的缺陷包括褪色（由過熱引起）、外來物、裂痕、裂紋、劃傷、砂眼、凹痕、起皮、凹坑、氣泡、疏松、富脂和貧脂區以及表面起皺。

2.2 敲擊法

敲擊法利用從10 ～20 Hz的聲波頻率，常用“硬幣敲擊法”檢查空隙或分層。當用硬幣或其他合適的物體敲擊時，敲擊聲響亮清晰表明膠接良好，而發悶的空聲表明有空隙或分層。能連續發出穩定敲擊頻率和敲擊力的自動聲響設備可用于該檢查方法。敲擊的聲音能顯示零件表面三到四層空洞、分層或脫膠。

2.3 超聲波

該方法是利用聲波能量的衰減進行缺陷檢查。分層、空穴、脫粘或其他結構變化均可引起衰減。這是最常用的首次檢查方法，要求接觸零件的兩面。超聲波發現變異的區域，但不能確定零件內部的位置深度，須使用另外方法來確定缺陷類型數量。超聲技術有穿透傳輸和脈沖反射兩種方法。常用的記錄和顯示方法有A掃描、B掃描和C掃描三種。

2.4 脈沖回波（PE）

脈沖回波檢驗用于層壓板結構。超聲波信號從后墻或層合板內不規則處反射，被表面傳感器接收。通過信號位置和振幅的改變表征材料的狀況。僅需接觸零件的一面，但對多孔的零件不適用。

2.5 共振傳感器膠粘測試儀

這種膠粘測試儀監測探頭接觸層壓板結構材料后其共振頻率發生變化。探頭下面的材料因分層或空隙導致的厚度、質量和剛度降低，探測器的共振頻率會變大。Bondascope 2100， Fokker Bondtester和Bondmaster是常用的儀器。適用于探測器下面有局部平坦區域的層壓板的分層和空隙檢查，對層壓板孔隙率脈沖回波法不適用時尤其有效，只需零件一個表面即可進行測試。

3 修理準備

3.1 確定修理尺寸

根據工程圖紙決定要去除的修理區域的每層鋪層的材料（規格，類型，種類，級別和成型方法等）。鋪層暴露面積是指為每層鋪層提供拼接的區域。鋪層暴露面積要求為：鋁箔和聚氟乙烯為0英寸;玻璃纖維鋪層，火焰噴涂和擴展箔約0.5英寸;碳纖維增強復合材料帶或織物約0.5英寸。

3.2 去除損傷

使用需求鋪層的錐形或階梯狀鋪層錯列排布，應用150目或更細的砂紙打磨。為了使鋪層更容易去除，在開始打磨之前，可以先切割鋪層大約0.5英寸，或者和在排布中每層鋪層重疊的量相同的距離，在每一層鋪層最終的錯列排布位置使用鋒利的刀具，限制打磨速度在20000轉/分以內。剝落每一層使下面一層暴露出來。

3.3 除水

檢查損傷區域是否有水進入，如圖1所示。

4 修理方法

由于復合材料的損傷形式、材料性能等與金屬結構顯著不同，導致復合材料的修理與金屬件有很大的區別，不能將傳統的結構修理方法直接應用于復合材料結構，必須根據其具體的損傷特點（如損傷程度、損傷部位、可修理性、修理技術的可行性、有效性以及經濟性等）采用不同的修理方法。層壓板結構目前的修理方法主要有樹脂注射修理和挖補修理。

4.1 挖補修理

挖補修理法通過去除損傷材料，并重新鋪貼鋸齒狀補片，以達到修復內部缺陷的目的。實驗證明，挖補修理法分為斜面補片修理法和臺階補片修理法，注意需要切割正確尺寸進行修補，補片太大容易形成褶皺，補片太小會形成間隙，影響外形和粘接效果。這種修理法的鋸齒狀補片可以防止鋪層剝離，實驗證明，這種修理方法可以全面恢復設計強度。

4.2 注射修理

樹脂通過邊緣或鉆孔/緊固孔注入損傷區域，將損傷區域重新黏結。注射修理法是復合材料特有的修理方法，它不同于任何形式的金屬修理，修理后對強度的影響可忽略。這種修理可以在場內，甚至外場設備條件下很方便的完成。由于是在常溫下注入并固化，要求所使用的材料為低黏度樹脂，確保樹脂在缺陷中的流動性，以填充整個缺陷。

5 固化方式

在完成上述修理后，需對修理部位進行固化。固化前，需要先進行裝袋;在固化完成后，還需要進行拆袋。

5.1 裝袋方式

根據固化類型的不同，有如下三類裝袋方式：

a）加熱墊固化鋪層的裝袋;

b）熱壓罐或烘箱固化鋪層的裝袋;

c）室溫固化或壓實鋪層的裝袋復合材料修理采用的四個固化等級。

5.2 固化過程

在零件放入熱壓罐、烘箱或加熱墊之前，一般需對裝袋進行抽真空，真空環境需保持到固化結束。不同的基體和固化材料有不同的固化溫度，在固化過程中，需要有熱電偶實時監測溫度，控制升溫速率、降溫速率和保溫時間，典型固化曲線圖2所示。

5.3 拆袋

a）零件固化完成后，需按以下步驟進行拆袋處理。

b）拆袋之前零件溫度要在150F之下

c）去除裝袋的材料和工裝的過程中不應對零件造成損傷。可能產生如下危害：

-去密封膠帶的時候，可能劃傷或割傷零件表面;

-當強行分離零件和工裝時，可能會造成修理層分層;

-在完全冷卻前從工裝中移出零件可能引起零件彎曲變形。

d）所有消耗材料的處置方法遵循相關處理方法。

6 結語

隨著復合材料制造技術的發展和應用范圍的不斷擴大，復合材料修理技術也將在完善現有技術的基礎上不斷汲取新技術，向優質、高效和低成本化的方向發展，修理材料和固化方式上的技術突破，復合材料修理必將走向低成本化。