淺談復合材料在飛機上的應用與修理

黎鼎鋒

【摘 要】近年來，我國在飛機結構方面的研制水平越來越高，在這個過程中，復合材料憑借著簡單的結構、較輕的重量、較長的使用壽命等優勢開始被廣泛應用在飛機結構上，給飛機的有效載荷提高與起飛重量增加提供了必要基礎條件。基于此，本文將主要分析復合材料在飛機上的應用與修理的相關內容。

【關鍵詞】復合材料；飛機；應用；修理

一、復合材料概述

1.基本分類

復合材料在本質上是一種混合物，近年來，它在各個領域都得到了廣泛應用，取代了很多傳統材料。一般來說，按照組成材料可以將其劃分成金屬和金屬復合材料、非金屬和金屬復合材料、非金屬和非金屬復合材料。按照它的結構特點又能夠分為以下幾種：第一，纖維增強復合材料。將各種纖維增強體置于基體材料內復合而成。如纖維增強塑料、纖維增強金屬等。第二，夾層復合材料。由性質不同的表面材料和芯材組合而成。通常面材強度高、薄；芯材質輕、強度低，但具有一定剛度和厚度。分為實心夾層和蜂窩夾層兩種。第三，細粒復合材料。將硬質細粒均勻分布于基體中，如彌散強化合金、金屬陶瓷等。第四，混雜復合材料。由兩種或兩種以上增強相材料混雜于一種基體相材料中構成。與普通單增強相復合材料比，其沖擊強度、疲勞強度和斷裂韌性顯著提高，并具有特殊的熱膨脹性能。

2.成型方法

復合材料的成型方法按基體材料不同各異。樹脂基復合材料的成型方法較多，有手糊成型、噴射成型、纖維纏繞成型、模壓成型、拉擠成型、RTM成型、熱壓罐成型、隔膜成型、遷移成型、反應注射成型、軟膜膨脹成型、沖壓成型等。金屬基復合材料成型方法分為固相成型法和液相成型法。前者是在低于基體熔點溫度下，通過施加壓力實現成型，包括擴散焊接、粉末冶金、熱軋、熱拔、熱等靜壓和爆炸焊接等。后者是將基體熔化后，充填到增強體材料中，包括傳統鑄造、真空吸鑄、真空反壓鑄造、擠壓鑄造及噴鑄等、陶瓷基復合材料的成型方法主要有固相燒結、化學氣相浸滲成型、化學氣相沉積成型等。

二、復合材料在飛機上的應用

1.在機體結構的應用

機體是典型的對重量敏感的結構，外形復雜且零件尺寸較大，適合復合材料在機體結構上的應用，提高機體的損傷容限，使飛機的操作更加安全可靠，滿足飛機的碰撞吸收能量和隱身結構的設計要求。早期復合材料主要用于天線罩，副翼，襟翼等次承力結構。而隨著復合材料技術的發展，飛機的機翼，尾翼，機身的主承力結構上復合材料的用量也大大增加。復合材料構件和鋁合金構件相比，在重量、可靠性、生產成本和維護方面都有良好的效益。如復合材料在閥體和尾鰭和尾梁構件中的應用，能夠有效的減輕重量和方便成型。

2.在旋翼槳葉的應用

通過早期對復合材料的嘗試性使用，發現了復合材料的突出優點，其優異的抗疲勞性、多路傳載緩慢的裂紋擴展、簡易的模壓成形工藝都在旋翼槳葉上得到了體現。符合材料的應用不僅提高了飛機運行的安全，還降低了槳葉的使用壽命，降低維修成本，增加了航空公司的經濟效益。通過專業人員對新翼型的研究，今年來我國研發了一系列新型飛機槳葉翼型。主要的特點是，翼型從對稱型變成了全彎曲、非對稱；槳尖形狀從矩形變成了后掠、尖削，改善了槳葉的載荷分布、振動、槳渦干擾和噪聲特性，并提高了旋翼的工作效率。設計人員還實現了槳葉性能和減振降噪的優化，并在運行過程中取得了顯著成效。

3.在槳轂的應用

槳轂的復合材料應用相對槳葉來說更加的困難。纖維纏繞環套式槳轂，能夠減輕槳轂的重量，提高安全性和可靠性。纖維纏繞內、外環式槳轂盤能夠進行多路傳載，不僅美觀還安全。球柔性鉸接式槳轂結構簡單緊湊，需要定期進行維護，成本低。整體式的槳轂/旋翼軸組件能較少飛機的當量廢阻面積和耗油量，新型復合材料槳轂的柔性梁變形槳葉的揮舞、變矩運動、擺振的無軸承槳轂結構，是旋翼技術領域的重大突破。

三、飛機復合材料結構修理

1.非補片式修理技術

（1）混合物填充法

混合填充法和注入法非常相似。主要的填料是樹脂混合物。然而，他們之間有很大的不同。該方法可修復小傷，可用于表面積和蜂窩夾層的修復。

（2）注射法

通常，當我們修復復合材料的小面積的脫膠和分層時，我們可以使用注入樹脂的方法。但是這種方法是否有效取決于在制造過程中還是在使用過程中產生缺陷。如果局部粘附壓力

造成的缺陷不夠，則必須去除表面的污染層，以保證一定程度的粘結強度。如果內部表面被污染，將很難修復，修復后的結果也不理想。但與上述不同的是，如果損壞是由于使用損壞造成的，它的表面沒有受到污染，也沒有吸水，那么就可以有效地進行粘結。但是，這種方法需要在注射孔的結構和孔外進行適當的排列。空氣的深度必須位于缺陷的位置，這樣就可以成功地將樹脂注入孔中。但這種方法的優點是，只要樹脂和纖維在樹脂層中固化，材料就不會被去除。

（3）抽釘法

抽釘法能有效的控制小損傷的擴大，在使用過程中加強分層區域或脫膠區的樹脂注射法和混合物填充，來保證外界傳載力的修復，目前已被廣泛運用到碳纖維的邊緣分層修理，并取得了良好效果。

（4）涂層法

當復合材料的表面顯現出問題時，為了保證材料的安全性和材料外部的穩定性，飛機研發人員會運用涂層法對表面密封層、防腐層、導電層進行修復。

2.補片式修理技術

選擇與母板材料相同的補片，外部一圈貼片焊接。最好的補片厚度應該是母板厚度的一半，在修復過程中，應根據粘結的方法對補片的厚度進行設置和調整，具體試驗表明，針對剛性材料的修理不能取得良好的效果，補片的粘結強度較低，因此在飛機運行和維護過程中經常出現問題。而膠粘劑的強度會影響膠粘劑界面的強度，應根據材料的性質選擇合適的膠粘劑進行修復。

（1）外搭接補片機械連接法

對于補片材料的選擇時具有很大的自主性的，在修補過程中并沒有嚴格的標準要求，可以選擇金屬板，也可以選擇一些復合材料面板，只要確保飛機材料中的問題得到有效解決即可。但是，在使用這種方法的時候應該充分考慮腐蝕問題。

（2）外搭接補片膠接法

在通過外搭接補片膠接法進行修復的過程中，最佳補片厚度應為母版厚度的一半，并根據母版厚度進行設定和調整，搭接長度要考慮到我國膠黏劑的使用性能。具體試驗表明，剛硬材料不能夠起到很好的效果，軟補片膠接強度低，在飛機運行維修過程中經常出現問題。膠粘劑的強度會影響膠接口的強度，要根據使用材料的性質進行修復。

（3）嵌入式補片修理法

這種方法是永久性的修理方法，在修理的過程中，挖去部分母體材料，并在預浸料補片后與母體材料再次膠接。在修復過程中使用這種方法，能夠避免因維修對機體產生影響，因此目前這種方法已經得到了大范圍的應用。

四、結束語

總之，在飛機制造的過程中，復合材料是一種非常理想的材料，近年來，其已經被廣泛使用在機翼、機身以及發動機部件中，逐漸成了現代機體結構中的重要組成部分。此外，各種程度和形式的損傷所需采用的維修護理技術是不完全一樣的，因此，相關人員應該加大對復合材料維修技術的研究力度。

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