飛機(jī)復(fù)合材料損傷及修理技術(shù)淺析

鄭志偉

航空工業(yè)哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 黑龍江哈爾濱 150066

飛機(jī)所用復(fù)合材料如果出現(xiàn)脫膠、蜂窩夾芯板脫層、分層、表面氧化、表面鼓泡等損傷，會對飛機(jī)的正常飛行產(chǎn)生較大的影響，需要定期對復(fù)合材料部件進(jìn)行檢查，根據(jù)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)損傷特點(diǎn)及裂紋特性，按照相關(guān)修理原則對損傷和缺項(xiàng)進(jìn)行修復(fù)，才能確保飛機(jī)的運(yùn)行安全。本文對飛機(jī)復(fù)合材料損傷及修理技術(shù)進(jìn)行了分析探討[1]。

1 復(fù)合材料的特點(diǎn)

復(fù)合材料是通過復(fù)合工藝將有機(jī)高分子、無機(jī)非金屬或金屬等幾種不同材料組合而成的，既保留了原有組分材料的特性，又通過工藝組合將各組分材料的性能進(jìn)行互補(bǔ)，獲得比原組分材料更加優(yōu)越的性能。

1.1 質(zhì)量輕、強(qiáng)度高

飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)用的碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，相比金屬材料不易腐蝕，能增長零部件的使用周期，減少零件更換的成本，并且利于整個飛機(jī)減重和省油，飛機(jī)一個零件使用復(fù)合材料能減重20%左右，而且不會產(chǎn)生金屬疲勞，能提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。另外，使用復(fù)合材料能有效的減少連接部件，并且具有高比強(qiáng)高比模的顯著優(yōu)點(diǎn)，成為和鋁、鋼、鈦一樣經(jīng)常應(yīng)用的航空材料。隨著復(fù)合材料技術(shù)的不斷發(fā)展，在航空器應(yīng)用的越來越多。

1.2 抗疲勞性能高

對于拉伸或壓縮構(gòu)件，復(fù)合材料比強(qiáng)度高，比鋁制件高出30%左右，可以更好的承載各方面的荷載力。比如飛機(jī)副翼上表面受承載呈壓縮狀態(tài)，下表面呈拉伸狀態(tài)，在飛行中會出現(xiàn)承受拉力和壓力的交替，極易出現(xiàn)受力疲勞。副翼采用復(fù)合材料合板制作，因?yàn)殇亴愉伔虐凑展潭ǚ较颍@樣的結(jié)構(gòu)便于承受任何方向的荷載力，具有較高的抗疲勞性能。

1.3 減振性能高

復(fù)合材料具有較高的比摸量和自振頻率，復(fù)合材料的受力結(jié)構(gòu)自振頻率與其結(jié)構(gòu)材料比模量的平方根成正比，較高的自振頻率也使復(fù)合材料的吸振能力較強(qiáng)，防止飛機(jī)材料結(jié)構(gòu)在運(yùn)行狀態(tài)中出現(xiàn)共振，減少共振帶來的破壞。另外復(fù)合材料中也包含了高韌性的組分基體材料，抗震的阻尼特性較強(qiáng)。

1.4 斷裂安全性和耐高溫性能高

纖維復(fù)合材料含有大量的纖維，纖維具有很強(qiáng)的韌性將不同組分的材料粘合到一起，成為一個堅(jiān)固的整體結(jié)構(gòu)，既使結(jié)構(gòu)中存在少數(shù)纖維斷裂，其他纖維也會承接載荷，從而使結(jié)構(gòu)部件在短時間內(nèi)不會出現(xiàn)斷裂，斷裂的安全性能較高。

另外，復(fù)合材料的耐高溫性很強(qiáng)，能在飛機(jī)的燃燒室、燃燒室浮壁、渦輪外環(huán)、火焰穩(wěn)定器等中應(yīng)用。

2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷特點(diǎn)及裂紋特性

2.1 外部損傷

復(fù)合材料中基體材料性能極大影響了復(fù)合材料的工作性能，特別是當(dāng)其處于潮濕或高溫狀態(tài)時，基體材料的面內(nèi)壓縮、面內(nèi)剪切、對沖擊損傷的阻抗和其它層間特性對復(fù)合材料的整體性能影響較大。特別是符合材料受到外物沖擊會出現(xiàn)塑性變形，一定程度上吸收來自外界的沖擊力，但通常會出現(xiàn)材料基體的表面損傷、擦傷、裂紋等，一般不會影響到結(jié)構(gòu)的承載能力。

2.2 內(nèi)部損傷

當(dāng)復(fù)合材料的基體出現(xiàn)裂紋和纖維失效會產(chǎn)生分層，都是在復(fù)合材料鋪層內(nèi)部產(chǎn)生的，但是在外表面會顯現(xiàn)鋸齒狀損傷，有的從外觀看不到內(nèi)部的分層是否收到損傷，但在在受沖擊表面反側(cè)會有基體裂紋。有的較重時出現(xiàn)裂紋斷裂，受沖擊的表面可以看到分層，當(dāng)出現(xiàn)外部表面的裂紋時，有時結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外部表面所顯現(xiàn)的損傷。如果損傷再嚴(yán)重，當(dāng)出現(xiàn)貫穿性的裂紋和穿孔時，符合材料的整個厚度都受到損害，其穿孔的邊緣會呈現(xiàn)分層或較為尖銳的裂紋。

2.3 裂紋增長損傷

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)裂紋增長包含不增長、止裂增長和緩慢增長三種類型，三者損傷程度主要看止裂損傷尺寸的檢查和修理間隔時間。因?yàn)閺?fù)合材料損傷后裂紋擴(kuò)展與金屬結(jié)構(gòu)不同，損傷后的剩余強(qiáng)度也不相同，只有科學(xué)及時的控制復(fù)合材料的應(yīng)變，才能防止損傷出現(xiàn)擴(kuò)展。另外，需要注意的是，復(fù)合材料損傷后承載能力會迅速下降，金屬材料是隨著裂紋擴(kuò)展逐漸下降。所以一旦復(fù)合材料出現(xiàn)裂紋，必須及時進(jìn)行修理。

3 飛機(jī)復(fù)合材料損傷修理的重要性

飛機(jī)飛行過程中受到天氣以及氣流等變化的影響較大，特別是飛機(jī)部件本身的穩(wěn)定性直接影響其運(yùn)行安全，飛行過程中零部件出現(xiàn)故障會直接威脅生命和財(cái)產(chǎn)安全。對飛機(jī)零部件特別是對零部件的制造材料進(jìn)行定期檢查和保養(yǎng)，出現(xiàn)故障或隱患時及時進(jìn)行維修和保護(hù)，確保零部件始終處于一個良好的工作狀態(tài)。所以對于飛機(jī)復(fù)合材料損傷要堅(jiān)持安全第一和預(yù)防為主的維修原則，對有可能出現(xiàn)的安全隱患和故障都要積極排查和處理，加強(qiáng)飛機(jī)預(yù)防性維修與維護(hù)，規(guī)范飛機(jī)設(shè)備操作、使用，及時對飛機(jī)設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)、維護(hù)和改進(jìn)提升，確保最佳的運(yùn)行狀態(tài)，確保飛機(jī)運(yùn)行安全。

4 加強(qiáng)飛機(jī)復(fù)合材料的修復(fù)的有效措施

飛機(jī)復(fù)合材料的可靠性與環(huán)境、工作條件、運(yùn)行情況、維護(hù)保養(yǎng)以及自身的可靠性密切相關(guān)，因?yàn)轱w機(jī)部件精度很高，有很復(fù)雜的制造工藝，必須在良好的工作環(huán)境中才能確保良好的可靠性。要采用先進(jìn)的技術(shù)定期維護(hù)保養(yǎng)，最大程度的保證飛機(jī)運(yùn)行的安全性。

4.1 利用先進(jìn)的修復(fù)技術(shù)

一是使用機(jī)械連接修理，也就是將復(fù)合材料用連接物連接在受損部位，雖然能短時間內(nèi)進(jìn)行修復(fù)，但會破壞原有材料結(jié)構(gòu)，加速結(jié)構(gòu)破壞的程度。二是膠接修理法，當(dāng)前較為先進(jìn)，對復(fù)合材料破壞性小。三是貼補(bǔ)修理法，作為應(yīng)急使用的一種方法，通過在材料受損部位補(bǔ)貼材料，暫時修復(fù)受損部分，但不會持續(xù)較長時間，時間允許時需要進(jìn)行再次修復(fù)或更換新的材料[2]。

4.2 加強(qiáng)復(fù)合材料部件無損檢測

要加強(qiáng)對復(fù)合材料部件的定期檢測，及時發(fā)現(xiàn)損傷才能有針對性的修理，延長部件的壽命。當(dāng)前常用的無損檢測方法有目視檢查法、敲擊檢查法、超聲波檢測法、X射線檢測法等，隨著無損檢測技術(shù)的快速發(fā)展，超聲、射線等傳統(tǒng)檢測技術(shù)也日益的改進(jìn)和提升，探索應(yīng)用了激光全息干涉、激光超聲、紅外、聲發(fā)射、微波、磁記憶等諸多無損檢測的新工藝，能快速準(zhǔn)確的對復(fù)合材料受損部位進(jìn)行檢測，從而選擇指定科學(xué)的修復(fù)方法。

5 結(jié)語

飛機(jī)復(fù)合材料經(jīng)過長時間的飛行和磨損必然會受到不同程度的損傷，要根據(jù)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)損傷特點(diǎn)及裂紋特性，按照相關(guān)修理原則進(jìn)行修復(fù)，才能確保飛機(jī)的運(yùn)行安全。今后要加強(qiáng)飛機(jī)復(fù)合材料維修技術(shù)的研究和探索，切實(shí)提高飛機(jī)材料維修的質(zhì)量，改進(jìn)材料損傷修理的有效措施，提升維修能力，為飛機(jī)的安全運(yùn)行提供保障。