西銳SR20飛機復合材料層合板修理技術的研究

王楠楠

摘要：以西銳SR20飛機機身復合材料為研究對象，對飛機復合材料層合板的應用現狀及修理的必要性進行了系統總結;同時對飛機復合材料層合板修理技術進行歸納，為SR20飛機復合材料層合板修理工作的開展和實施提供支持。

關鍵詞：飛機;復合材料;層合板;修理

序言

復合材料作為新型高性能材料，由于比強度高、密度小、可設計性強、耐腐蝕性能好等優(yōu)點，在現代飛機領域的應用范圍越來越廣泛。然而，在復合材料層合板制造和使用過程中常常會因各種原因出現分層損傷現象，分層不僅能引起層合板結構強度降低，而且在外力作用下，當分層區(qū)域在結構中擴展達到一定的規(guī)模，層合板會出現整體失效，為了對損傷后的復合材料層合板修理以達到結構使用的剛度以及承載能力的要求，對復合材料層合板的修理技術研究具有重大的實用價值[1]。

1飛機復合材料層合板的應用現狀及修理研究的必要性

1.1飛機復合材料層合板的應用現狀

層合板是目前復合材料應用最廣泛的結構形式之一，層合板由連續(xù)纖維增強樹脂單層根據需求采用不同的鋪設角度層合而成。因連續(xù)纖維具有優(yōu)良的剛度和強度性能，再加上基體材料的配合下展現出的優(yōu)良性能，復合材料層合板具有比強度高、可設計性強、耐腐蝕、抗疲勞、整體成型等優(yōu)點[2]。復合材料層合板雖然具有如此多的優(yōu)點，但長期以來，成本因素、制造技術等門檻限制了其廣泛應用。而隨著科技水平的提高和社會需求推動了新技術的發(fā)展，目前已開發(fā)了多種低成本制造技術。隨著制造技術的日臻成熟及航空航天等行業(yè)對材料需求的上升，從而導致了復合材料層合板代替了很多傳統的木材及金屬合金材料，使其得到了廣泛的應用。

1.2 飛機復合材料層合板修理研究的必要性[3]

雖然復合材料層合板有很多優(yōu)點，但同時存在缺點。復合材料層合板屬于脆性材料，應力重分配能力較差，當連續(xù)纖維被打斷后，勢必導致其承載能力的極大下降，因此復合材料層合板對孔洞敏感;層合板在厚度方向無纖維增強，層與層之間僅僅通過層間界面承受載荷，層間破壞導致層間分層，較大地降低了結構性能以及承載能力，對壓縮強度的影響比較明顯。

復合材料在生產和使用中會出現多種缺陷和損傷，具體形式如下：復合材料材料制備過程中，由于工藝過程控制不好、混入脫模劑、零件裝配不協調等因素，造成復合材料部件中含有氣泡、空隙、分層、脫粘等缺陷;在使用過程中，在層間應力、擠壓、超載、沖擊載荷作用下造成的內部分層損傷，且對于受沖擊的復合材料表面，損傷不明顯甚至完全目視不可檢，但零件內部已經產生嚴重的分層損傷;復合材料在使用過程中受到環(huán)境條件影響，如雨蝕，沙蝕，熱沖擊，雷擊等，也會形成分層、脫粘、表面氧化、腐蝕坑、邊緣損傷、表面鼓泡等缺陷和損傷。

由于復合材料層合板中缺陷和損傷的不可避免性，這勢必會影響飛機的出勤率和航線營運。一方面，隨著現代飛機復合材料結構應用比例的增大和現役采用復合材料飛機使用壽命的延長，將來復合材料結構飛機會面臨大量的修理任務;另一方面，現代飛機復合材料結構設計正朝著整體化的方向發(fā)展，直接更換受損復合材料結構件不再是一個經濟的選擇，復合材料結構的一體化趨勢也為修理提出很大的挑戰(zhàn)。因此，對于受損復合材料結構，為增強其安全性、可靠性，以及從經濟性和環(huán)保性的角度考慮，保證其在使用壽命期內的正常使用，恢復其使用功能和完整性，全面研究復合材料層合板修理技術是十分必要的。

2飛機復合材料層合板修理技術

飛機復合材料層合板的修理方法有許多種，其分類的方法也有多種，筆者對現有的修理方法進行概括分類，在實際的飛機復合材料層合板修理中修理方法分為：膠接修理（又分為貼補法、挖補法和注膠修理）、機械連接修理等幾大類。

2.1 膠接修理技術

膠接連接修理是指對一個構件因損壞斷裂成兩個部分或者原來膠接連接的構件之間出現脫膠損傷，通過膠粘劑，使之連接成一體，恢復其功能的修理方法。在進行膠接連接修理的過程中，需要重視補片的大小、補片的厚度、膠層的設計以及搭接的長度。在膠接連接過程中，膠接接頭部分會產生比較高的局部應力，在膠接部分應該增加膠層厚度，以降低該位置較高的剪應力，提高膠接連接的強度。

2.1.1 膠接貼補法

貼補法（分為單層貼補法和雙層貼補法）是將復合材料層合板貼補片固定在損傷結構上從而恢復結構強度和傳力路徑，首先針對飛機復合材料層合板膠結修補的結構特點和使用狀態(tài)進行分析，以得出最優(yōu)的復合材料補片的結構參數（補片的直徑和厚度）。貼補板修理方法是將最優(yōu)的復合材料補片的結構貼不到損傷部位，使損傷結構遭到破壞的載荷傳遞路線得以重新恢復。修理用的貼補板主要采用原則：與原結構相同鋪層順序的層合板;準備向同性鋪層的層合板，其厚度一般大于原損傷結構。貼補修理一般用于較薄結構或暫時性修理的試件，一般為臨時修理。

2.1.2 膠接挖補法

挖補法是將受損區(qū)域去除掉，采用濕鋪層或者預浸料實施鋪層修理，經封裝后，在室溫下或者加熱到某一溫度實施固化的修理。復合材料層合板結構的鋪層修理分為濕鋪層修理和預浸料修理兩類。

膠接挖補修理是一種永久性修理法，修理后結構強度恢復率高，表面具有良好的氣動性能。實際修理一般采用預浸料作為修理材料，當固化設備及材料缺少時，常采用濕鋪貼方式代替預浸料修理方式，配合使用熱補儀更有利于外場修理。修理后結構的承載能力是表征結構性能的關鍵因素。對復合材料膠接挖補修理的研究，在載荷形式上，多為靜力拉伸，在疲勞性能研究對象上，多為膠接接頭或三維簡化結構。

2.1.3 注膠修理技術

注膠修理是對層合板結構小面積的內部分層或脫膠損傷，采用注射的方法將滲透性和流動性好的低黏性樹脂注入到損傷區(qū)域，采用常溫固化或者加熱固化粘合的一種修理技術。在進行較小損傷修理過程中，注膠修理對于復合材料外層處理以及邊緣分層處理具有較好的應用效果，能夠實現對損傷區(qū)域的修理。

2.2 機械連接修理技術

機械連接修理是指在損傷結構的外部用螺栓或鉚釘固定一個外部補片，使損傷結構遭到破壞的載荷傳遞路線得以重新恢復的一種修理方法。此種修理技術具有操作簡便、性能可靠、抗剝離性能好、能傳遞大載荷等優(yōu)點。在結構上要鉆緊固件，緊固件孔會削弱結構強度并引起應力集中以及修理增加的重量為該種修理技術的缺點。在復合材料結構修理過程中，機械連接修理適用于被修理件較厚且對氣動外形要求不高的結構件以及外場快速修理的情況。

3 結束語

隨著飛機復合材料在航空領域廣泛的應用復合材料層合板結構修理工作越來越顯重要，針對我院西銳SR20飛機復合材料結構損傷的修理，對復合材料層合板結構修理的一些關鍵問題和共性問題進行了系統的研究和分析，為西銳SR20飛機復合材料層合板修理工作開展和實施奠定了基礎。

參考文獻：

[1]朱劍. 復合材料及其發(fā)展概況[J]. 科技資訊，2007.

[2]中國航空研究院. 復合材料結構設計手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001.

[3]虞浩清，劉愛平. 飛機復合材料結構修理[M].北京：中國民航出版社，2010