飛機蒙皮表面的預處理及涂裝研究

劉俊文，張 凈，李 瓊，吳群英，陳東琛

飛機是民航事業快速發展下人們外出選擇的重要交通工具，而飛機蒙皮位于飛機的最外層，直接和外界環境接觸，是決定飛機能夠安全飛行的核心因素。飛機蒙皮的作用是確保飛機的外部形狀，不會因為飛機的起飛或著陸等載荷因素的影響產生改變。對此飛機表面的蒙皮處理和涂裝工藝選擇將直接關系到飛機的使用性能，如何選擇具有裝飾性和保護性的涂層至關重要。

1 飛機蒙皮常見涂料

飛機發明之初，使用的蒙皮通常是紡織布：將布料包在飛機的木質或金屬結構上，再涂上防水隔氣的材料就算完成。這種簡陋的蒙皮很容易被環境影響，所以在一戰期間，各國都將注意力集中到了金屬材料蒙皮的研發和應用。到了二戰的時候，鋁合金蒙皮已經成為了戰機的主流配置。蒙皮處理需要用到各式各樣的涂料，常見的有。

1.1 硝基涂料

硝基涂料的主要材料是硝化棉，這也是早期飛機布蒙皮經常使用的涂料類型，涂層系統包括硝基清漆與各色硝基磁漆。當飛機的框架上蒙上棉布或亞麻布之后，表面無法作為飛機蒙皮，不過在覆蓋涂布之后，則表面棉布收縮，整個框架相對繃緊形成光滑表面，滿足飛機的空氣動力學性能要求，布的拉伸強度得到大幅提高。需要考慮的是，由于該涂層會在陽光的作用下容易出現變質，所以會選擇涂硝基涂料保護層來延長蒙皮的使用周期。該涂層系統的主要缺點在于大氣抗老化性能較差，且具有易燃性，可能對飛機產生安全隱患。

1.2 醇酸樹脂材料

醇酸樹脂材料包括多元醇、多元酸和脂肪酸等材料共同合成，脂肪酸組分可以劃分為兩種類型，一種是鋁蒙皮用醇酸涂料，其綜合性能比前文提到的硝基涂層效果更好，不過該涂層不適用于某些高速飛機。二是醇酸清漆，但該材料的使用頻率明顯下降，逐漸被聚氨酯涂料或丙烯酸涂料所取代。

1.3 丙烯酸

丙烯酸涂料的最大優勢在于具有穩定的保色性和保光性能，受到大氣當中紫外線的影響程度較低，且分子結構穩定，不容易產生分解或氧化。另外其干燥速度較快且施工簡單，維修過程當中的脫漆比較容易，這種涂料仍然是當前飛機蒙皮涂料的常見選擇。

1.4 環氧樹脂涂料

飛機表面的蒙皮涂層不僅可以作為裝飾材料，同時還是延長飛機使用周期的結構材料，如果蒙皮涂層和機身的粘結力較差，就會因為溫度變化或氣流沖擊導致涂層脫落。環氧樹脂涂料的附著力良好，且不會受到化學藥品或容器的腐蝕，作為底漆被廣泛應用于當前的飛機之上。早在20世紀70年代，美國公司就研制了飛機蒙皮涂料，并選擇環氧樹脂作為基體，與聚氨酯類面漆相互匹配形成蒙皮涂層，在各種環境下都不會產生破裂或起皮現象，解決了長期以來的粘接難題。雙組分環氧聚酰胺底漆的性能與瓷漆配套性更加出色，常溫條件下能完成固化，在航空工業領域可得到廣泛應用。

2 飛機鋁蒙皮表面預處理

2.1 電化學陽極氧化法

鋁是一種比較活潑的銀白色光澤金屬，相對密度2.70。所以會在純鋁當中加入某些其他金屬，讓其成為鋁合金之后提升機械強度，鋁合金在航空工業上也得到了比較普遍的應用。具體來看，純鋁在常溫的空氣當中會與氧氣發生作用，從而在表面生成一層薄薄的致密氧化膜，該氧化膜厚度較薄，但卻能夠隔絕氧氣和內部鋁之間的互相作用，起到一定的保護功能。所以純鋁在空氣當中的穩定性和耐腐蝕性普遍良好，如果在其中加入銅或鋅等元素時，鋁合金的機械強度會有大幅提升。不過需注意的是，加入其他元素后，鋁合金本身的耐腐蝕性能會相對下降，需要對鋁合金表面進行化學處理后，才能保障涂層接觸面積和抗腐蝕性能進一步提升表面涂層的附著能力。這樣一來才能讓涂層牢固附著在鋁合金的蒙皮表面。

當前比較常見的蒙皮表面處理方法當中，電化學陽極氧化法是相對穩定且應用普遍的方法，其原理是將鋁板掛在陽極化槽中，接通陽極和陰極，讓電極產生電化學反應，生成表面的氧化膜。氧化膜生成過程當中一方面能夠生成三氧化二鋁，另一方面氧化膜本身會產生溶解，但只需氧化膜生成速度大于溶解速度，氧化膜就可以具有厚度。氧化環節當中，氧化膜和電鍍鍍層存在一定的差異，從金屬表面向外生長，并且具有良好的吸附能力，與漆膜的附著非常穩定。不過當氧化膜的放置時間過長時，氧化膜本身存在的孔隙會被灰塵和其他污染物所堵塞，此時漆膜的附著力大幅下降。氧化膜作為不導電絕緣層和耐熱保護層，其導熱系數要低于金屬。常見的陽極氧化法電解液包括硫酸、磷酸等不同類型，并且會因為電解液的不同來區分陽極氧化法，例如硫酸陽極氧化法或磷酸陽極氧化氧化法等，整個實驗階段要考慮到電解液溫度或電流密度等相關參數對氧化膜質量產生的影響。

2.2 化學氧化法

化學氧化法的直接優勢在于工藝簡單且成本較低，與電化學方法相比，并不需要通過電流來輔助。但該方法所生成的氧化膜的膜層厚度大約只有0.5μm～3μm左右，且膜層質地較軟，耐磨性不足，在遇到比較嚴重的腐蝕或觸碰時無法單獨使用。不過化學氧化法所生成的氧化膜在物理吸附能力上非常出色，能夠作為良好的底涂層，對鋁合金材料的疲勞性影響較小，且操作更加簡單，只需要在表面涂漆之后就能投入使用。陽極氧化法和化學氧化法方法的技術特性比較主要體現在初始附著力、腐蝕后附著力、耐潮后附著力以及脫漆性。陽極氧化法在初始附著力表現中磷酸陽極化法性能較好，硫酸陽極化法性能中等，腐蝕后附著力比較好，耐潮后附著力表現中磷酸陽極化法耐潮后附著力好，硫酸陽極化法耐潮后附著力較差；與之相比較的化學氧化法，這些表現都較好，在脫漆性這塊陽極氧化法和化學氧化法表現都比較差。

2.3 磷化底漆法

磷化底漆法的技術核心是在鋁合金表面涂上一層磷化底漆，形成漆膜，雖然磷化底漆本身不能起到底漆作用，但對于某些無法開展陽極化法或化學氧化法的設備工件而言，磷化底漆法的應用效果更加穩定。例如陽極氧化法只在陽極化槽中展開操作，所以只能對某些小工件進行處理；而化學氧化法則可以采取噴淋或刷涂方法，在某些大工件甚至整架飛機的鋁蒙皮表面展開技術處理。在具體的操作階段，會讓磷酸和金屬鋁進行結合，使得涂膜具有抗腐蝕能力。從磷化底漆和化學氧化膜本身的性能差異來看，兩者都具有良好的抗絲狀腐蝕性和對金屬附著能力，但化學處理膜的抗壓液油性非常出色，磷化底漆膜的抗液壓油性則相對較差。在脫漆性方面，化學處理膜性能較差，而磷化底漆膜脫漆性能良好。整個施工性能方面，磷化底漆法比化學氧化法更加穩定，特別是在某些飛機需要返修時，很容易將舊涂層全部去除，節省維修時間。磷化底漆膜與化學處理膜工藝特性兩者有差異，施工時間上磷化底漆膜施工時間較短，化學處理膜施工時間就比較長。施工后磷化底漆膜需要利用溶劑簡單擦拭，然后在空氣中干燥，而化學處理膜需清除表面存在的氧化物之后用水沖洗。磷化底漆膜不需要技術處理，化學處理膜需要廢水需回收循環。磷化底漆膜使用時需要干燥兩小時后可進行噴漆，化學處理膜干燥時間約為24h。在脫漆性能方面，磷化底漆膜比較容易脫漆，而化學處理膜相對難脫漆。

3 飛機復合材料蒙皮表面處理

近年來我國航空事業的快速發展使得很多高性能的復合材料被廣泛應用于飛機的蒙皮過程當中，例如無線電天線罩或復合機翼材料等，這些材料的性能優秀，能夠耐高溫且耐腐蝕，強度非常高。好以碳纖維為例，碳纖維是由含碳量比較高，并且在熱處理過程當中不產生明確熔融現象的人造化學纖維處理而成，這些材料的密度較小且強度穩定，在飛機結構材料當中被大規模應用。但考慮到復合材料本身會有老化和屏蔽率降低的缺陷，復合材料表面的涂層體系和預處理非常重要，以機械打磨或手工打磨去除脫膜劑之后，利用溶劑清洗，最終形成表面保護層。

3.1 鋁蒙皮表面涂層

鋁蒙皮要想具有良好的抗腐蝕性能，就需要選擇合適的涂料，一般情況下國內經常使用的涂料類型包括環氧材料或聚氨酯材料。其中環氧聚酰胺底漆對于各種液體介質的耐受性能良好，即便對于潮濕環境也有穩定的抗腐蝕性能和機械性能，對不同類型的氧化膜具備良好的附著力。在相應的大氣環境之下，聚氨酯底漆的性能可滿足相應的技術標準。在其他類型的材料當中，環氧材料和丙烯酸材料也有涉及，在抗氧化性和耐磨性方面各有差異。現階段世界范圍內的飛機制造公司會根據實際要求來選擇不同的涂層體系，例如空客公司所選擇的涂層體系包括磷化底漆和聚氨酯面漆，波音公司則選擇了聚氨酯面漆和環氧聚酰胺底漆，典型的涂層體系：面漆、底漆、陽極氧化膜、鋁板。

其中氧化膜類型包括磷化底漆或陽極氧化膜，底漆類型包括環氧聚酰胺底漆或聚氨酯底漆，面漆則以聚氨酯面漆為主。不同的體系只是在所使用的原材料上有所區別，但只要能夠基于材料標準要求滿足飛機的使用特性，就可以發揮良好的保護性能。

3.2 復合材料涂層

復合材料表面的防護涂層相對而言比較特殊，因為與鋁合金蒙皮相比，表面并沒有金屬成分存在，因此并不用考慮金屬腐蝕問題。但是復合材料自身對水比較敏感，復合材料的強度在吸水之后會顯著下降，因此底漆層應具有致密性和防水性，避免水分滲透。而飛機在飛行過程當中受到輻射和溫度的影響比較明顯，高速飛行狀態下會遇到氣流沖擊，因此復合材料表面的涂層要有良好的耐磨性和耐溫性。例如我們經常選擇交聯密度較高的聚氨酯底漆，然后在底漆表面涂上一層聚酯膩子填充孔隙，這層膩子和聚氨酯底漆的附著力非常好，柔韌性和彈性形變，效果出眾，在復合材料表面的填充性穩定，整體體系：面漆、底漆、彈性膩子、底漆、復合材料。

4 飛機蒙皮損傷處理

我們常看到的飛機只是飛機的外表，也就是蒙皮機翼整流罩起落架等，而飛機內部則是非常復雜的結構。而組成飛機機身和機翼還有安定面的飛機承力的結構除了看得見的蒙皮之外，還有隔框，長桁，梁，各種支架等等…而這些結構也只有在拆開客艙裝飾板或者打開貨倉地板等才能看到。飛機上一個刮痕，凹坑，凸起，掉漆，鼓包，裂紋等都要第一時間引起重視，會被各種檢查，測量，探傷，評估等對待。如何才能及時發現蒙皮損傷，需要用到一些檢測方法。

4.1 蒙皮損傷與檢測

飛機蒙皮損傷指的是飛機蒙皮受到機艙加壓過程當中產生的張力或是機艙本身的重力影響產生無法避免的損傷和缺陷，此外制造飛機的金屬或其他復合材料也有可能產生冶金缺陷或加工工藝缺陷。例如因為操作環境影響所導致的飛行疲勞損傷和結構裂紋等都會讓飛機無法滿足預期的性能要求，不僅會影響到蒙皮結構，甚至直接導致強度或剛度下降，影響飛機安全。按照蒙皮損傷的形成原因，可劃分為非正常使用或維護產生的損傷、交變載荷造成的損傷和環境損傷等方面。非正常使用產生的損傷，是指飛機在起飛和降落的過程當中產生過大的使用載荷，引起結構損傷；在使用期間產生的強度問題，大多是由于交變載荷引起的疲勞損傷；而飛行期間的特殊環境也是讓結構腐蝕和零部件摩擦磨損產生損傷的主要原因。

以常見的裂紋為例，飛機蒙皮出現膨脹或收縮現象之后，重復的載荷會改變蒙皮原始受力狀態產生小裂紋，一旦蒙皮被劃傷，受到腐蝕的可能性較高。因為空氣當中本身含有二氧化硫等氣體，使得飛機在飛行過程中會在電流作用下產生化學反應。對于復合材料而言，蒙皮和次級結構之間會出現脫粘現象，這種現象用肉眼很難觀察，會存在較大的風險。蒙皮分層和壓力變化等因素也會讓結構密封性受到損害。

當前對于此類損害的主要技術措施是采取無損檢測方法，常見的無損檢測方法有：第一種超聲檢測，主要應用于焊接件與非金屬材料，可以快速定位缺陷部位，但是檢測周期較長；第二種磁粉檢測，主要用于表面缺陷的材料，靈敏度出色且操作簡便，結果穩定，但是定量測定缺陷難度較大；第三種射線檢測，主要用于焊接件與非金屬材料、焊接件與非金屬材料，能快速定位缺陷部位，保留長期結果，但是射線具有一定的損傷性；第四種滲透檢測，主要應用于表面開口缺陷的材料，靈敏度高，但是工藝程序相對復雜。

除去此類檢測方法之外，紅外檢測在近年來的蒙皮損傷和蒙皮預處理階段發揮了良好的作用，主要針對某些金屬材料或非金屬材料進行大面積的檢測。例如使用紅外圖像采集飛機蒙皮的表面狀態，就可以確定后續工作當中是否要重新進行表面處理和涂裝。

4.2 紅外圖像采集

紅外圖像采集的主要原理是對被測物體的溫度進行控制，如果被測物體溫度達到比絕對零度更高時，就會產生熱輻射，這些熱輻射和轉換為圖像，將物體表面的溫度變化信息轉變為圖像信息，用以判斷物體產生的溫度變化和內部特征狀態。目前的紅外檢測技術包括被動式和主動式兩種類型，其中被動式檢測主要通過對物體本身的溫度場變化進行檢測來得到結果，但主動式檢測技術能夠人為添加基地產生溫度場變化信息，用于檢測物體內部狀態。綜合來看，紅外熱成像檢測是一種主動式檢測技術，來讓內部的缺陷和損傷，以表面溫度變化的形式來呈現，并且借助計算機軟件對圖像處理之后，實現被測物體內部缺陷的定位和分析，例如借助仿真手段和試驗手段來對飛機蒙皮展開檢測后，可以對飛機蒙皮的紅外圖像信息進行提取，準確識別定位蒙皮損傷的特征基礎。

5 結語

飛機蒙皮是指包圍在飛機骨架結構外的維形部件，可以看作是飛機的“皮膚”，是飛機氣動結構的重要部分，飛機蒙皮表面處理之后，不僅能具有裝飾性能，同時擁有耐介質性能與防護作用。為了確保飛機的安全飛行，避免飛機損傷，需要對蒙皮進行綜合研究，并開展相應的預處理、涂裝和檢測工作。隨著未來飛機品種和蒙皮材料的改變，飛機的蒙皮涂裝工作也將新的要求。各個材料在經過檢測之后如果性能優異，就能較好滿足飛機的蒙皮涂層需求，給飛機的安全運行提供技術保障。飛機的蒙皮需時時注意損傷修理，蒙皮破損會導致飛機良好的氣動性能被破壞，損傷部位強度下降，以至于危及飛行安全。對于出現破損凹陷的蒙皮部位要及時更換修補。除此之外，飛機蒙皮還會受到腐蝕損傷，需要在外涂上保護層，必要時還會采用金屬涂鍍層、表面處理以及陰極保護等專業技術進行腐蝕防護。