飛機復合材料損傷檢查及維修技術研究

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.043

摘" 要：隨著現代航空業的迅猛發展，復合材料在飛機結構中的占比愈來愈大。該文概述飛機復合材料在飛機結構上的應用、缺陷及損傷種類、檢測方法、修理容限和維修技術等內容，重點介紹復合材料的機械連接修理技術實踐過程。

關鍵詞：飛機復合材料結構；損傷檢查；修理容限；維修技術；機械連接

中圖分類號：TB33 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）32-0173-04

Abstract： With the rapid development of modern aviation industry， the proportion of composite materials in aircraft structures is increasing. This paperprovides an overview of the main content of aircraft composite material mechanical connection repair technology， including the application of composite materials in aircraft structures， types of defects and damages， detection methods， repair tolerance， maintenance technology， etc.， with a focus on the mechanical connection repair technology and practical process of composite materials.

Keywords： aircraft composite structure; damage inspection; repair tolerance; maintenance techniques; mechanical connection

復合材料一般是由基體和增強纖維過復合工藝組合構成的一種新型材料。先進復合材料具有質輕、高強度、高模量、抗疲勞、耐腐蝕、可設計、成型工藝性好和成本低等特點，是理想的航空結構材料。現代大型民航飛機復合材料用量均已達到全機重量的一半以上。本文通過對飛機結構復合材料的損傷檢查和維修實踐，旨在探索飛機先進復合材料的維修技術，為保證航空安全和降低航空運營成本提供幫助。

1" 復合材料在飛機上的應用

先進復合材料正在逐步成為現代飛機的主要結構材料。如B787飛機和A350飛機復合材料用量均已達到全機重量的一半以上；而且A350飛機已將復合材料用于承力等關鍵部件。

碳纖維復合材料的比強度高，使用碳纖維復合材料可以減輕飛機的重量，可以大大提高燃油效率；碳纖維復合材料性有助于減少飛機零件數量，從而提升飛機的可靠性。

自從20世紀70年代美國首先在飛機水平尾翼上采用復合材料后，復合材料不僅用于垂直安定面、水平安定面及前機身等飛機結構件，而且還應用于飛機機翼、機身等承力及關鍵部件。飛機復合材料的增強纖維也由玻璃纖維發展到凱夫拉纖維、硼纖維、碳纖維，其中碳纖維因其具有產量高、性能好、纖維類型規格多和成本低經濟實惠等特點應用最為廣泛。

復合材料結構在飛機中的應用主要分為次要結構、主要結構、關鍵結構3類。其中次要結構是指不參與主要承力或者傳力的部件，但如果損傷會明顯降低氣動性能，如裝飾板、整流罩、發動機短艙等。主要結構是指不參與主要承力或者傳力的飛行控制面，但如果破損則會影響飛行操縱。如襟翼、擾流板、升降舵和方向舵等。關鍵結構是指承受和傳遞飛行載荷、地面載荷、增壓載荷的飛機零部件，如機身機翼的蒙皮、隔框、前后梁和桁條等。

2" 復合材料的缺陷及損傷

復合材料常見的缺陷有脫膠、夾雜、鋪層順序錯誤、鋪層角度和厚度超差等，缺陷常常產生于復合材料的制造過程中。只有脫膠、夾雜等缺陷才可以進行修理。與金屬材料一樣，飛機復合材料常見的損傷有表面劃傷、孔邊分層（起絨）、雷擊損傷等，損傷主要產生于零件的生產和使用過程中。另外，復合材料還有分層（脫膠）、樹脂瑕疵和蜂窩積水3種特有的損傷，這3種損傷最終都會導致分層，分層在剪應力和壓應力作用下，就會導致載荷傳遞錯誤，引起結構破壞。一般來講，損傷可以被修理，但缺陷不能。

3" 復合材料的損傷檢查

復合材料損傷的常見檢查方式有感官檢查和儀器儀表檢測兩大類型。

3.1" 感官檢測

感官檢測是利用人的視覺和聽覺器官判別復合材料的損傷情況，感官檢查對人的經驗和水平依賴度較大。感官檢查主要包括目視檢測和敲擊檢測2種方式。

目視檢測主要依賴人的眼睛觀察復合材料內外表面，以確定是否有變形、變色、裂紋及緊固件松動等情況，絕大多數情況下還需借助放大鏡和工業內窺鏡等儀器。

敲擊檢測主要是利用工具敲擊工件表面，通過辨別回聲的變化來確定損傷出現的位置及大小。敲擊檢測有人工手動敲擊檢測和設備自動敲擊檢測。人工手動敲擊就是借助敲擊棒、硬幣或者敲擊錘等對工件進行敲擊，人工手動敲擊的幅度、路線形狀、頻率完全由人掌握，操作人根據自己的經驗和水平判定工件損傷的位置、范圍和損傷程度；設備自動敲擊是利用專用設備進行自動敲擊并采集回聲來判定損傷情況。常見的專用工具有WP-632電子敲擊檢測儀和Airbus公司推薦的PN98A57103013自動敲擊檢測工具。

敲擊檢測有一定的應用條件：工件尺寸等于和大于25 mm的夾層結構；纖維層層數要求不多于3層的纖維蒙皮結構。另外，敲擊檢測要求相鄰敲擊點間隔不超過10 mm，并且按照如圖1所示的路線進行，其中，修理前檢測采用矩形路線，修理后檢測采用環形路線。

3.2" 儀器儀表檢測

儀器儀表檢測主要包括超聲波檢測、X射線檢測、紅外熱成像檢測等。

超聲波檢測法最為常用的是脈沖超聲波檢測。脈沖超聲波是利用探頭發射和接收反射回來的脈沖信號，根據反射信號及其到達探頭的時間判斷工件內部是否有缺陷及缺陷的相對位置。

X射線檢測是利用射線穿過復合材料結構中積水區域時感光量不同引起的照片顏色深淺不同，來判定損傷的位置和大小。目前，X射線檢查主要用于檢查波音757擾流板積水。X射線對人體有害，檢查時必須按照規定做好防護。

紅外熱成像檢測是根據復合材料各部分發射的紅外線在紅外相機上顯示的亮度的不同信息，來確定損傷的部位和大小。在相同的外界條件下水升溫（降溫）最慢，因此，假若復合材料夾層若有積水，則該區域紅外相機上的亮度暗淡。例如，某架波音飛機氣象雷達顯示異常，飛機降落后立即進行紅外照相檢測，結果發現是由雷達罩積水造成。

4" 復合材料修理技術

4.1" 修理容限與修理范圍的確定

修理容限是評估復合材料中缺陷和損傷是否具有修理的必要，是否能夠修理的2個界限。修理容限示意如圖2所示。

由圖2可知，損傷位于“修理范圍”左邊區域，因其損傷小而沒有必要修理，如飛機規定“分層面積小于圓面積，表面壓痕小于0.4 mm”時不必修理；損傷位于“修理范圍”右邊的區域，因其損傷較為嚴重，通過修理無法恢復結構的功能或者是由于修理費用太高，不如更換零件更加經濟。

4.2" 修理方法

4.2.1" 機械連接修理

機械連接修理是用補片（復合材料層壓板或金屬板料）覆蓋住復合材料零件損傷或缺陷區，補片與母材大多采用拆卸或不可拆卸連接，如圖3所示。

機械連接修理適用于外場修理，所需工具簡單，開敞性好，工藝性好。缺點是需要在母體結構鉆孔用于連接，相當于引入了新的損傷；無法修理復雜的飛機結構；由于采用了補片，可能影響氣動外形和增加飛機重量。

4.2.2" 膠接修理

膠接修理有貼補法（圖4）、挖補法（圖5）、注射法（圖6）。貼補法是在損傷或缺陷區表面用膠黏劑貼上一層復合材料補片以達到加強作用。挖補法是通過挖掉損傷區域的材料，然后利用新的增強纖維、膠黏劑對挖補區域進行鋪貼和固化。注射法是注射工具將樹脂注射到零件脫黏和分層部位的修理方法。

5" 復合材料機械連接修理實踐

5.1" 復合材料加工方法及其難點

復合材料的切削過程是通過“折斷”去除多余的復合材料，在加工過程中常常切斷環氧樹脂和纖維材料。要針對每一種新的復合材料的特性研究其新的加工工藝。

碳纖維復合材料中增強纖維硬度大，脆性強抗，鉆孔過程中的鉆頭磨損很快；導熱能力差（導熱系數僅為奧氏體不銹鋼的1/5～1/10），鉆孔時容易產生材料燒蝕；復合材料大多采用纖維鋪貼成型，層間強度低，切割和制孔時容易產生分層、撕裂等缺陷，鉆孔處的應力集中較大，極易引起撕裂、毛邊等缺陷，倒角處理要求較高，倒角半徑不小于20 mm；鉆孔時產生的粉塵對人體有傷害，同時，碳纖維粉塵的導電性容易進入電器設備內部使其損壞。

凱夫拉增強纖維復合材料除了存在層間強度低、易分層的特點外，還具有纖維韌性和抗拉強度高、纖維與基體的黏接強度遠低于纖維的抗拉伸強度等特點。除了切割制孔容易產生分層外，還極易產生抽絲、拉毛、出入口材料隆起、孔表面粗糙和尺寸收縮等加工缺陷，影響材料的連接強度。凱夫拉纖維復合材料切割、制孔極易出現黏刀（鉆）等現象。

因此，復合材料機械連接修理的重點和難點就是要針對每一種材料重新評估加工方法、刀具、工裝，并通過經濟核算找出最有利的工藝方案。

復合材料的機械加工主要是制孔和切割。常用的制孔方法有鉆孔、沖孔和振動沖孔。切割方法有金鋼砂輪切割、高壓水切割。

5.2" 制孔

5.2.1" 鉆孔

復合材料鉆孔時，在孔出入口處材料可能裂開、甚至裂成幾層（分層），起絨，影響表面質量，要達到合格的表面粗糙度，既要求操作人員有穩定過硬的技術能力，又要求有較高的風鉆轉速。另外，鉆孔的工藝性差，刀具磨損快，對刀具的硬度和抗彎強度要求高，且碳粉塵極易使電器設備短路。鉆孔的優點是設備簡單，成本低，宜用于不開敞地方。

加工碳纖維增強復合材料，風鉆轉速要求控制在：進給速度為900～2 700 r/min，不能過大，也不能過小。過大則會引起分層、起絨，過小則易使材料燒焦。刀具的材料一般選用鎢-鈷類硬質合金。鉆制孔徑10 mm以上的孔時，要求使用鋼基電鍍金剛石鉆頭。針對材料燒傷問題，在控制合理的進給速度的同時，可以采用專用直刃鉆鉸復合鉆，鉆孔過程加入冷卻液等辦法解決。粉塵問題可以使用帶有吸塵功能的鉆孔工具，將鉆孔所產生的粉塵吸入到吸塵器中。解決分層問題主要還是控制進給速度和采用高速鉆的方法。碳纖維復合材料加工中最常見的故障是撕裂和毛邊缺陷，其原因是鉆刃鋒利度不夠，增強碳纖維沒有被完全切斷造成的。因此解決此類缺陷的有效辦法就是采用氣相沉積金剛石鍍膜（CVD）或聚晶金剛石鍍膜（PCD）硬質合金刀具進行鉆削加工。另外手工鉆孔時提高孔質量的方法還有采用分步鉆孔的工藝方法、使用垂直器或鉆模板及選擇正確的鉆孔方向等。

與碳纖維復合材料一樣，凱夫拉增強纖維復合材料除了具有各向異性，纖維拉伸強度高、韌性大、層間剪切強度低等性能特點外，還具有增強纖維和樹脂的熱膨脹系數差距很大等特點。因此，鉆孔時易于使鉆削范圍內的纖維與基體界面產生熱應力，使基體材料（樹脂）熔化粘在鉆頭切削刃上，導致鉆孔排屑困難。因此，凱夫拉增強纖維復合材料鉆孔常采用專用鉆孔夾具進行。圖7所示的凱夫拉增強纖維復合材料鉆孔夾具通過給材料鉆削區及周圍施加一定的預壓力，提高其剛度，改善其切削加工性的手段，從而保證孔的加工質量。

凱夫拉增強纖維復合材料鉆孔要求控制鉆削速度和進給量2個參數。鉆削速度高雖然對防止抽絲拉毛有利，但對鉆頭的使用壽命不利。另外，鉆削速度高會導致鉆頭附近溫度過高，造成基體（樹脂）熔化而粘在刀刃上使切削變得困難。與碳纖維復合材料一樣，凱夫拉增強纖維復合材料也要求較小的進給量參數。實踐經驗表明，當孔徑在10 mm范圍內，鉆削速度為30～45 r/min，進給量為0.02～0.05 mm/r，鉆孔質量較好。凱夫拉增強纖維復合材料鉆孔的冷卻主要有壓縮空氣、水、液態氮3種。水冷卻是優先采用的方式，壓縮空氣會將鉆削粉塵吹起，污染空氣，對人體也有害，建議不采用。液態氮冷卻可得到較好的加工效果，但成本較高。

5.2.2" 振動沖孔

采用振動沖孔的方法能夠加工出鏡面一樣的光澤表面，并有極好的線性截面。沖制孔的尺寸精度高。沖制一個孔的循環時間在0.4～0.8 s之間，因此振動沖孔可用來代替現行的鉆孔和切割制孔，并可以延伸到振動剪切上。但是振動沖孔要求設備多及復合材料的結構開敞性好，因此加工成本高。

5.2.3" 沖孔

沖孔與振動沖孔有著基本相似的原理，只是切割纖維時，沖切孔上覆蓋著伸向沖切方向的拉出纖維，使得沖孔質量差，內部缺陷多，質量不易保證。但是沖孔的設備和成本都較之振動沖孔要求低。

5.2.4" 切割

切割復合材料常用的方法是金鋼砂輪切割和高壓水切割。

1）金鋼砂輪切割方法仍存在著表面質量差的缺點。另外，斷面要求打磨光滑，用醋酸乙脂清洗揩擦干凈，并用環氧膠封口。此方法的優點是不需要特殊設備，成本低，操作簡單。

2）高壓水射流切割。高壓水射流切割是一種新型的加工手段，通過多年的發展和推廣，已廣泛應用于切割、采礦等方面。該方法主要以高壓水進行切割，具有其他加工方法無法比擬的優點，對工件無熱影響，工件不變形，切口處材料不會發生變化，切割能力強。從切割原理來說屬點切割，易于實現數控。其不足之處就是設備昂貴，成本高。

6" 結束語

選擇正確的刀具、槽型、材質和切削參數等是復合材料加工取得成功的關鍵所在。隨著復合材料的抗沖擊性和抗熱性等性能的不斷提升，高性能的復合材料切削刀具及其加工方法也會快速發展，飛機復合材料修理技術將會迎來突飛猛進的發展。

參考文獻：

[1] 梁鳳飛，金迪，何勇.復合材料結構修理研究[J].中國膠粘劑，2019，28（5）：57-60.

[2] 彭名鵬.復合材料結構損傷檢查[J].航空維修與工程，2013（1）：45-47.

[3] 吳曉春.復合材料在民用航空飛機上的應用[J].科技資訊，2014（17）：89-91.

作者簡介：白明玉（1993-），男，助理工程師。研究方向為飛機維修工程研究與實踐。