飞机复合材料修理工艺研究的思路探讨

飞机复合材料修理工艺研究的思路探讨

马超

航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江省哈尔滨市150000

摘要：随着飞机飞行使用时间的增长，复合材料结构修理需求越来越突出。而开展复合材料修理技术研究是一项系统性工程，其研究方向深远、内容丰富，包括修理容限、无损检测方法及工艺、修理方法、修理选材及固化工艺等诸多方面。而修理过程中，对复合材料最终修理质量影响较大的修理工艺问题往往容易被忽视。因此，系统开展复合材料修理工艺技术研究，对复合材料的修理实施具有重要意义。

关键词：飞机复合材料；修理工艺；应用  

现代复合材料从20世纪40年代使用玻璃纤维增强聚合物基体复合材料起仅有几十年的历史。飞机复合材料结构在鸟撞、雷击、弹伤以及维护或操作不当等情况下，非常容易发生以冲击损伤为主的各种结构破坏，如分层、裂纹、缺口、破孔和断裂等。这些损伤会显著降低复合材料的静、动态承载性能，严重时会直接威胁飞机的飞行安全。加强我国飞机复合材料的先进加工技术的发展研究，能够不断提高我国飞机制造的舒适性、安全性，能够不断的加强飞机的性能，对我国的航空事业的发展有重要影响。

一、复合材料修理发展现状

目前，欧美在复合材料修理上基本处于垄断地位。以美国航空器零组件NOＲDAM 为例，现在基本垄断了国际民用航空器发动机进气口整流罩等大型复材部件的维修市场。现在，无论军机还是民机，都能以结构修理手册SRM 的形式给出可修理数据。针对修理方法和相应的修理材料，已实现修理材料系列化，品种齐全多样，修理工艺成熟，设备工具完善，有完整损伤检测和评估系统。其最大的特征就是在复材部件设计时就开始考虑到其可维修性。欧洲在20 世纪80 年代中期也开始在正式的设计文件和维修手册中规定详细具体的复合材料结构的修理方法。现在正在进行快速修补、自动化修补、参数化工艺等研究并已拿出了成果，波音公司开发的CRAS 软件已经可以自动计算出最佳修补参数。我国在复材修理上的研究起步较晚，目前仍未形成系统化，对层压板和蜂窝夹层结构的挖补、贴补修理进行深入研究，并对层压板冲击损伤的注射修理进行了探索性研究，目前仍处于跟踪国际现有技术的阶段，且所用修理材料和工具大部分为进口。还有一点，研究和应用主要集中在军用航空器上，这就造成民用航空器复合材料部件特别是大型部件的维修市场已经基本为国外垄断。

二、机复合材料结构修理工艺

复合材料飞机结构在使用中容易造成损伤，损伤的原因是多方面的，而且很难避免，这就要求复合材料飞机设计人员在设计中必须充分注意和考虑复合材料结构的可修复性，并提供优质高效低成本的修理技术。大多数修理都是在飞机定期检测时进行的，但也有紧急情况。所以可将修理分为两种类型：临时性修理和永久性修理。

1、损伤的类型。复合材料飞机结构典型的损伤有冲击损伤、表面损伤、分层、脱胶、长期损伤、制造时产生的损伤。根据损伤程度和损伤部位的重要性，可将复合材料飞机结构的损伤分为：允许的损伤，这类损伤不影响部件结构完整性和使用功能，但应根据修理规范确定是否需要修理，若需修理则必须在规定的时间或飞行起落期限内进行永久性修理；可修理的损伤，这类损伤对部件的结构完整性和使用功能有轻微的影响，并且会降低寿命，必须立即进行修理；不可修理的损伤，这类损伤对部件结构完整性和使用功能有较大的影响，修理后无法满足强度、刚度及功能要求。

2、损伤的检测与评估。在确定修理方案之前，必须对损伤部件进行彻底的检查，对损伤范围和损伤程度作出正确评估。复合材料飞机结构的损伤检查主要有目视检测法、敲击法、超声法、软X射线法、激光全息法声谐振检测法。损伤的部件经彻底检测之后可确定其损伤程度，再根据不同部件的情况进行损伤评估，确定对该部件损伤的处理方法。在损伤评估中，应该就损伤范围、损伤影响和可接受的水平等作出正确的判定。

3、修理区域的划分和修理容限的规定。飞机结构各部位对强度和刚度要求的重要程度是不同的，对可修性、修理方法的要求自然也不相同。设计人员应在设计阶段，根据结构的特点和强度、刚度的要求，对构件进行分区，各分区具有不同的可以接受的损伤程度以及相应的修理技术。每个区域采用不同的修理方法。修理容限是指修与不修、能修与不能修的界限。影响复合材料结构损伤修理容限的因素很多，不同的结构形式、不同的材料体系、不同类型的飞机都有不同的规定。

4、复合材料修理原则。永久性修理用材料的选择应遵循以下原则：结构上原来用什么材料，原则上只能用该材料进行修理；芳纶复合材料结构可用玻璃纤维复合材料进行修理，但应当注意的是用E玻璃纤维复合材料修理芳纶复合材料结构时，其补片铺层的层数应比原结构铺层多一倍；可选择与原结构用增强材料和树脂基体属同一类型，而性能和工艺又处于同一水平的，甚至工艺上更简便的材料进行修理，但修理前需得到部件原设计部门的批准；当无法获得原结构用材料而不得不选用其他材料时，除了考虑材料的基本性能之外，还必须考虑其湿热性能、耐热性能、耐介质性能和疲劳性能等。临时性修理用材料的选择应遵循以下几条：增强材料一般选用织物；层压树脂基体或胶粘剂一般采用双组分体系，层压树脂基体应适于湿法成形工艺，黏度小，易于浸润增强材料；具有较长的使用活性期；室温或低温下固化速度快；适于接触成形或真空压力成形；毒性小。

三、复合材料在飞机结构中的应用

目前，飞机上所采用的复合材料构件即层压板、蜂窝夹芯结构和蜂窝壁板结构。复合材料层压板是由单层板黏合而成的。层压板可以由不同材质的单层板构成，也可以由不同纤维铺设方向上相同材质的各向异性单层板构成。正是由于这些单层板在厚度方向的宏观非均质性，致使层压板具有各向异性的特点，而且由于纤维铺设方向的多样性，使层压板通常没有一定的材料主向。层压板受力特性和各单层板密切相关，一层甚至几层单层板的破坏，虽然将引起层压板刚度的显著变化，但层压板仍可能由余下的各个单层板来承受更大的载荷，一直到全部单层板破坏引起层压板的总体破坏为止。蜂窝夹芯结构是由两块薄面板和中间胶接低密度的夹芯组成的。面板较薄，结构形式为层压板，主要材料有：未预浸或预浸纤维玻璃布，预浸单向碳纤维带或编织布，芳纶有机纤维布等；夹芯材料有：泡沫塑料和蜂窝夹芯。蜂窝夹芯有铝箔蜂窝、芳纶纸蜂窝和玻璃布蜂窝。夹芯结构上、下两块面板承受轴向、弯曲和面内剪切载荷，面板和夹芯之间的胶层作用是：把剪切载荷传递到夹芯上，或者从夹芯传递到其他相连结构上。蜂窝壁板由承力面板和蜂窝夹芯组成，蜂窝夹芯位于承力面板之间。此外还有骨架元件如镶边、嵌件和尖端等。面板由铝合金、钛合金或不锈钢板材制成；夹芯用玻璃布蜂窝、泡沫塑料、金属蜂窝或金属波纹板制成。承力面板和蜂窝夹芯、骨架元件之间采用胶接、钎焊或点焊方法连接。在蜂窝壁板结构中，承力面板实际上只承受自身平面内的载荷(拉力、压力、剪切力)和横向弯矩，亦即上下承力面板确定了整个结构的弯曲刚度。夹芯在结构弯曲时承受横向剪切力并与面板配合承力；它不仅提高蜂窝壁板结构的剪切刚度，而且还提高了承力面板的局部刚度。

对于复合材料的修理问题，首先要分析清楚损伤类型，化分修理区域，再按修理容限的有关规定，确定其修理方法。所采用的修理方法可以分为两类：非补片式修理方法和补片式修理方法。非补片式修理方法适用于修理的损伤和缺陷，修理工艺比较简单，一般都能在外场条件下短时间内完成。补片式修理方法适用于修理比较大的损伤和缺陷，修理工艺比较复杂。

参考文献：

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