文/龔偉明

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通用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷維修技術(shù)

文/龔偉明

0　引言

復(fù)合材料由于具有比剛度高、比強(qiáng)度大和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)上獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，但是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的抗沖擊阻抗、抗沖擊韌性低，在生產(chǎn)、使用和維護(hù)過(guò)程中，不可避免地會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)缺陷或損傷，必須進(jìn)行及時(shí)修理以減少生產(chǎn)中部件的報(bào)廢率，提高部件使用完好率，在保證安全的同時(shí)，降低復(fù)合材料使用成本。目前，國(guó)外對(duì)修理相關(guān)問(wèn)題可以直接查詢修理手冊(cè)，現(xiàn)階段的研究方向是如何高速、有效、低成本地完成結(jié)構(gòu)修理，可見(jiàn)復(fù)合材料部件維修技術(shù)的重要性。

1　復(fù)材結(jié)構(gòu)的缺陷和損傷形式

按產(chǎn)生損傷的原因，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷可分為制造缺陷、使用損傷及環(huán)境損傷。制造缺陷主要指機(jī)械損傷和非機(jī)械損傷：機(jī)械損傷指在機(jī)械加工過(guò)程中造成制件表面劃痕、擦傷、工具墜落造成的沖擊損傷等；非機(jī)械損傷是指在鋪貼或固化過(guò)程中造成的制件內(nèi)部孔隙過(guò)多、夾雜、鋪層方向錯(cuò)誤、貧富脂等。

使用損傷是指在使用過(guò)程中的沖擊損傷或灼傷。沖擊損傷包括鳥(niǎo)撞、碎片沖擊、砂石飛濺、踩踏及撞擊等。灼傷主要是指復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面雷擊防護(hù)不完備造成的雷擊損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生分層或被燒灼。

2　復(fù)合材料修理方法

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)缺陷、損傷修補(bǔ)方法主要包括貼補(bǔ)法、挖補(bǔ)法、注射膠接法、機(jī)械連接法等多種方法，從連接形式來(lái)分，一般可分為機(jī)械連接修理和膠接修理?？紤]復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修補(bǔ)后的性能、重量等因素，包括空客、波音的飛機(jī)公司的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理通常采用貼補(bǔ)法、挖補(bǔ)法的修補(bǔ)工藝，對(duì)于承傳載比較重要的部位，在貼補(bǔ)或挖補(bǔ)修理的基礎(chǔ)上局部加機(jī)械螺栓或鉚釘?shù)冗M(jìn)行緊固連接。

2.1膠接修理

膠接修理相比機(jī)械修理具有結(jié)構(gòu)增重小、修理時(shí)間短、修理效率高、成形性能好及無(wú)損探傷簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。具體包括貼補(bǔ)、挖補(bǔ)和注射法等。

（1）貼補(bǔ)法。

貼補(bǔ)法是采用膠接的方式將修補(bǔ)材料貼片貼在結(jié)構(gòu)上，使之恢復(fù)強(qiáng)度和剛度的方法。貼片材料既可以是復(fù)合材料也可以是金屬材料，一般規(guī)定金屬材料可用于修補(bǔ)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，但是復(fù)合材料不可用于修補(bǔ)金屬結(jié)構(gòu)。貼片的形式既可以是固化好的層合板也可以是未固化的預(yù)浸料，與被修補(bǔ)結(jié)構(gòu)一起共固化。貼補(bǔ)法適用于曲率小且對(duì)氣動(dòng)表面要求不高的零部件。

貼補(bǔ)法的優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)片制作簡(jiǎn)單，施工方便，但是需要注意的是補(bǔ)片端部與被修理結(jié)構(gòu)的貼合角度，因?yàn)橘N合區(qū)相當(dāng)于單面搭接接頭，容易造成應(yīng)力集中，使修補(bǔ)失效。

（2）挖補(bǔ)法。

挖補(bǔ)法是將破損結(jié)構(gòu)清除，采用新材料進(jìn)行修補(bǔ)的方法，新材料填補(bǔ)可采用斜接法和階梯法，這兩種方法效果相當(dāng)。該方法與貼補(bǔ)法相比，適用性廣，效果明顯，只是工藝復(fù)雜，對(duì)人員及設(shè)備要求都很高。

①斜接法，是指將結(jié)構(gòu)破損部位按某一角度挖成傾斜表面，再在斜面上填補(bǔ)新的材料的一種方法。

該方法由于需要斜挖出角度，故適用于厚度比較大的層壓板修補(bǔ)，由于膠接面分布均勻，故不會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，因此，這種方法的修補(bǔ)效果很好，修補(bǔ)后結(jié)構(gòu)的表面很光滑。缺點(diǎn)是修補(bǔ)施工困難，不適合外場(chǎng)快速維修。

②階梯法，是將結(jié)構(gòu)破損部位按某一角度加工成階梯狀，再填補(bǔ)新材料，這種方法較斜接法難度更大，對(duì)工藝要求更高，需要借助專業(yè)工具，但是修補(bǔ)后結(jié)構(gòu)性能更好。

對(duì)臺(tái)階寬度的精確控制是階梯法的關(guān)鍵，修理過(guò)程中，一般是從最上面一層開(kāi)始，以12.5mm的寬度為臺(tái)階，從上之下，直到最內(nèi)層損傷鋪層。最后在打磨區(qū)域邊緣再打磨出一個(gè)12.5mm寬的周邊，以輔加鋪層補(bǔ)片。

③夾層結(jié)構(gòu)的挖補(bǔ)修理方法。蜂窩或泡沫夾層樹(shù)脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的挖補(bǔ)修理需要同時(shí)考慮面板和夾芯的切除，其中夾層結(jié)構(gòu)面板的切除和修理方案類似層合板結(jié)構(gòu)的修理，損傷或含缺陷部位的蜂窩/泡沫夾芯的切除一般采用全高度切除法。根據(jù)夾層補(bǔ)片的高度，夾層結(jié)構(gòu)挖補(bǔ)修補(bǔ)方法有主要有2種形式，一種是將夾層面板和夾芯等孔距垂直面板切除，裁制蜂窩/泡沫補(bǔ)片高度為原蜂窩高度加面板高度的總高度，預(yù)浸料補(bǔ)片突出結(jié)構(gòu)外形；另一種是只將夾芯垂直切除，面板類似層合板挖補(bǔ)修理方法，進(jìn)行斜接法或階梯法修理，裁制原高度夾芯蜂窩/泡沫補(bǔ)片。膠結(jié)過(guò)程中，在蜂窩側(cè)面和底面放置膠膜，外部貼補(bǔ)片方法類似層板修理方案。

（3）注射樹(shù)脂法。

注射樹(shù)脂法一般用于修理復(fù)合材料小面積的脫膠和分層，這種方法是否有效，要看是制造產(chǎn)生的缺陷還是使用中的損傷。由于局部膠接壓力不夠或表面污染造成的制造缺陷，其表面的污染層必須去除，方能保證高的膠接強(qiáng)度。如果是內(nèi)表面污染，則難修理，也難達(dá)到滿意結(jié)果。與此相反，如果是使用中造成的損傷，且其表面還未受到燃油或液壓油等的污染，也未吸收水分（水分用干燥法很容易去除），則可以進(jìn)行有效的膠接。這種方法需要在結(jié)構(gòu)上布置注膠孔和出膠孔，空的深度要達(dá)到缺陷所在位置，保證樹(shù)脂注射在孔隙中。這種方法不用去除材料，只要將樹(shù)脂注入分層區(qū)域，將樹(shù)脂與纖維固化粘合即可。

（4）填充與灌注修理。

填充與灌注修理是將填料填充或灌注到損傷區(qū)以恢復(fù)其結(jié)構(gòu)完整性的一種修理方法。一般用于蜂窩結(jié)構(gòu)的損傷修補(bǔ)。在受載較小的蜂窩夾層板上采用填充、灌注修理可以穩(wěn)定表板和密封損傷區(qū)，防止?jié)駳獾臐B入以及損傷的進(jìn)一步擴(kuò)大。對(duì)連接孔的損傷，如孔變形成摩擦損傷，可以經(jīng)過(guò)機(jī)械加工好的填充塊修補(bǔ)。如果發(fā)生緊固件孔位置鉆錯(cuò)，或者孔尺寸過(guò)大，則可以先采用此法修理，然后重新鉆孔。

2.2機(jī)械連接修理

機(jī)械連接修理通常是指應(yīng)用緊固件，將補(bǔ)片與被修理結(jié)構(gòu)通過(guò)螺釘或鉚釘連接在一起的方法。這種方法操作簡(jiǎn)單，不需要輔助的溫控設(shè)備，特別適合于外場(chǎng)飛機(jī)修理。

復(fù)合材料的機(jī)械連接修理雖然工藝簡(jiǎn)單，但存在許多問(wèn)題，如金屬連接件對(duì)結(jié)構(gòu)主體的破壞、連接件引起的應(yīng)力集中、連接件和復(fù)材的電位腐蝕、連接件和復(fù)材間的配合控制及損傷、金屬連接引起的增重效應(yīng)等等。

3　結(jié)束語(yǔ)

目前，我國(guó)設(shè)計(jì)制造和投入使用的通用飛機(jī)已達(dá)數(shù)百架以上，其中不少飛機(jī)型號(hào)采用了大量的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，而且隨著我國(guó)低空空域開(kāi)放，通用飛機(jī)的市場(chǎng)越來(lái)越大，通用飛機(jī)的數(shù)量將會(huì)急劇增加，復(fù)合材料的用量也會(huì)不斷攀升。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)檢測(cè)與修理技術(shù)將是直接影響通用飛機(jī)低成本制造和持續(xù)安全、提升通用飛機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的核心支撐技術(shù)。

作者簡(jiǎn)介：龔偉明（1985-），男，工程師，碩士研究生，任職于中航通飛研究院有限公司，從事飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)工作。