王楠楠

摘要：以西銳SR20飛機(jī)機(jī)身復(fù)合材料為研究對(duì)象，對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料層合板的應(yīng)用現(xiàn)狀及修理的必要性進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié);同時(shí)對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料層合板修理技術(shù)進(jìn)行歸納，為SR20飛機(jī)復(fù)合材料層合板修理工作的開展和實(shí)施提供支持。

關(guān)鍵詞：飛機(jī);復(fù)合材料;層合板;修理

序言

復(fù)合材料作為新型高性能材料，由于比強(qiáng)度高、密度小、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代飛機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來越廣泛。然而，在復(fù)合材料層合板制造和使用過程中常常會(huì)因各種原因出現(xiàn)分層損傷現(xiàn)象，分層不僅能引起層合板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，而且在外力作用下，當(dāng)分層區(qū)域在結(jié)構(gòu)中擴(kuò)展達(dá)到一定的規(guī)模，層合板會(huì)出現(xiàn)整體失效，為了對(duì)損傷后的復(fù)合材料層合板修理以達(dá)到結(jié)構(gòu)使用的剛度以及承載能力的要求，對(duì)復(fù)合材料層合板的修理技術(shù)研究具有重大的實(shí)用價(jià)值[1]。

1飛機(jī)復(fù)合材料層合板的應(yīng)用現(xiàn)狀及修理研究的必要性

1.1飛機(jī)復(fù)合材料層合板的應(yīng)用現(xiàn)狀

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

1.2 飛機(jī)復(fù)合材料層合板修理研究的必要性[3]

雖然復(fù)合材料層合板有很多優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在缺點(diǎn)。復(fù)合材料層合板屬于脆性材料，應(yīng)力重分配能力較差，當(dāng)連續(xù)纖維被打斷后，勢(shì)必導(dǎo)致其承載能力的極大下降，因此復(fù)合材料層合板對(duì)孔洞敏感;層合板在厚度方向無纖維增強(qiáng)，層與層之間僅僅通過層間界面承受載荷，層間破壞導(dǎo)致層間分層，較大地降低了結(jié)構(gòu)性能以及承載能力，對(duì)壓縮強(qiáng)度的影響比較明顯。

復(fù)合材料在生產(chǎn)和使用中會(huì)出現(xiàn)多種缺陷和損傷，具體形式如下：復(fù)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(xié)調(diào)等因素，造成復(fù)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(yīng)力、擠壓、超載、沖擊載荷作用下造成的內(nèi)部分層損傷，且對(duì)于受沖擊的復(fù)合材料表面，損傷不明顯甚至完全目視不可檢，但零件內(nèi)部已經(jīng)產(chǎn)生嚴(yán)重的分層損傷;復(fù)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(huì)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(fù)合材料層合板中缺陷和損傷的不可避免性，這勢(shì)必會(huì)影響飛機(jī)的出勤率和航線營(yíng)運(yùn)。一方面，隨著現(xiàn)代飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用比例的增大和現(xiàn)役采用復(fù)合材料飛機(jī)使用壽命的延長(zhǎng)，將來復(fù)合材料結(jié)構(gòu)飛機(jī)會(huì)面臨大量的修理任務(wù);另一方面，現(xiàn)代飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正朝著整體化的方向發(fā)展，直接更換受損復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件不再是一個(gè)經(jīng)濟(jì)的選擇，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的一體化趨勢(shì)也為修理提出很大的挑戰(zhàn)。因此，對(duì)于受損復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，為增強(qiáng)其安全性、可靠性，以及從經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的角度考慮，保證其在使用壽命期內(nèi)的正常使用，恢復(fù)其使用功能和完整性，全面研究復(fù)合材料層合板修理技術(shù)是十分必要的。

2飛機(jī)復(fù)合材料層合板修理技術(shù)

飛機(jī)復(fù)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(duì)現(xiàn)有的修理方法進(jìn)行概括分類，在實(shí)際的飛機(jī)復(fù)合材料層合板修理中修理方法分為：膠接修理（又分為貼補(bǔ)法、挖補(bǔ)法和注膠修理）、機(jī)械連接修理等幾大類。

2.1 膠接修理技術(shù)

膠接連接修理是指對(duì)一個(gè)構(gòu)件因損壞斷裂成兩個(gè)部分或者原來膠接連接的構(gòu)件之間出現(xiàn)脫膠損傷，通過膠粘劑，使之連接成一體，恢復(fù)其功能的修理方法。在進(jìn)行膠接連接修理的過程中，需要重視補(bǔ)片的大小、補(bǔ)片的厚度、膠層的設(shè)計(jì)以及搭接的長(zhǎng)度。在膠接連接過程中，膠接接頭部分會(huì)產(chǎn)生比較高的局部應(yīng)力，在膠接部分應(yīng)該增加膠層厚度，以降低該位置較高的剪應(yīng)力，提高膠接連接的強(qiáng)度。

2.1.1 膠接貼補(bǔ)法

貼補(bǔ)法（分為單層貼補(bǔ)法和雙層貼補(bǔ)法）是將復(fù)合材料層合板貼補(bǔ)片固定在損傷結(jié)構(gòu)上從而恢復(fù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和傳力路徑，首先針對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料層合板膠結(jié)修補(bǔ)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用狀態(tài)進(jìn)行分析，以得出最優(yōu)的復(fù)合材料補(bǔ)片的結(jié)構(gòu)參數(shù)（補(bǔ)片的直徑和厚度）。貼補(bǔ)板修理方法是將最優(yōu)的復(fù)合材料補(bǔ)片的結(jié)構(gòu)貼不到損傷部位，使損傷結(jié)構(gòu)遭到破壞的載荷傳遞路線得以重新恢復(fù)。修理用的貼補(bǔ)板主要采用原則：與原結(jié)構(gòu)相同鋪層順序的層合板;準(zhǔn)備向同性鋪層的層合板，其厚度一般大于原損傷結(jié)構(gòu)。貼補(bǔ)修理一般用于較薄結(jié)構(gòu)或暫時(shí)性修理的試件，一般為臨時(shí)修理。

2.1.2 膠接挖補(bǔ)法

挖補(bǔ)法是將受損區(qū)域去除掉，采用濕鋪層或者預(yù)浸料實(shí)施鋪層修理，經(jīng)封裝后，在室溫下或者加熱到某一溫度實(shí)施固化的修理。復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)的鋪層修理分為濕鋪層修理和預(yù)浸料修理兩類。

膠接挖補(bǔ)修理是一種永久性修理法，修理后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度恢復(fù)率高，表面具有良好的氣動(dòng)性能。實(shí)際修理一般采用預(yù)浸料作為修理材料，當(dāng)固化設(shè)備及材料缺少時(shí)，常采用濕鋪貼方式代替預(yù)浸料修理方式，配合使用熱補(bǔ)儀更有利于外場(chǎng)修理。修理后結(jié)構(gòu)的承載能力是表征結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵因素。對(duì)復(fù)合材料膠接挖補(bǔ)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(duì)象上，多為膠接接頭或三維簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。

2.1.3 注膠修理技術(shù)

注膠修理是對(duì)層合板結(jié)構(gòu)小面積的內(nèi)部分層或脫膠損傷，采用注射的方法將滲透性和流動(dòng)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(shù)。在進(jìn)行較小損傷修理過程中，注膠修理對(duì)于復(fù)合材料外層處理以及邊緣分層處理具有較好的應(yīng)用效果，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)損傷區(qū)域的修理。

2.2 機(jī)械連接修理技術(shù)

機(jī)械連接修理是指在損傷結(jié)構(gòu)的外部用螺栓或鉚釘固定一個(gè)外部補(bǔ)片，使損傷結(jié)構(gòu)遭到破壞的載荷傳遞路線得以重新恢復(fù)的一種修理方法。此種修理技術(shù)具有操作簡(jiǎn)便、性能可靠、抗剝離性能好、能傳遞大載荷等優(yōu)點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)上要鉆緊固件，緊固件孔會(huì)削弱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并引起應(yīng)力集中以及修理增加的重量為該種修理技術(shù)的缺點(diǎn)。在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理過程中，機(jī)械連接修理適用于被修理件較厚且對(duì)氣動(dòng)外形要求不高的結(jié)構(gòu)件以及外場(chǎng)快速修理的情況。

3 結(jié)束語

隨著飛機(jī)復(fù)合材料在航空領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)修理工作越來越顯重要，針對(duì)我院西銳SR20飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷的修理，對(duì)復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)修理的一些關(guān)鍵問題和共性問題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和分析，為西銳SR20飛機(jī)復(fù)合材料層合板修理工作開展和實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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