直升機復合材料的使用與維護

摘 要：上個世紀六十年代就已經開始在飛行器中應用復合材料。到了本世紀初，在直升機中應用的復合材料已達到近百種，已經占到了直升機總重量的百分之十至百分之三十。筆者以服務于某飛機制造廠多年的工作經驗對直升機中使用的復合材料部件及其維護做一個簡要的闡述。

關鍵詞：直升機；復合材料；使用；維護；直升飛機；飛機

引言

由于某些復合材料一方面強度與韌性上要優于金屬材料，另一方面其重量上反而相對于金屬材料更輕，因此復合材料被大量地應用于航空航天事業中。復合材料曾一度被當做最高級的軍事機密被西方發達國家保密了若干年，直到冷戰結束以后復合材料廣泛地應用于民用，才露出其廬山真面目來。但是這些纖維增強類的復合材料也并非無堅不摧，它們也會出現開裂、磨損，在外力撞擊的情況下也會出現某種程度的損傷，但是幸運的是復合材料具有金屬材料所無法比擬的極方便的可修復性。因此復合材料被大量應用于直升機的制造與修復上。復合材料目前已經成了直升機上不可或缺的材料之一。

1 影響復合材料使用的主要因素

復合材料的受熱穩定性要好于鋼鐵，鋼鐵的熱漲冷縮要遠大于復合材料，因此，對于制造直升機而言，復合材料的這種熱穩定性是最受人們青睞的特性，同時，復合材料的強度、韌性、剛度也優于金屬材料，因此，復合材料被廣泛應用于直升機的制造與維護過程中。但是復合材料也并非十全十美，復合材料在使過程中要注意采取防腐、防雷、防劇烈沖擊等措施，以增加復合材料的使用壽命。

1.1 環境條件

任何材料在使用的過程中都要面對形形色色的各種各樣的環境因素，這些環境因素會對材料產生種種不良的影響，復合材料也不例外。對復合材料影響較大的因素有以下幾種：（1）力學條件。如聲音作用下的復合材料的減振、減低噪聲以及振動阻尼特性等；（2）物理條件。如在壓力作用下，復合材料的彎折、斷裂特性等；（3）氣象條件。如在日光的持續照射下，復合材料的變軟、變彎等特性或者在雨水的浸潤下復合材料的抗腐蝕能力等；（4）大氣條件。在大氣條件下，復合材料的長期放射線照射下的材料變異性或者高度霉變環境下的復合材料受霉菌侵蝕能力等；上述的力學條件與物理條件考察的是復合材料在結構上的剛度與強度等物理穩定性。上述的氣象與大氣條下考察的是復合材料的化學穩定性。

1.2 熱應力

目前在直升機上應用的復合材料由于還沒有達到百分之百，因此所應用的這一部分復合材料必然要與金屬構件進行連接。但是由于前文提及的復合材料與金屬特質的熱脹冷縮比率不同，因此，在應用中如果處理不好就會出現直升機的連接部件在遇熱以后會出現較多翹曲，在遇冷以后可能會出現撕裂。那么是不是復合材料不能與金屬連接呢？答案是否定的。目前科研人員已經找到了一種熱脹冷縮系數較小的鈦金屬與復合材料進行連接以極大地減少熱應力。

1.3 防腐蝕

復合材料除了上述的與金屬材料連接的問題以外，還存在著另外一個大問題，那就是，復合材料與金屬之間由于存在著電容差，因此復合材料與金屬材料緊密結合以后就會在電容差的作用下產生輕度的溶解并對金屬形成腐蝕作用。為解決這種腐蝕效應，科研人員不得不在復合材料與金屬構件之間增加一層玻璃纖維以解決這個問題。但是更大的問題也隨之而來，那就是復合材料與玻璃纖維之間的連接一旦出現問題，就會造成直升機的安全風險。

1.4 防雷擊

復合材料的另外一個弱點就是其內部特性決定了復合材料本身就是一種半導體，眾所周知，半導體在受到雷擊時會比金屬產生更大的熱量，因此，當碳纖維復合材料構件位于雷擊影響區域時，需要采取防護措施，如加鋁箔、網狀表面層和噴涂金屬層等。另外，裝金屬邊界元件可以減小損傷程度。

1.5 抗沖擊

碳纖維復合材料的抗沖擊性能很差。沖擊會引起損傷，影響材料的性能，降低強度，導致局部失穩并進一步分層。

1.6 邊界效應

在復合材料層合板自由邊界附近存在邊界層，邊界層區域寬度近似等于層合板厚度。在該區域，存在層間應邊，邊界效應主要引起分層，導致層合板破壞。

2 復合材料構件故障檢測方法

無損檢測技術被廣泛應用在故障檢測中，檢查復合材料操作缺陷的方法主要有以下幾點。

2.1 目視檢查法

檢查結構件的外觀質量。包括壓痕、皺紋、劃痕、毛刺、穿孔、肉眼可見和表面裂紋以及可見和分層等缺陷。目視檢查可以發現撞擊損傷、壓痕、擦傷、邊緣分層、邊緣脫膠、裂紋，堅固件操作、雷擊和燒傷等損傷。

2.2 敲擊法

利用敲擊時發出的聲音來判斷復合材料構件損傷部位和面積，常用于檢查旋翼蒙皮開膠分層等故障。

2.3 射線檢測

通過檢測損傷與無損傷部位對射線的吸收能力差異判定損傷區域的大小。

2.4 超聲波檢測

對于復合材料結構的分層和脫膠損傷。采用超聲波檢測是最有效的方法。大部分超聲波探傷儀使用A掃描和C掃描，它是利用壓電傳輸元件將超聲脈沖傳入結構中，遇到損傷或缺陷產生界面反射，或者引起聲速和能量衰減的變化，利用這一特性達到檢測損傷的目的。

2.5 聲發射檢測

通過特定的加載程序，用聲響變化檢測復合材料主受力件在加載情況下的內部損傷情況。

3 復合材料構件的修理

3.1 修理原則

一是等強度修理。二是構件修理后的性能及耐久性不變。三是戰時需要的臨時性短壽命修理。

3.2 對于損傷的結構修補的要求

（1）修補后的結構強度和剛度，應該恢復到使用條件下的設計許用值。（2）恢復結構的耐久性要求。（3）恢復結構的使用功能，或者使用功能降低最小。（4）結構修補后重量增加最少不于直升機控制面的修補，重量一定要滿足氣動平衡要求。（5）修補時間要盡量少，縮短停飛時間。（6）修補中使用的設備和工具要少。

4 使用與維護注意事項

（1）外場維護中分解下的零構件必須輕放，不可隨意亂丟，更不可長期浸泡在油料及雨水中。（2）重新安裝復合材料零件時，托板螺母孔上的螺釘不宜擰得太緊。（3）要防止尖銳的東西劃傷或碰傷復合材料零構件表面，更允許用錘敲擊復合材料零構件。（4）給復合材料零構件鉆孔時，在其反面必須用硬木塊或膠木墊住，以防鉆孔力量過大導致復合材料表面分層或抽絲。（5）復合材料零構件排故需鉚接金屬零件時，必須在兩者之間貼一層厚度為0.08～0.11mm的玻璃布，以防零件腐蝕。（6）復合材料使用了進口的鉚釘和高鎖螺栓，不允許以其它鉚釘代用，拆裝時必須符合技術規范。（7）復合材料破損時，不能擅自修補，必須通知廠家作出技術處理后方可使用。（8）為了減少損失，復合材料結構損壞時應及時修補，避免潮氣及腐蝕性介質進入結構內部。（9）在飛行及地面維護過程中，應避免外來物撞擊及冰雹風沙的襲擊。（10）復合材料結構表面的漆層損壞時應及時修補。（11）由于復合材料對溫度很敏感，在維護中應防止烈日暴曬，注意高溫區復合材料板件的散熱，防止燒傷。（12）在沿海和腐蝕性大氣中飛行后，要及時清洗復合材料機身部件，應用手冊中推薦的清洗劑清洗復合材料構件。

5 結語

直升機在維護的過程中，要求工程師必須精益求精，讓復合材料能集中發揮材料的最大優越性，以促進飛行安全。層出不窮的先進復合材料使我們的生活發生了翻天覆地的變化，由鋼鐵一統天下的局面已經被打破，復合材料已經離開陸地飛向藍天，并終將飛向更廣闊的空間。

參考文獻

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