對飛機復合材料結(jié)構(gòu)修理技術(shù)的探究

李素東

（中國南方航空股份有限公司河南分公司,鄭州 450000）

目前我國民用飛機其選用材料將逐漸從全金屬向混雜結(jié)構(gòu)技術(shù)轉(zhuǎn)化，可靠性、安全性、經(jīng)濟性及舒適性等是未來飛機運行時要的，因此，復合材料的高比剛度、耐高溫、材質(zhì)輕等性能優(yōu)勢將更為顯著，能很好的滿足民用飛機材料的要求，復合材料也開始應(yīng)用于制造飛機的主要結(jié)構(gòu)件且用量越來越多。復合材料在我國航空領(lǐng)域的應(yīng)用取得了一定成效，而復合材料的使用要求也逐漸嚴格，但隨著復合材料及其成形工藝技術(shù)的發(fā)展，對飛機復合材料結(jié)構(gòu)修理技術(shù)方面的研究還有待于完善。

1 飛機復合材料結(jié)構(gòu)及分析

1.1 復合材料結(jié)構(gòu)的類型與特點

層壓板、蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)和蜂窩壁板結(jié)構(gòu)是飛機上使用的主要復合材料構(gòu)件。單層板粘合面、不同材質(zhì)單層板和不同纖維鋪設(shè)方向上相同材質(zhì)的各向異性單層板也可以構(gòu)成復合材料層壓板。致使層壓板具有各向異性的特點是由于這些單層板在厚度方向的宏觀非勻質(zhì)性導致的。兩塊薄面板和中間膠接低密度的夾芯組成了蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，夾芯材料有泡沫塑料和蜂窩夾芯，面板較薄，結(jié)構(gòu)形式為層壓板，主要材料有預浸單向碳纖維帶或編織布、未預浸或預浸纖維玻璃布、芳綸白機纖維布等。蜂窩夾芯有鋁箔蜂窩、芳綸紙蜂窩和玻璃布蜂窩。夾芯結(jié)構(gòu)上，把剪切載荷傳遞到夾芯，或者從夾芯傳遞到其他相連結(jié)構(gòu)上是面板和夾芯之間的膠層作用，下兩塊面板承受軸向、彎曲和面內(nèi)剪切載荷。任何一個單元體從承受側(cè)向載荷的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)中取出，蜂窩夾芯則承受該單元體剪力的受力;彎矩通過上、下面板分別收拉威函、壓威拘來承受，通過面板受軸力來承受，軸力也是由上、下面板承受的。還有較好的隔熱性能、較高的結(jié)構(gòu)阻尼、更高的比強度、較高的吸音和耐聲振疲勞的性能、并具有光滑的氣動外形都超過了常規(guī)的金屬結(jié)構(gòu)。

承力面和蜂窩夾芯組成了蜂窩壁板，鋁合金、欽合金或不誘鋼板材制成的承力面板之間是鑲邊、嵌件和尖端等骨架元件及蜂窩夾芯的位置。夾芯則由泡沫塑料、玻璃布蜂窩、金屬蜂窩或金屬波紋板制做。膠接、釬焊或點焊方法是骨架元件、承力面板和蜂窩夾芯之間采用的連接。在蜂窩壁板結(jié)構(gòu)中，上下承力面板確定了整個結(jié)構(gòu)的彎曲剛度，載荷守立力、壓力、剪切力和橫向彎矩是承力面板實際上承受的。即使在大載荷作用下，夾芯也能保持面板所需的氣動外形，因為夾芯在結(jié)構(gòu)彎曲時承受橫向剪切力并與面板配合承力，提高了承力面板的局部剛度和蜂窩壁板結(jié)構(gòu)的剪切剛度。骨架元件用于提高固定處的持久剛度，保證在集中力作用下結(jié)構(gòu)的局部剛度。

1.2 飛機復合材料結(jié)構(gòu)的損傷

在生產(chǎn)或者使用過程中，由于復合材料結(jié)構(gòu)在材料組成和系統(tǒng)性能上的特殊性，容易發(fā)生各種結(jié)構(gòu)損傷。因此，對復合材料的損傷特點進行分析，并根據(jù)其結(jié)構(gòu)和材料的不同，掌握規(guī)律、做好修理的準備工作。高速沖擊損傷與低速沖擊損傷是主要是飛機復合材料損傷的兩種沖擊損傷。低速沖擊損傷能量較低，會在結(jié)構(gòu)內(nèi)部引起嚴重的層間分離和集體裂紋，而結(jié)構(gòu)表面不會有明顯的損傷，結(jié)構(gòu)剩余強度會因為損傷而明顯降低。高速沖擊損傷損傷情況較嚴重，能量高且集中、破壞較大，易見性損傷包括裂紋、破孔、結(jié)構(gòu)斷裂，造成層板凹坑、纖維斷裂。而劃痕、擦傷，分層，穿透孔，熱損傷則是飛機復合材料層壓板結(jié)構(gòu)的損傷的主要類型。按照損傷產(chǎn)生的部位，兩側(cè)面板、芯子的穿透損傷、面板損傷、復合損傷及單側(cè)面板和芯子的復合損傷是蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的損傷。

2 飛機復合材料結(jié)構(gòu)修理技術(shù)

2.1 補片式修理技術(shù)

補片式的修理修復工藝較為復雜，由于飛機復合材料的使用在現(xiàn)代航空領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛，由于損傷的存在，針對復合材料在進行實際的修補處理過程中具有良好的效果，而且復合材料的修補主要應(yīng)用于較大型的損傷的修復。以下幾種類型是針對修理工藝劃分的幾種方法：

2.1.1 外搭接補片膠接法

這種方法需要重視補片大小、補片厚度以及膠層的設(shè)計。在進行外搭接補片膠接法過程中，最佳的補片厚道的設(shè)計為母版厚度的二分之一，而且補片的厚度需要根據(jù)母版厚度進行分析與設(shè)定，搭接的長度考慮到國內(nèi)膠黏劑的性能，與補片大小直接相關(guān)的參數(shù)是搭接長度通常為20-30毫米。通過具體的試驗證明，過于剛硬的材料不能夠起到良好的效果，具有軟補片的膠接強度較低，在飛機復合材料的修理過程中經(jīng)常出現(xiàn)相應(yīng)問題。膠粘劑的具體強度影響膠接接口的強度，膠層設(shè)計過程中，膠接接頭部分會產(chǎn)生比較高的局部應(yīng)力，需要根據(jù)具體材料以及設(shè)計進行損傷處理。在外搭接補片膠接法當中，通過增加膠層厚度來降低該處較高的剪應(yīng)力。

2.1.2 外搭接補片機械連接法

補片的材料的選擇具有自主性特點，在進行具體修補的過程中并沒有要求一定的嚴格標準，材料可以選擇金屬板或者是復合材料面板，保證在飛機出現(xiàn)復合材料問題時能夠得到及時處理，需要通過抽釘?shù)染o固件與母體結(jié)構(gòu)機械進行連接，這種方法在進行外場補救的過程中被廣泛應(yīng)用。這-種方法在進行連接的過程中需要考慮腐蝕問題，因為缺乏相應(yīng)的標準約束，對補片材料可能會使用鋁合金等相關(guān)金屬材料。

2.1.3 嵌入式補片修理法

該方法是一種水久性修理方法，是通過挖去部分的母體材料，之后與預浸料補片或者是預固化后再與母體材料膠接，補片鋪層與母體斜坡或者是臺階相同或略多。此種方法不僅外形恢復較好，對消除外搭接補片修理引起的偏心彎矩有著良好的效果，在進行實際的復合材料的修補過程中具有重要作用。

2.2 非補片式修理技術(shù)

這種技術(shù)方法主要是針對小損傷進行修理，在進行外場修補的過程中較為便捷，在進行飛機符合材料修理的過程中操作方法較為簡單。復合材料的非補片式修理技術(shù)主要為以下幾種:

（1）涂層法。在航空領(lǐng)域的應(yīng)用，復合材料表面出現(xiàn)問題的過程中，保證材料表面的安全性、材料外部穩(wěn)定性，需要通過涂層法來修復表面密封層、防腐層以及導電層。

（2）注射法。注射法在進行實際的應(yīng)用中實現(xiàn)對損傷區(qū)的處理具有較好的效果，特別是對于復合材料外層處理以及邊緣分層處理。這種方法在針對損傷區(qū)進行修理的過程中，通過注射法填補修復，采用常溫固化以及加熱固化的形式將樹脂注入損傷區(qū)，在進行實際的應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)對損傷區(qū)的處理。

（3）混合物填充法。在飛機復合材料的修理技術(shù)中，這種方式與注射法相似，主要的填充物為短切纖維一樹脂混合物。但在實際的填充物方面兩者具有明顯的差異，此種方法能夠修復復合材料中較小的損傷，在進行修復表面范圍以及蜂窩夾層中的損傷修理具有較好效果。

（4）抽釘法。此種方法能夠有效的控制復合材料小損傷的擴展，在具體的應(yīng)用過程中是加強分層區(qū)域或者是脫膠區(qū)采用樹脂注射法或混合物填充，保證恢復外界的傳載能力，該法已廣泛用于碳纖維復合材料的邊緣分層修理，具有良好的應(yīng)用效果，保證復合材料外部穩(wěn)定性。

3 總結(jié)

復合材料結(jié)構(gòu)的維修維護工作隨著飛機復合材料在航空領(lǐng)域當中越來越廣泛的應(yīng)用越來越顯得重要，維修技術(shù)將是復合材料應(yīng)用技術(shù)今后發(fā)展的一個重點方向，加快修理材料的研究和開發(fā)，加快復合材料修理標準和規(guī)范的基礎(chǔ)性研究，在完善現(xiàn)有熱補技術(shù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)易損修理工具和設(shè)備國產(chǎn)化，不斷汲取新技術(shù)，開發(fā)復合材料修補軟、硬件工具及修理設(shè)計、修理前后的無損探傷檢測技術(shù)，向高質(zhì)量、高效率、低成本化發(fā)展，不斷完善和發(fā)展新型技術(shù)，建立數(shù)字化修理生產(chǎn)線，為航空領(lǐng)域安全使用復合材料奠定基礎(chǔ)，盡決實現(xiàn)復合材料數(shù)字化修理，可極大地提高其使用效能，促進航空領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。

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