復合材料缺陷修補技術

王 瑩

（中航飛機西安飛機分公司復合材料廠，陜西 西安 710089）

復合材料缺陷修補技術

王 瑩

（中航飛機西安飛機分公司復合材料廠，陜西 西安 710089）

在航空航天領域，為了減輕結構質量，提高飛行器性能和降低燃油消耗，樹脂基復合材料得到大量使用，已經迅速發展為繼鋁、鋼、鈦之后的又一航空結構材料。復合材料在生產使用過程中會產生各種缺陷。本文介紹了復合材料的修復技術。

復合材料；缺陷；修補

1 概述

隨著對飛機性能要求的不斷提高，復合材料零件將更加廣泛地應用于飛機的各個結構中。但是復合材料零件加工制造過程不同于金屬零件，是通過樹脂基體以及樹脂與纖維之間的界面在成形模具內經過加熱、加壓，發生物理、化學等變化，固化而成的，其在成形過程中易受到固化溫度、以及化學放熱等影響，從而產生各種成形缺陷，如零件變形、分層和孔隙率過大等。由于復合材料制造過程較難對各種工藝參數進行精確控制，造成復合材料質量不穩定，離散性大。在生產實踐中，即使是經過研究和試驗制定的合理工藝，在結構件的制造過程中還可能產生缺陷，引起質量問題，嚴重時還會導致整個結構件的報廢。因此，研究復合材料，尤其是國產碳纖維復合材料結構件的缺陷分類及維修方法是目前迫切需要解決的問題。

1.1 國外研究現狀

飛機復合材料結構的維護/維修開始于20世紀70年代初期，澳大利亞航空和海運研究室（AMRL）的Alan Baker博士等，對飛機復合材料修復技術進行了開創性研究，并用碳纖維復合材料（CFRP）和硼纖維復合材料（BFRP）為澳大利亞皇家空軍（RAAF）修補了大力神C-130、幻影、F-111、麥卡奇等飛機。根據不完全統計，到2010年，復合材料用于各類飛機結構件以及復合材料本身的損傷修復已經超過80 000例。目前，國外復合材料結構的維護/維修技術達到了很高的技術水平，已進入實用階段。

1.2 國內研究現狀

隨著我國飛機數量的增加和換代速度的加快，例如垂尾前緣與翼尖、前艙儀表保護罩、前起落架撐桿整流罩、中央翼艙蓋以及平尾傳動整流罩等零部件，就是用玻璃纖維增強復合材料和碳纖維有機織物CBM增強的復合材料等制作的。由于疲勞開裂、熱老化、磨損、外來物撞擊等原因，飛機復合材料構件在使用中會出現各種不同的損傷。目前，對于復合材料結構的修補主要分為外場修補和廠內修補。外場修補主要是指攜帶修補材料、修補設備到機場針對復合材料結構在使用過程中受到的損傷進行修補。由于外場修補受到條件的制約，所采用的修補材料大多為復合材料修補貼片，修補操作比較簡便；修補設備為便攜式修補儀，對修補部位施加的壓力最大為1個大氣壓，與復合材料成型過程中所受到的4～5個大氣壓相差較大，對修補后復合材料性能的恢復有一定影響。外場修補可進行臨時性修補和永久性修補。廠內修補是指在生產車間，利用復合材料的生產或修補設備對復合材料在制造或使用過程中存在的缺陷或損傷進行修補。因為是完全按照生產條件對復合材料進行修補，修補后的復合材料可最大程度恢復材料性能。

1.3 主要差距

國外復合材料維護/維修技術方面采用高強度復合材料膠接修補受損傷飛機已經進入實用階段。而目前國內只能進行進口碳纖維復合材料損傷缺陷的修補。國產碳纖維復合材料損傷缺陷修補還處于實驗室研究階段。

2 碳纖維修補技術

國產碳纖維結構件缺陷分類及維修方法主要包括損傷檢測、損傷判定和損傷修復技術。根據不同部位的受力情況、損傷破壞情況及其對結構完整性的影響進行分析，并根據損傷的類型、損傷程度以及剩余強度，制定適宜的修理方案。主要有實體層壓板、蜂窩夾層件、復合材料部件裝配中引起的缺陷返修及典型缺陷修補方法。

1）實體層壓板的修補技術：皺折、波紋或凹陷、外來雜質損傷、切痕或槽痕損傷、缺膠損傷、打磨過分或傷及纖維的損傷、邊緣分層損傷等的修補方法。

2）針對復合材料蜂窩夾層件的修補技術：芯子擠壓的返修、芯子上及其斜面邊緣的凹陷的返修、透過芯子穿孔的返修、灌封區空腔的返修、芯子與蒙皮分層的返修等。

3）針對復合材料部件裝配中引起的缺陷返修技術：零件分層的返修、空隙、疏松、貧膠等的返修；制孔缺陷、锪窩缺陷、鉸孔缺陷（主要是表面分層，層數較少）的返修；鉚接時缺陷、螺接時缺陷的返修、扭曲/變形的返修。

復合材料結構提出的修補要求主要有：（1）足夠的強度、剛度要求，恢復結構的承載能力和使用功能，即恢復結構的完整性；（2）對因修補而帶來的增重有一定的限制，即增重小；（3）盡量保證原結構光滑完整。對飛行器類構件的外形修補，氣動外形變化要小；（4）修補所用時間要針對不同的情況限定在一定的范圍內，即時間要短；（5）修補中使用的設備與工具要少，要輕，即可操作性要好。

復合材料的修補過程主要包括以下環節：

1）修補流程

修理前準備—修理區域表面準備—配膠與浸膠—鋪層—固化—清理—機械加工—檢驗—包裝—交付。

2）確認和給出修補方法

修補是為了恢復零件的完整性以達到結構上可接受的水平。它是針對具體的缺陷和材料，而不是針對具體零件。質量保證部門應對損傷進行評估和描述。有4 類固化方法可以使用在復合材料的修理上。它們是加熱毯、烘箱、熱壓罐和室溫固化。根據要求修理材料的狀態和實際情況，在不同的條件下使用不同的固化方法。修理過程中通常需要考慮的事項包括損壞零件的位置、修理設計、裝配、存在看不見的缺陷的可能性、設備限制、附近材料等因素。

3）修補材料：采用的主要材料如預浸碳布、預浸玻璃布、干玻璃布、環氧膠、膠膜等，要根據實際要求進行選用。采用的輔助材料如真空袋、隔離膜、密封膠帶、透氣氈、吸膠材料等。

4）修補設備與工具：修補儀、熱壓罐、烘箱等等。

5）修補環境要求：根據具體單位的庫房、工作現場條件不同，應該遵守適度從嚴的原則。有鋪層操作的工序盡量在凈化間內操作，按HB、GJB相關標準執行。其他操作應在干凈的環境中進行。建議環境溫度15～30℃，相對濕度不大干70%。

6）缺陷修補方法：現有復合材料包括層壓板和夾層結構的修補技術并無統一標準可循，修補方案均見諸于各個公司的內部技術資料中或處于在研之列，雖然有挖補修理、填充修理、貼補修理、注膠修補、封邊修補、挖補和機械方法修補等類型，但從實用上分析依然是注膠法和挖補法比較切合實際。表1至表5列出了本項目擬采用的5種具體修補實施方案。

3 結語

目前復合材料的典型性損傷與典型性修補方法已基本定型，但是如何恢復修補后零件的完整性，如何使零件修補后增重較低，還需要進一步研究與探索。

On techniques of repairing defects of composite parts

WANG Ying
(Composites Factory of AVIC Xi'an Aircraft Branch, Xi'an, Shaanxi 710089,China)

The polymer matrix composites have been widely used in the aeronautics and astronautics fields to reduce the weight, enhance the performance and decrease the fuel consumption, and considered as the new generation of aeronautical structural materials after aluminium, steel and titanium. The polymer matrix composites can produce various defects during their manufacture and use, this paper introduced the techniques of repairing the defects of the polymer composites parts.

polymer matrix composite;defects;repair

表1 表面缺陷的消除、填充和整形修理Tab.1 Removing，filling and shape repairing of surface defects

表2 空腔和分層的注膠修理Tab.2 Injection repairing of voids and delaminations

表3 損傷孔/埋頭孔的修理Tab.3 Repairing of damaged holes and counterbores

表4 損傷蜂窩芯的去除Tab.4 Removing of damaged honeycomb cores

6 7 8 9 1 0修補蜂窩芯。預浸料修理鋪層鋪貼比最大修理鋪層至少大1.59 mm的膠層（濕法鋪貼修理不需要膠粘劑）。保持零件形狀和提供修理鋪層平滑過渡的墊片層。用修理鋪層替換掉所有除去的結構鋪層，且方向與原鋪層一致（蒙皮和加強件）。一個與最近的修理層材料形同，方向相同的額外結構（加一層）鋪層。結構修理的鋪層在其替代和插入的原來鋪層的上方應搭接大約12.70 mm。固化：根據預浸料的固化參數。無損檢查：對零件進行100%缺陷檢查。總檢：檢查零件表面質量。

表5 鋪層的去除Tab.5 Removing and laying up plies

TG494

A

1001-5922（2015）06-0083-04

2014-06-28

王瑩（1985-），女，主要從事復合材料零件制造技術的研究。E-mail：448173648@qq.com。