航空復合材料結構修補技術與應用

魏建義

（安陽職業技術學院，河南 安陽 455000）

航空復合材料結構修補技術與應用

Aerospace composite structures repair technology and applications

魏建義

（安陽職業技術學院，河南 安陽 455000）

航空復合材料的損壞主要來源于外界沖擊以及腐蝕，由于材料的特殊性，修補也不能沿用傳統的金屬材料修補方法，而是應當采用特殊的設備及環境場合。而修補過程應當更加注重其效率，即能讓材料結構盡快恢復到完整狀態，同時又能保證經濟性。而筆者將通過本文，就航空復合材料結構修補技術與應用方面，對幾種常用的修補方法進行分析和探討。

航空復合材料；結構修補技術；研究與應用；航空設備

隨著科技的不斷發展，我國各大行業也得到了相應的提升。而航空業就是其中之一，安全性一直都是其備受矚目的一個方面。特別是在目前時代背景下，民眾基本物質生活水平已經得到滿足，從而將目標轉變為生活的便捷化，而航空復合材料則是航空設備采用的一種特殊材料，具有更高的強度和可靠性，特別是對于低溫和高溫的耐受能力，都是一般金屬材料所不具備的。但是隨著時間的推移，材料依然會產生磨損，所以對其進行修補也是十分關鍵的。而對于目前來說，我國航空復合材料的修補已經有一些成功的案例，同時技術水平也已經逐步成熟，所以修補工作開展也具有一定的基礎。

1 航空復合材料結構的修補原則

1.1 基本修補原則

航空復合材料的基本修補原則主要是側重于修補的便捷性，經濟性以及效果情況進行考慮，主要可以分為幾個方面。其一，修補的強度和硬度滿足要求，同時可以保證材料結構的承載和運用功能獲得恢復，特別是在整體結構的恢復方面；其二，修補時整體結構會出現重量增加，所以修補需要控制好重量增加的范圍；其三，需要保證原理材料結構的光潔度和完整性，如果材料用于航天，則需要保證其氣動外形變化不大；其四，修補具有較強的操作性，同時不需要太多的器材和設備；其五，修補具有一定的經濟性，可以保證成本投入在一定范圍內[1]。

1.2 結構修補原則

對于修補人員而言，除了需要注意基本的修補原則以外，同樣還需要注意結構修補的原則，也可以從五個方面進行入手。其一，修補時需要對修補的通道進行預留，以便于后期的檢查和加工工作開展；其二，損壞比較頻繁的位置可以進行重新設計，即如將位置的零件設計為可以拆卸或者替換的，諸如螺栓連接等；其三，考慮損傷位置的修補余量，即如擴孔余量等；其四，采用組合構件設計，可以降低修補的工作量以及難度性；其五，修補時需要保證整體構件需要拆卸的零件盡量少，避免安裝消耗過多的時間。

2 航空復合材料結構的修補技術分類

2.1 機械連接類

這類修補技術主要是通過連接或者鉚接以達到相應的目的。一般來說，即是在修補位置外表采用螺栓或鉚釘進行固定補片修補，即可保證損壞位置的載荷傳遞路線又能夠恢復其功能，而其優點也顯而易見，即不存在復雜操作，避免修補過程的冷藏加熱，所以設備功能要求較低，最后修補連接件位置處理不需要太多需求，同時施工更加快捷，修補性能十分可靠。但是修補缺點也是不可忽視的，即如連接孔處過于應力集中；此外，采用機械連接修補技術還需要解決幾個關鍵問題：

（1）補片采用的材質（一般采用欽合金、鋁合金、不銹鋼等纖維復合材料）、厚薄以及形態；

（2）緊固件的材質（常用單面螺栓或抽芯鉚釘）和類型；

（3）緊固件的位置排布（間距一般為4~5D，孔邊距為3D，保持和鉚釘孔的間距）；

（4）科學的打孔技術；

（5）打孔對于整體結構的效果；

（6）緊固件的安裝、配置以及保存問題[2]。

2.2 膠接類

膠接類修補技術，故名思議即是對損壞位置外部以膠固定一個合適的補片，以達到功能的恢復。而且采用膠接法以后，損壞部位的也具有更強的調節性，諸如可以進行切除，同時對切除位置以填料膠或成形填補塊進行填充。所以對于膠接類修補法，主要可以分為貼補、挖補等幾類。

首先是貼補修補，其原理是通過膠接一些外部貼補片以完成結果的修補，但是貼補修補的使用范圍比較窄，主要的運用范圍進行在于一些平面位置的修補，同時是針對一些氣動外形無關緊要的位置，而貼補補片的材料則可以選用鈦、鋁、不銹鋼等材質的金屬或者是碳/環氧、硼/環氧等類型的符合材料，而其中的膠接和共固化可以同步完成。最后，對于外貼補片的材料選擇，優先選取與母體材質類似的預浸材料。

其次是固化完成的符合材料層板，鈦、鋁合金金屬材料。膠接修補法可以降低修補的難度和操作時間，但是對于修補位置的氣動外形并沒有較大的修復效果；其次是挖補修補，主要是對于損傷部位的損壞處進行完全的清理，再采用新的材料進行填充，而根據填充的方式不同，又可以將其劃分為兩類，即斜接填充和階梯填充，即如斜接法，主要是將損壞位置進行二次修整，保證其呈現斜面狀，然后采用新的材料進行補充，而對于基于膠接面的剪切則可以保證其勻稱性，同時避免載荷偏離、剝離應力過小的問題，所以修補效果更好，特別是關于厚層合板方面的修補完全可以忽略厚度因素，就可以保證修補位置表面恢復光潔。但是相對于貼補法而已，這種修補往往存在工藝難度性，同時需要花費較長的周期，因為需要特定的環境以及設備，所以一般在修補廠或生產廠家比較多見；再者是階梯修補，與斜接修補類似，階梯修補主要是將損壞位置修整為階梯型，然后通過新的材料進行填充，而這種方法主要考驗的是修補人員的水平，而且需要借助一些專業的器材，而修補的關鍵難度在于臺階的修整，需要技術和耐心并存，因為需要對于沒有受損的材料進行清除，所以需要更多的風險，而階梯修補在開始前首先需要對修補位置進行打磨，直到整個位置形成一個個寬度均勻的臺階，深達損壞位置即可[3]。

2.3 其他修補類

對于航空復合材料來說，由于運用的區域以及本身材質的特殊性，從而導致其損壞程度也與普通金屬材料具有本質的差異性。所以無法將其與傳統的修補方法相提并論，而筆者在前文已經重點介紹了一些目前常用的修補方法，即貼補修補和挖補修補。而基于這兩種修補方法，目前工業還發展出更多新型的修補，即如電子束固化修補、光固化修補以及微波修復等等。而這些修復法則往往具有較快的修補效率，但是材料獲得能量的方法存在差異性，例如微波修補，則主要采用的是一種特殊的“膠接”方法，即在損壞地方加入微波吸收劑，然后強化該位置的磁導率，然后以特定的微波施加設備對修補位置導入微波，最終使其在較短的周期產生全新的、高強度的修復面，最終完成損傷的修補。

3 航空復合材料結構的修補技術運用

復合材料結構的修補技術主要可以運用在航天領域，即如：某廠生產的直升機由于生產流程出現操作失誤，進而導致材料受損，即材料蒙皮呈穿透裂傷，傷痕呈現梯形，長度約合16 mm，同時與兩邊距離為83 mm，如果根據受損問題以及特征，則可以選擇膠接方法進行修復，而補片選擇主要是要求其外觀平坦，具有較強的粘結性，同時材料本身質量較小，所以采用3236/T300預浸料最為合適，即可保證對于復合材料結構的修復效果。另外，直升機本身對氣動外形具有較高的要求，這些都需要通過修補流程的細化進行管控，諸如采用貼補法，就可以將這種不利的影響降至最低，詳細的三個修補步驟如下。

首先，根據結構表面進行判斷，找出損壞區域，同時標明切除的位置以及坐標，以金剛石掏芯，找出相應的盲孔，然后以圖紙為標準算出相應的深度，最后再將計算的深入減去0.11~0.12 mm，得出實際的深度，另外如果掏盲孔存在一定難度，則可以采用掏芯鉆頭確定盲孔位置。另外，修補位置需要以金剛石作為切割材料完成擴孔打磨，最后在對其表面進行完整加工，即需要保證加工表面的傾斜程度符合要求；其次，是對損傷區域進行修補，可把膠膜、預浸料及其擋板放置于修補位置上，然后預浸圈根據損壞位置的特征進行調整，本次修補采用的補片直徑為66 mm，纖維方向保持在-45°；最后是成型操作，即基于室溫進行真空抽取，壓強約為0.09 MPa左右，同時配合每分鐘1.5 ℃的升溫速率將溫度提高至80 ℃，并且保留此溫度1.5 h，最后再將溫度提升至120 ℃保持2 h，再讓其自然降溫。

4 結語

根據本次修補流程分析，在該復合材料修補后，其承載能力較明顯的提升，即如修補前的失穩載荷190 kN；破壞載荷246 kN；第一拐點載荷125 kN；而通過修補后，失穩、破壞和第一拐點的載荷分別為280 kN，391 kN及155 kN。由此可見，以上顯著差異，即表明3236/T 300預浸料可以直接用于貼補貼補修補，同時能夠保證結構的損壞得以恢復，同時通過其修補的材料強度甚至可以超過原材料結構的強度，材料的使用效果完全得到恢復[5]。

對航空行業來說，設備的可靠性和穩定性也是一個極其重要的特性。但也由于受到環境、工藝以及材質的影響，材料本身的損傷會隨著使用周期的增加不斷增大。而對于整個設備的安全性也無法保證甚至影響到行業的整體運作，所以需要通過相應的修補方法進行修補。而修補時除了在補片的選材以及修補的方法方面需要進行相應的篩選，同時還需要注意修補的操作以及流程都需要符合科學標準，同時修補采用的方法需要根據修補器械的運用環境以及功能進行考慮，即如飛機等需要考慮氣動外形的完整性等，最終通過細致、有效的修補以達到相應的效果。

[1] 李劍峰，燕瑛，廖寶華，馬健，張濤濤，劉波.復合材料蜂窩夾芯結構單面貼補彎曲性能的分析模型與試驗研究[J]. 航空學報，2013，04（04）：1884~1885.

[2] 郭彥江，黃俊，蒙志君，何維. 復合材料層合板貼補修理穩定性研究[J]. 玻璃鋼/復合材料，2013（02）.

[3] 蘇維國，穆志韜，郝建濱，陳定海. 金屬裂紋板復合材料修補結構的超奇異積分方程方法[J]. 黑龍江科技信息，2014，11（11）：31~34.

[4] 孫雨辰，季佳佳，馮蘊雯. 航空復合材料結構修理方法[J].航空制造技術，2015，10（10）：96~98.

[5] 杜善義，關志東. 我國大型客機先進復合材料技術應對策略思考[J]. 復合材料學報，2008 （01）.

[6] 汪源龍, 程小全, 候衛國, 張衛方. 挖補修理復合材料層合板拉伸性能研究[J]. 工程力學，2012， 29（07）: 328~334.

[7] 陳紹杰. 復合材料結構修補指南 [M]. 北京. 航空工業出版社，2001.

[8] 王躍全. 飛機復合材料結構修理設計漸進損傷分析[D]. 南京航空航天大學，2010.

[9] 沈軍，謝懷勤. 先進復合材料在航空航天領域的研發與應用[J]. 材料科學與工藝，2008.

[10] 周圣林，董一平. 飛機復合材料的NDT方法研究[J]. 飛機設計，2007.

(P-06)

V25

1009-797X (2015) 24-0146-03

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.24.059

魏建義（1965-），男，工學士，畢業于中國人民解放軍空軍工程學院，講師，研究方向為航空機電設備維修。

2015-11-09