飛機復合材料結構修理技術

徐磊

【摘 要】隨著現代航空業的飛速發展，復合材料在飛機上的應用日趨廣泛，與此同時大量的飛機也進入了維修高峰期。由于飛機本身的造價非常昂貴，相應地對飛機的維護需用的費用也居高不下。在日益競爭的商業環境中，飛機停場造成的經濟損失將是非常巨大的。而修理方法是否便捷經濟，修理效果是否良好，又決定了其能否快速恢復運營，提高飛行安全的重要因素[1]。本文首先簡要介紹了復合材料在飛機上的應用，當今復合材料修理的幾種工藝，然后舉了一個蜂窩修理的例子來介紹復合材料修理的相關步驟。

【關鍵詞】飛機；復合材料；修理；應用

1 復合材料在飛機上的應用

復合材料是由兩種或兩種以上的不同材料、不同形狀、不同性質的物質復合形成的新型材料。一般由基體材料和增強材料所組成。復合材料可經設計，即通過對原材料的選擇、各組分分布設計和工藝條件的保證等，使原組分材料優點互補，因而呈現了出色的綜合性能。

隨著玻璃纖維、凱夫拉、碳纖維等復合材料的發展，并且早期復合材料結構的使用預示著復合材料運用的輝煌。在飛機上翼尖小翼、雷達罩和尾錐上少量玻璃纖維增強塑料的使用標志著飛機設計上復合材料的重新應用。從那時起復合材料在這些部件上的成功應用導致在每一種新機型上復合材料應用的增加。波音747使用了超過10000平方英尺表面的復合材料結構。在過去幾年當中先進復合材料技術運用到諸如大翼面板、地板梁等主要結構上[2]。顯而易見對基本復合材料結構和復合材料結構修理技術的理解對航空企業特別是航空維修企業是多么重要。

2 復合材料結構修理技術

飛機復合材料的修理目的是最大限度的恢復飛機結構的完整性和安全性，主要修理的效果如何與多種因素有關，如修理后的強度、耐久性、氣動平滑度、重量、工作溫度、環境因素等[3]，強度主要考慮恢復結構的剛度、靜強度和疲勞強度，因此，為了避免修理中出現意外的錯誤，必須嚴格按照一定的操作規程進行，一般的修理程序為：

找出損傷區域→評估損傷的程度→損傷應力的評估→修理方案設計→修理結構的準備→補丁的制造→補丁的安裝→修理后的無損檢測。當今復合材料修理的主要工藝有以下幾種：

2.1 復合材料的連接和打孔

飛機復合材料不同于其他金屬或合金材料，由于自身的特點，在修理時容易出現下列問題[4]：復合材料件裝配前的鉆孔困難，容易磨損鉆具，鉆孔附近易出現分層現象；復合材料與金屬件連接時，由于電位差較大，容易腐蝕金屬件；復合材料裝配時易造成損傷等，基于這種種原因，必須對打孔和連接工藝做特殊的處理，才能保證復合材料件的安裝和修理后的使用安全。

2.2 膠結修理技術[5]

膠結修理的應用非常廣泛，它的優點是導致應力集中小，增重少。缺點是對施工環境要求高，質量難以控制，其應用主要在下面3個方面：

1）裝飾性修理。對僅影響氣動外觀的小損傷如小凹坑、劃痕、脫漆等進行的修理。

2）注膠修理。小面積脫膠或分層用該種方法修理，方法是鉆一些通往損傷層的小孔作為注膠孔和溢膠孔，將加熱的膠液用注膠槍從注膠孔注入，滲透到損傷層并從溢膠孔流出為止，然后加熱時膠液固化二完成修理。

3）補強修理。對豬承力構件的較大損傷，要用補強板修理。補強板膠接修理有兩種方法：（1）外補強板修理，主要用于薄的層合板及蜂窩板的修理，用該種方法修理后的結構強度可達原結構材料強度的50%-80%。（2）光滑外表面修理，主要用于較厚板或氣動光滑性要求嚴格部位的修理修理效率高，修理后結構強度可達原結構材料極限強度的60%-100%。

2.3 鉚接（或螺接）修理技術

鉚（螺）接修理技術適用于較厚的整體壁板，常用的補板材料是鋁合金和鈦合金[6]。鋁合金和碳纖維復合材料接觸時容易發生電化學腐蝕，因此，在用鋁合金修補時要在鋁合金板和復合材料之間進行隔離，制作隔離層。鈦合金不存在這樣的問題，可以直接用于復合材料修補。

2.4 微波快速修復

復合材料微波修復技術是指將微波引入復合材料修補領域，在修復區注入微波吸收劑，以提高修復區材料的導電磁率，同時用特殊設計的微波施加器對修復區施加微波能，使之在數十秒內形成新的、更強的界面，見那個損傷或缺陷修復[7]。

2.5 光固化預浸修理技術

光固化預浸膠接修理技術是利用光敏膠固化速度快的特點和適宜的力學性能，以光敏膠作基體樹脂，用玻璃纖維作為增強材料，預先制備成預浸修理補片，根據修理對象的需求，選用合適的修理補片，在紫外光的輻照下迅速固化，以達到快速修復飛機蒙皮表面裂紋、孔洞、腐蝕、灼燒等損傷的方法。

3 復合材料結構修理實例

復合材料結構修理的一般要求：

a.滿足結構強度，穩定性要求，即恢復結構的承載能力，在壓剪載荷下不失穩。

b.滿足結構剛度要求（包括撓度變開，氣彈特性和載荷分布及傳遞路線等）。

c.滿足耐久性要求（包括疲勞、腐蝕、環境影響等諸方面）。

d.修理增重小，操縱面等動部件滿足質量平衡要求。

e.氣動外形變化要小，即保證原結構表面光滑完整。

f.修理所用時間要短，以滿足使用需要。

g.修理費用成本要低。

根據損傷情況，以及可能提供的修理條件（修理經驗和修理材料、設備等）選擇最佳的修理方法。

以損傷的蜂窩結構為例，來介紹復合材料的修理技術，下面就按照上述步驟來一一介紹：

1）確定損傷區域，做目視檢查來確定損傷程度；檢測是否有水、油、燃料或者其他有害物質進入部件，使用X射線檢查方法檢測水是否進入部件；檢查部件損傷附近是否存在分層

2）清除損傷，在需要更換蜂窩的修理中，可采用各種不同的手持工具來切除損傷。對于較大的、形狀多變的損傷，可以選擇特形銑刀、80號和150號砂輪以及切割機等。對于形狀為圓形的損傷，可以選擇不同外徑的孔鋸。

3）切除損傷，應盡量使用導向裝置。切除損傷蒙皮后要修正邊緣，切口形狀為帶圓角的矩形、圓形或橢圓形。要注意切除損傷時不能損傷完好的纖維鋪層、蜂窩和周圍材料。當蜂窩也有損傷時，按與蒙皮切口相同形狀切除受損蜂窩。切除蜂窩必須超過目視損傷范圍至少0.5in。同時要避免損傷對面完好的蒙皮。

4）測量修理區域切口的深度和直徑，按照測量的深度大0.04in，直徑稍大的尺寸切一個蜂窩芯塞必須與原來的蜂窩或者蒙皮表面齊平，并且要與周圍蜂窩密切接觸。清潔、干燥蜂窩芯塞

5）在修理蜂窩芯子周圍涂上粘稠劑的膠黏劑。

6）制作浸有樹脂的玻璃纖維布，尺寸與損傷切口相同

7）將玻璃纖維布平鋪在安裝好的蜂窩芯塞上

8）完成蜂窩芯塞安裝之后，對修理進行封裝，為固化芯塞做準備。需要依次鋪放熱電偶、一層帶孔的隔離膜、一層透氣氈、電熱毯、熱電偶、透氣布、抽真空罐和真空表的接頭座，鋪好后打包真空袋。

9）加溫固化，在完成蜂窩芯子修理之后，需要將熱電偶、電熱毯和抽真空設備等于熱補儀連接，設定需要的溫度、溫升率、保溫時間和降溫速率。

10）檢查和修整，在修理區域完成固化并拆除封裝材料后，檢查蜂窩芯塞與原蜂窩的粘結情況，打磨端面，使之形成平整、光滑的表面，并清潔表面。

在修理合格的表面上打磨清潔后恢復原有漆層，到此復合材料蜂窩夾層結構修理完成。

4 結束語

復合材料在飛機上的應用，有了較長的應用歷史，其修理技術也隨之得到了相應的發展，但同材料領域的研究與發展相比，復合材料在飛機上應用的種類、數量卻極其有限，主要還是以碳纖維復合材料為主，這也就限制了其修理技術的相對單一，技術含量有限，在許多方面還無法滿足飛機快速高效、高可靠性和安全性的需要[8]。同時，結構修理是目前阻礙復合材料進一步擴大應用的兩個主要問題之一（另一個問題是復合材料成本），如何提高修理水平，降低維修成本是非常重要的問題。針對不同的損傷需要確定不同的修理方案，在滿足結構修理的要求下如何可以更經濟，快捷高質量地完成修理仍是一個待研究的熱點問題。近年來，隨著國內在材料研究與應用方面取得的一些重大進展，研究機構和隊伍規模也在逐漸壯大，但是在復合材料應用及其修理方面的研究和人才培養方面和國外相比略顯不足，特別是民航領域飛機復合材料方面的人才培養和研究亟需加強。

【參考文獻】

[1]陳亞莉.俄羅斯飛機用復合材料的發展[J].航空工程與維修，1999（2）：26-27.

[2]張立.復合材料飛機地板[J].航空制造工程，1996（1）：21-22.

[3]楊乃賓.國外復合材料飛機結構應用分析現狀[J].航空制造技術，2002（9）：21-22.

[4]呂建坤.飛機復合材料結構件的連接技術[J].航空制造工程，1995（4）：25-28.

[5]呂建坤.飛機復合材料結構的修理技術[J].航空工藝技術，1996（6）：40-42.

[6]文圓.飛機復合材料結構修理的應知應會（I）[J].航空工程與維修，2002（3）：27-28.

[7]許陸文，代永朝，苗勵剛.飛機結構戰傷復合材料微波快速搶修技術[J].航空工程與維修，2002（3）：17-21.

[8]李釅.飛機復合材料及其修理技術[Z].

[責任編輯：湯靜]