飛機(jī)復(fù)合材料維修中非常規(guī)固化技術(shù)的有效運(yùn)用

張 凱（北京飛機(jī)維修工程有限公司，北京 100000）

飛機(jī)復(fù)合材料維修中非常規(guī)固化技術(shù)的有效運(yùn)用

張 凱
（北京飛機(jī)維修工程有限公司，北京 100000）

非常規(guī)固化技術(shù)在飛機(jī)的復(fù)合材料維修中具有重要意義，隨著飛機(jī)使用復(fù)合材料的比重不斷擴(kuò)大，對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料維修技術(shù)的有效運(yùn)用就顯得越來(lái)越重要。對(duì)于飛機(jī)復(fù)合材料維修的非常規(guī)固化技術(shù)，主要有微波固化技術(shù)、電子束固化技術(shù)以及紫外光固化技術(shù)三種。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，飛機(jī)使用復(fù)合材料的比重還將持續(xù)加大，研究非常規(guī)固化技術(shù)將對(duì)復(fù)合材料的膠結(jié)固化維修起到重要作用。

飛機(jī)復(fù)合材料；維修；非常規(guī)固化技術(shù)；運(yùn)用

飛機(jī)復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度和剛度高、耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，相比于純鋼結(jié)構(gòu)，大量使用復(fù)合材料更有利于飛機(jī)制造和維護(hù)，因此復(fù)合材料也成為了目前民用航空器領(lǐng)域結(jié)構(gòu)材料的生力軍。目前民用飛機(jī)在包括蒸餾包皮、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)罩、擾流器、阻力版、起落架艙門(mén)等多個(gè)部位大量使用了復(fù)合材料，因其更優(yōu)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，復(fù)合材料越來(lái)越受到民用飛機(jī)制造商的歡迎。

1　微波固化技術(shù)

復(fù)合材料會(huì)因微波的作用而產(chǎn)生內(nèi)部溫度升高并逐漸融化的現(xiàn)象，并產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。微波固化主要借助“致熱效應(yīng)”和“非致熱效應(yīng)”原理［1］：“致熱效應(yīng)”認(rèn)為，微波固化是因使用微波導(dǎo)致復(fù)合材料升溫，以至于加速了其中的反應(yīng)而導(dǎo)致的；“非致熱效應(yīng)”則認(rèn)為，微波固化是因微波輻射場(chǎng)對(duì)例子和極性分子的洛倫茲力作用而導(dǎo)致。目前的觀念更偏向于采用“致熱效應(yīng)”來(lái)解釋微波固化技術(shù)，也就是復(fù)合材料受到外加的電磁場(chǎng)作用而導(dǎo)致其內(nèi)部的介質(zhì)發(fā)生極化，使得產(chǎn)生的極化強(qiáng)度矢量比外電場(chǎng)的一個(gè)角度落后，致使電場(chǎng)產(chǎn)生相同的電流，使得材料內(nèi)部的功率消耗，進(jìn)而將微波能轉(zhuǎn)化成了熱能。微波加熱和常規(guī)的、采用外在熱源加熱的方式不同，常規(guī)熱源的導(dǎo)熱途徑是由外至內(nèi)，而微波導(dǎo)熱則是因介質(zhì)損耗而引起的體積加熱，從這一點(diǎn)來(lái)看，微波能使復(fù)合材料的各個(gè)部位熱量均勻，并且微波加熱的速度也遠(yuǎn)超常規(guī)熱源，因此，微波固化技術(shù)效率較高、固化速度較快，并且更容易控制。微波固化技術(shù)的關(guān)鍵在于它可以使用便攜式的修復(fù)設(shè)備，目前我國(guó)研制出一種便攜式微波固化機(jī)，還有多種微波施加器。使用這些便攜式的設(shè)備能夠在20s左右的時(shí)間里完成固化修復(fù)工作，并且此方法修復(fù)過(guò)的復(fù)合材料強(qiáng)度可以達(dá)到原材料的八成以上。

2　電子束固化技術(shù)

電子在電場(chǎng)中受力，提高能量并經(jīng)過(guò)匯集后成束，其具有能量高和密度高的特點(diǎn)，在日常生活中，早期的電視機(jī)以及計(jì)算器等產(chǎn)品都運(yùn)用了電子束技術(shù)。在對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料的修復(fù)中，樹(shù)脂基符合材料中的樹(shù)脂通常采用電子加速器，為電子運(yùn)動(dòng)提供足夠的能量后，電子束照射到樹(shù)脂體系中，高能的電子會(huì)沖擊C-H鍵，為分子活動(dòng)提供足夠的能量，破壞原有熱平衡后，使一部分鍵斷裂并釋放大量的氫原子和處于活躍狀態(tài)的碳分子，形成和離子、電子以及自由基相同屬性的活性中間體［2］。此時(shí)，當(dāng)兩相鄰分子位置相近時(shí)，活躍狀態(tài)下的碳原子就會(huì)釋放活化能，從而形成化學(xué)鍵，化學(xué)鍵會(huì)促使兩個(gè)分子之間產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)，從而最終固化。電子束的原理就在于通過(guò)使用離子輻射照射就可以讓聚合物發(fā)生降解、合成或性質(zhì)改變的反映，而聚合物發(fā)生反應(yīng)的程度和材料本身的屬性與促進(jìn)劑、固化劑以及穩(wěn)定劑等因素都存在關(guān)系，通過(guò)電子束照射，復(fù)合材料會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，最終固化。電子束固化技術(shù)比常規(guī)固化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于，電子束固化技術(shù)能夠在室溫或更低溫的狀態(tài)下進(jìn)行，并且固化效率高，所需時(shí)間僅為數(shù)分鐘，最短僅需數(shù)秒鐘即可完成。電子束固化技術(shù)不僅可以完全避免構(gòu)件翹曲變形，還能忽略不同材料在流動(dòng)性和線性膨脹系數(shù)方面的各項(xiàng)差異。

3　紫外光固化技術(shù)

飛機(jī)復(fù)合材料之所以會(huì)產(chǎn)生裂紋，主要是由于變載荷，裂紋是飛機(jī)材料變載荷作用下的失效表現(xiàn)形式。紫外光固化技術(shù)有效利用了光敏劑的感光性，在紫外光的照射下，材料內(nèi)部的分子發(fā)生分解產(chǎn)生自由離子，使得不飽和的有機(jī)物進(jìn)行聚合、交聯(lián)等化學(xué)反應(yīng)，最終達(dá)到加固材料的目的。理論上，所有波長(zhǎng)的光段都能引起復(fù)合材料的固化反應(yīng)［3］，但目前主要使用的光固化技術(shù)為紫外光，采用便攜式紫外光發(fā)射器，對(duì)光敏膠的修復(fù)區(qū)進(jìn)行照射就可以快速固化復(fù)合次材料。紫外光固化技術(shù)可以在溫度較低的環(huán)境下進(jìn)行，并且固化速度較傳統(tǒng)常規(guī)的固化技術(shù)來(lái)說(shuō)更快。另外，紫外光固化的過(guò)程更簡(jiǎn)潔，也不需要非常高端、精密、昂貴的儀器，使用成本很低，目前已經(jīng)在對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料的固化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。雖然紫外光在修復(fù)飛機(jī)復(fù)合材料方面具有很多優(yōu)勢(shì)，但也存在一些缺點(diǎn)：第一，當(dāng)前所使用的紫外固化膠剪切強(qiáng)度較低，在20MPa以內(nèi)只能應(yīng)對(duì)非常輕微的損傷；第二，紫外光固化技術(shù)需要復(fù)合材料粘連體具有較好的透光性，因?yàn)檫@里所使用的紫外光穿透力都很差，最大也僅為2mm，最多能應(yīng)對(duì)材料表面的固化處理。

4　結(jié)語(yǔ)

隨著復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的占比越來(lái)越大，未來(lái)對(duì)復(fù)合材料的固化修復(fù)技術(shù)應(yīng)用將變得越來(lái)越重要。復(fù)合材料由于其高強(qiáng)度、耐腐蝕以及較高的經(jīng)濟(jì)性，目前已經(jīng)在飛機(jī)制造領(lǐng)域占有重要地位，盡早深入地研究復(fù)合材料更新、更經(jīng)濟(jì)、更高效的固化技術(shù)目前看來(lái)已經(jīng)是勢(shì)在必行。

［1］文友誼，文瓊?cè)A，李帆等.碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料微波固化技術(shù)［J］.航空制造技術(shù)，2015，58（z1）:61-64.

［2］范興，張丹峰.電子束固化在軍機(jī)先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理中的應(yīng)用探討［J］.環(huán)境技術(shù)，2013，56（z1）:173-175.

［3］劉博，李勇，肖軍等.雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂紫外光固化工藝及其力學(xué)性能［J］.航空學(xué)報(bào)，2014，35（05）:1424-1432.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.257