淺析復合材料制造過程中的缺陷處理

何林鋒　張鵬飛　李希巖

【摘 要】復合材料制造過程中，不可避免地出現缺陷，本文正是基于制造過程中出現的缺陷加以分析和總結，為后續處理相關問題提供一定的經驗支持。

【關鍵詞】飛機；復合材料；制造；超差處理

復合材料在飛機結構上的應用走過了一條由小到大、由次到主、由局部到整體、由結構到功能的發展道路[1]。復合材料具有比強度高、比剛度高、可設計性強以及比較好的疲勞斷裂和耐磨腐蝕性等優點，使得零件的減重效果高達30%，然而復合材料制成的零構件要比金屬材料制成的相同零構件成本高很多[2]。因此，在復合材料制造過程中出現的超差問題如何解決成為當務之急。這不僅需要考慮該超差是否影響結構功能的實現，而且還需要權衡后續的裝配。

本文將探討復合材料制造過程中的缺陷原因和處理方法。復合制造缺陷包括外形尺寸缺陷，外觀質量缺陷和內部質量缺陷。

1 外形尺寸缺陷

外形尺寸缺陷包括厚度超差、輪廓度超差和軸線超差。

1.1 厚度超差

厚度超差的原因：1）零件偏薄：在零件固化過程中樹脂流失過多；2）零件變厚：鋪貼過程中預壓實不夠或者在R角區域固化過程中樹脂容易堆積。

厚度超差對結構強度的影響較大，工程一般都會對厚度超差在20%以內的進行層合板彈性性能，強度性能和整體承載能力進行實驗評估后再決定能否能繼續使用。對于超差20%以上的一般都會采取報廢或者增加特制件的方法。

1.2 輪廓度超差和軸線超差

輪廓度超差的原因：1）零件固化前后會回彈；2）復合材料和工裝的熱膨脹變形率不一致。

軸線超差一般出現在蒙皮與筋條共固化的時候，固化過程中由于工裝與復合材料熱膨脹變形率不一致。

輪廓度超差和軸線超差對結構強度的影響較小，但是對裝配仍有可能出現干涉或者間隙，因此處理此類超差主要考慮與其他零件的裝配。

2 外觀質量缺陷

外觀質量缺陷包括表面劃傷、纖維褶皺、凹陷、凸起、翹曲和階差。

2.1 表面劃傷

表面劃傷大多為人為失誤造成。

表面劃傷的處理基于劃傷的深度，如果表面劃傷深度可接受，則會采用材料相應的樹脂來填平，而如果劃傷深度不可接受則會考慮增加特制件或者報廢。

2.2 纖維褶皺、凹陷和凸起

纖維褶皺，排除人為因素，一般是由于處于工裝還不成熟階段。

凹陷和凸起是因為壓力墊軟膜不夠平整導致的。

纖維褶皺、凹陷和凸起對結構的剩余強度有一定的影響，可以通過圖1[3]來評估，與此同時還需采用一定的方法阻止以上缺陷引起的分層。

2.3 翹曲

翹曲的原因比較特殊，是由于鋪層不對稱造成。

翹曲對強度有一定影響，可通過強度計算評估，但是對于裝配卻有著重大影響。翹曲嚴重而又不容易變形的零件在裝配過程中無法糾正，會導致裝配不能貼合或者影響結構功能正常使用。

2.4 階差

階差的原因是由于不同工裝在對接處樹脂在固化過程中流動，且封裝時不同厚度處壓力存在差異。

階差的處理思路和纖維褶皺的類似，可參照處理。

3 內部質量缺陷

內部質量缺陷包括內部分層和孔隙率超差。

3.1 內部分層

內部分層通常以分層面積大小來評估對結構的影響，分層出現的原因大多為工人鋪貼技藝不成熟。

內部分層對強度的影響較大，工程上一般通過增加緊固件來預防分層的擴展。

3.2 孔隙率超差

孔隙率超差的原因一般為工裝配合不緊密，沒有壓實。

孔隙率對復合材料的層間強度影響較大，從而會引起結構的剛度折減，但對結構穩定性影響較小。需要評估折減后的剛度是否仍能滿足當前結構的設計要求。

4 總結

復合材料在制造使用過程中難免會出現缺陷或者超差，但是研究復合材料更重要的是如何處理超差才能彌補超差帶給整個裝配結構的影響。本文僅給出了常用超差處理的方案研究，具體問題還需要具體分析。

【參考文獻】

[1]岳珠峰，王富生，王佩艷，等.飛機復合材料結構分析與優化設計[M].北京：科學出版社，2011.

[2]牛春勻.Composite airframe structures[M].北京：航空工業出版社，2010.

[3]F.C.Campbell.Structural Composite Materials[M].ASM International，449-451.

[責任編輯：田吉捷]