復合材料在飛機上的應用與修理

仇思 鄧迪 仇恩

摘要：中國在飛機結構方面的研制水平不斷提高，復合材料憑借其結構簡單、維護便利、重量輕、使用壽命長、可靠性高的優勢普遍應用于現代飛機結構，為飛機的有效載荷提高和起飛重量增加提供必要條件。由于飛機結構的復雜性，復合材料飛機結構的維修是擺在飛機結構從業人員面前的難題。

關鍵詞：復合材料;飛機;應用;修理

復合材料是指有機高分子、無機非金屬或金屬等幾類不同材料通過復合工藝組合而成的復合材料，它既能保留原有組分材料的特色，又通過材料設計使各組分的性能相互補充并彼此關聯與協同，從而獲得原組分材料無法比擬的優越性能。復合材料特別是先進的復合材料在民航飛機結構上應用越來越多，飛機復合材料結構在使用中經常會出現損傷，損傷原因、種類繁多且難以避免，下面筆者就飛機復合材料的修理談談自己的看法。

1 我國先進復合材料的發展現狀

自20世紀70年代開始，復合材料的研究就已經在我國起步，經過近50年的發展，我國復合材料的技術水平得了巨大的提升，并且取得了顯著的應用成效?，F階段，復合材料在飛機、火箭以及宇航器等領域的應用，正逐漸從次承力構件向主承力構件轉變，在民機、軍機、航空發動機、宇航器以及火箭等領域得到了廣泛應用，即先進復合材料已經進入了實踐應用階段。與此同時，我們也要清醒地看到，與歐美等發達國家相比，我國的先進復合材料無論是在技術的發展上還是在研究成果上都存在一定差距，尤其是在先進復合材料的設計理念和應用規模上呈現出明顯落后的局面。以軍用戰斗機為例，我國戰斗機上的先進復合材料的運用比例普遍低于國外的先進戰斗機，僅少數型號戰機上運用的先進復合材料的比例超過20%，即使我國最先進的殲20戰機，其先進復合材料的運用比例也只達到了27%。

2 復合材料在飛機上的應用

2.1 旋翼槳葉上的應用

通過對復合材料的早期使用，發現了復合材料的突出優點。其優良的抗疲勞性能、多通道加載的慢速傳播和相對簡單的成型過程都十分契合旋翼槳葉制造和使用。該材料的應用不僅提高了飛機運行的安全性，而且延長了葉片的使用壽命，降低了維護成本，提高了航空公司的經濟效益。通過專業人員對新型旋翼槳葉的研究，研制了一系列新型飛機槳葉葉片。其主要特點是葉型從對稱到完全彎曲，不對稱;槳葉頂端的形狀由矩形變為掠型和尖形，提高了葉片的載荷分布、振動、槳渦干擾和噪聲特性，提高了轉子的工作效率。該設計還實現了葉片性能的優化和減振降噪，在使用過程中取得了顯著的效果。

2.2 機體結構上的應用

機體是典型的對重量敏感的結構，外形復雜且零件尺寸較大，適合復合材料在機體結構上的應用，提高機體的損傷容限，使飛機的操作更加安全可靠，滿足飛機的碰撞吸收能量和隱身結構的設計要求。早期復合材料主要用于天線罩，副翼，襟翼等次承力結構。而隨著復合材料技術的發展，飛機的機翼，尾翼，機身的主承力結構上復合材料的用量也大大增加。復合材料構件和鋁合金構件相比，在重量、可靠性、生產成本和維護方面都有良好的效益。如復合材料在閥體和尾鰭和尾梁構件中的應用，能夠有效的減輕重量和方便成型。

3 復合材料的損傷

復合材料在使用中始終保持完好無損、性能不變是不可能的，很多自然因素和人為因素都會造成復合材料的各種損傷，一般來講，其常見的損傷形式有如下幾種：①表面損傷。這種損傷主要傷及材料的表面或近表面，如擦傷、劃傷、凹陷、氣泡和分層等。②沖擊損傷。大到與跑道上的車輛、設施相撞，小到與跑道上飛起的石子、砂礫，空中飛來的冰雹、小鳥及工作人員失落的工具等相撞造成的損傷。③分層。如層壓板分層，面板與蜂窩芯分層等。④脫膠。如膠接面脫膠，層壓板脫膠及面板與蜂窩芯之間脫膠等。⑤慢性長期損傷。如疲勞裂紋等。⑥滲水、吸潮損傷。制造過程中產生的損傷，如氣孔等。

4 復合材料修理

4.1 非補片修理

在修理區域不加任何補片材料，主要用于修理比較小的缺陷和損傷，修理工序比較簡單，在外場比較短的時間內即可完成修理工作。該修理方法主要有下列幾種情況：

（1）注射法。層壓板中脫膠、小分層及結構連接處縫隙等適用該方法進行修理。注射法在進行小損傷修理時具有較好的效果。具體方法是將配好的樹脂注入損傷部位，并給損傷部位加熱進行固化，通過注射樹脂來修復填補損傷。

（2）混合物填充法。該法在復合材料維修中與注射法類似，用樹脂-短切纖維混合物替代樹脂。這種方法在蜂窩夾層中進行損傷修理以及表面范圍修復工作中具有良好的修復效果，可以修復飛機復合材料結構中較小的缺陷和損傷。

4.2 非補片式修理技術

根據補片的結構形式、補片材料及修理工藝的不同，可將補片修理分為以下幾種方法：

（1）外搭接補片膠接法。此法可修理蒙皮或2mm厚的較薄層壓板，在外場容易實現，且材料強度可恢復到70～100%，故該方法應用比較廣泛。

（2）外搭接補片螺接法。本方法適用于修理厚層壓板（8～25mm），一般補片為金屬材料，如呂、鈦等，修理較為簡便，適用于外場緊急修理。

4.3 注意事項

1）樹脂與纖維層之間的重量比例要按照手冊要求保證準備。

2）確保每一層纖維布安裝方向與修理區域對應手冊標示的纖維層方向一致，以保證面板正確的強度。

3）使用鋒利的剪刀裁剪纖維布，標記纖維方向;確保纖維絲沒有斷裂或損壞，纖維布沒有任何損壞或污染。

4）檢查損壞的區域時，特別注意檢查相鄰的結構狀況。

5）復合材料修理完成后，應根據手冊要求對飛機進行稱重，并確保飛機重心在限制范圍以內。

6）完成操縱舵面復合材料修理后，應嚴格執行舵面稱重、配平工作。

7）完成修理后，確保所有漏水孔、通氣孔應無堵塞。

8）禁止皮膚接觸到樹脂、固化劑、清潔溶劑等，以免造成損傷。

9）任何復合材料修理必須嚴格按照手冊對應程序執行。

綜上所述，航空技術是一個國家工業水平先進與否的判定標準。航空技術發展程度越高，需要的航空材料性能越強，航空復合材料的出現對于推動航空領域的發展具有舉足輕重的意義。國際航空發達國家占據了復合材料研發的先機，我國航空領域的進步必須完成復合材料發展的后來居上。我們必須認清復合材料的重要意義，利用后發優勢，多方位營造復合材料的研發環境，縮小與國際先進水平的差距，實現我國航空技術的超越。

參考文獻

[1]宋吉.基于高分子復合材料的飛機結構件研究進展[J].塑料工業，2018，46（10）：17-21.

[2]張偉，趙荃.民用飛機復合材料平尾翼根整流罩設計與驗證[J].機械設計與制造工程，2018，47（09）：80-85.

[3]胡師鋒. 復合材料層合板貼補修理的研究[D].暨南大學，2018.