飛機復合材料損傷及修理技術淺析

鄭志偉

航空工業哈爾濱飛機工業集團有限責任公司 黑龍江哈爾濱 150066

飛機所用復合材料如果出現脫膠、蜂窩夾芯板脫層、分層、表面氧化、表面鼓泡等損傷，會對飛機的正常飛行產生較大的影響，需要定期對復合材料部件進行檢查，根據復合材料的結構損傷特點及裂紋特性，按照相關修理原則對損傷和缺項進行修復，才能確保飛機的運行安全。本文對飛機復合材料損傷及修理技術進行了分析探討[1]。

1 復合材料的特點

復合材料是通過復合工藝將有機高分子、無機非金屬或金屬等幾種不同材料組合而成的，既保留了原有組分材料的特性，又通過工藝組合將各組分材料的性能進行互補，獲得比原組分材料更加優越的性能。

1.1 質量輕、強度高

飛機結構應用的碳纖維復合材料質量輕，強度高，相比金屬材料不易腐蝕，能增長零部件的使用周期，減少零件更換的成本，并且利于整個飛機減重和省油，飛機一個零件使用復合材料能減重20%左右，而且不會產生金屬疲勞，能提高運行的經濟效益。另外，使用復合材料能有效的減少連接部件，并且具有高比強高比模的顯著優點，成為和鋁、鋼、鈦一樣經常應用的航空材料。隨著復合材料技術的不斷發展，在航空器應用的越來越多。

1.2 抗疲勞性能高

對于拉伸或壓縮構件，復合材料比強度高，比鋁制件高出30%左右，可以更好的承載各方面的荷載力。比如飛機副翼上表面受承載呈壓縮狀態，下表面呈拉伸狀態，在飛行中會出現承受拉力和壓力的交替，極易出現受力疲勞。副翼采用復合材料合板制作，因為鋪層鋪放按照固定方向，這樣的結構便于承受任何方向的荷載力，具有較高的抗疲勞性能。

1.3 減振性能高

復合材料具有較高的比摸量和自振頻率，復合材料的受力結構自振頻率與其結構材料比模量的平方根成正比，較高的自振頻率也使復合材料的吸振能力較強，防止飛機材料結構在運行狀態中出現共振，減少共振帶來的破壞。另外復合材料中也包含了高韌性的組分基體材料，抗震的阻尼特性較強。

1.4 斷裂安全性和耐高溫性能高

纖維復合材料含有大量的纖維，纖維具有很強的韌性將不同組分的材料粘合到一起，成為一個堅固的整體結構，既使結構中存在少數纖維斷裂，其他纖維也會承接載荷，從而使結構部件在短時間內不會出現斷裂，斷裂的安全性能較高。

另外，復合材料的耐高溫性很強，能在飛機的燃燒室、燃燒室浮壁、渦輪外環、火焰穩定器等中應用。

2 復合材料結構損傷特點及裂紋特性

2.1 外部損傷

復合材料中基體材料性能極大影響了復合材料的工作性能，特別是當其處于潮濕或高溫狀態時，基體材料的面內壓縮、面內剪切、對沖擊損傷的阻抗和其它層間特性對復合材料的整體性能影響較大。特別是符合材料受到外物沖擊會出現塑性變形，一定程度上吸收來自外界的沖擊力，但通常會出現材料基體的表面損傷、擦傷、裂紋等，一般不會影響到結構的承載能力。

2.2 內部損傷

當復合材料的基體出現裂紋和纖維失效會產生分層，都是在復合材料鋪層內部產生的，但是在外表面會顯現鋸齒狀損傷，有的從外觀看不到內部的分層是否收到損傷，但在在受沖擊表面反側會有基體裂紋。有的較重時出現裂紋斷裂，受沖擊的表面可以看到分層，當出現外部表面的裂紋時，有時結構內部的損傷要遠遠大于外部表面所顯現的損傷。如果損傷再嚴重，當出現貫穿性的裂紋和穿孔時，符合材料的整個厚度都受到損害，其穿孔的邊緣會呈現分層或較為尖銳的裂紋。

2.3 裂紋增長損傷

復合材料結構裂紋增長包含不增長、止裂增長和緩慢增長三種類型，三者損傷程度主要看止裂損傷尺寸的檢查和修理間隔時間。因為復合材料損傷后裂紋擴展與金屬結構不同，損傷后的剩余強度也不相同，只有科學及時的控制復合材料的應變，才能防止損傷出現擴展。另外，需要注意的是，復合材料損傷后承載能力會迅速下降，金屬材料是隨著裂紋擴展逐漸下降。所以一旦復合材料出現裂紋，必須及時進行修理。

3 飛機復合材料損傷修理的重要性

飛機飛行過程中受到天氣以及氣流等變化的影響較大，特別是飛機部件本身的穩定性直接影響其運行安全，飛行過程中零部件出現故障會直接威脅生命和財產安全。對飛機零部件特別是對零部件的制造材料進行定期檢查和保養，出現故障或隱患時及時進行維修和保護，確保零部件始終處于一個良好的工作狀態。所以對于飛機復合材料損傷要堅持安全第一和預防為主的維修原則，對有可能出現的安全隱患和故障都要積極排查和處理，加強飛機預防性維修與維護，規范飛機設備操作、使用，及時對飛機設備進行保養、維護和改進提升，確保最佳的運行狀態，確保飛機運行安全。

4 加強飛機復合材料的修復的有效措施

飛機復合材料的可靠性與環境、工作條件、運行情況、維護保養以及自身的可靠性密切相關，因為飛機部件精度很高，有很復雜的制造工藝，必須在良好的工作環境中才能確保良好的可靠性。要采用先進的技術定期維護保養，最大程度的保證飛機運行的安全性。

4.1 利用先進的修復技術

一是使用機械連接修理，也就是將復合材料用連接物連接在受損部位，雖然能短時間內進行修復，但會破壞原有材料結構，加速結構破壞的程度。二是膠接修理法，當前較為先進，對復合材料破壞性小。三是貼補修理法，作為應急使用的一種方法，通過在材料受損部位補貼材料，暫時修復受損部分，但不會持續較長時間，時間允許時需要進行再次修復或更換新的材料[2]。

4.2 加強復合材料部件無損檢測

要加強對復合材料部件的定期檢測，及時發現損傷才能有針對性的修理，延長部件的壽命。當前常用的無損檢測方法有目視檢查法、敲擊檢查法、超聲波檢測法、X射線檢測法等，隨著無損檢測技術的快速發展，超聲、射線等傳統檢測技術也日益的改進和提升，探索應用了激光全息干涉、激光超聲、紅外、聲發射、微波、磁記憶等諸多無損檢測的新工藝，能快速準確的對復合材料受損部位進行檢測，從而選擇指定科學的修復方法。

5 結語

飛機復合材料經過長時間的飛行和磨損必然會受到不同程度的損傷，要根據復合材料的結構損傷特點及裂紋特性，按照相關修理原則進行修復，才能確保飛機的運行安全。今后要加強飛機復合材料維修技術的研究和探索，切實提高飛機材料維修的質量，改進材料損傷修理的有效措施，提升維修能力，為飛機的安全運行提供保障。