粘接技術在飛機復合材料修理中的運用

◎張應南

飛機行駛的過程中其外部結構會受到多方面因素的影響產生破損問題，此外，在維護操作不當的情況下，也可能引發嚴重的損傷問題，主要受損表現為分層、裂縫、破孔和斷裂等。此種損傷問題的產生不僅會影響飛機結構的承載性能，還有可能危及行駛安全。考慮到機械修理方式對飛機結構的性能影響較大，應優先選擇粘接技術進行復合材料結構修理。對其主要修理方法和粘接技術的內容展開探討也具有重要的意義。

一、飛機復合材料的主要粘接修理方法

針對飛機材料結構的修理工作中所采取的粘接修理方法根據修補工藝的不同，可以被細分為貼補修理和挖補修理兩種。其中的貼補修理方式指的是，在損傷部位的外部直接使用貼片修補損傷，并且借助貼片保障飛機復合材料的結構質量與強度，使其性能與最初設計的剛度需求和強度相符。此種粘接方式即可采用預浸貼片，又可采用膠粘劑將已經固化處理后的貼片使用膠粘劑直接貼于損傷處。此種修理方式的操作較為便捷，無需過多的修理工序，且修理效率較高，在操作得當的情況下，往往可以使修補部位的強度達到原有強度的80%左右，在一些損失較小，且對外形氣動要求偏低的結構修理中較為常用。

挖補修理指的是，在粘接之前，使用專用的銑切工具將受損傷的部位挖除，并且使其形成階梯式的粘接面，之后使用填充物填補損傷部位，對其進行固化處理，做好表面平整操作，盡量使其表面與原有的結構呈現相同的流線關系，使其結構的氣動外形得到有效修復。采用該種方式進行修復的結構剪應力分布均勻，不存在偏心荷載的影響問題，相對來說修理效果較好，基本可以達到原有結構的性能要求。但此種修理方式的作業工序較為復雜，在維修時需要消耗大量的時間，對于結構形式較大，且受損部位突出的情況并不適用。

二、粘接修理技術在飛機復合材料修理中的運用

1.熱補儀修理技術。

以往進行復合材料結構修理是采用復合材料制造的工序，致使修理過程中所使用的設備設施較多，且修理工藝較為復雜，雖然修復后的效果較好，但會造成大量的成本投入，在進行外場修理時，此種方法難以適用。為了改善上述修理技術的局限性，相關人員研發出了便攜式的熱補儀修理設備，同時具備除塵、干燥、加壓和加熱等功能，在實際修理工作中，發揮了重要的作用。一些知名的航空公司已經逐步應用該技術進行復合材料結構的修理工作，并且取得了較好的應用效果。

2.電子束固化修理技術。

電子束固化修理實際上就是借助樹脂類的復合材料進行修復的方法，該種電子束樹脂材料不具備熱敏特征，無需加熱便可完成固化處理。實際進行修理時，是借助電子加速器對此類材料進行沖擊，使其形成樹脂變化，該種固化修理方式對溫度的要求不高，在常溫內便可進行固化操作，同時具備固化效率高的特點。采用該種修理方式進行復合材料修復時，可以有效避免溫度因素對復合材料結構內部粘接質量的影響，且因其固化時的溫度與室溫相同，無需考慮到在溫度影響下的流動性問題和膨脹系數等。另外，也為由于其自身對熱量不敏感，在儲存時的難度較低，在常規室溫下保存即可。該技術最初起源于復合材料的制造領域，后續發展中，部分技術人員為了降低修理工作對飛機結構性能的影響在其中應用了電子束固化技術，實踐應用中的效果良好。

3.微波修理技術。

由于大部分復合材料和膠粘劑是熱不良導體，傳熱速度慢、溫度梯度大，用傳統加熱方法固化時會直接導致膠層固化不均勻和固化速率低，在修補區域會產生較大的“熱應力”，大大降低修理的質量。為此，研究人員開發出了微波修理技術。微波加熱不同于一般的外部熱源由表及里的傳導式加熱，是被加熱物體在電磁場中由于介質損耗引起“體積加熱”。因此微波修理具有傳熱均勻、加熱效率高、固化速度快、易于控制等優點。微波修復技術應用的關鍵是便攜式的微波修復機和微波結構膠粘劑的研制。許陸文等和空軍第一航空學院合作，成功地研制開發了便攜式微波修復機(頻率為2.45GHz、功率為200W)和數種微波施加器。利用這種設備，以短纖維／環氧膠作修復膠，修復了帶孔碳纖維／環氧和玻纖／環氧復合材料，固化時問僅為20s～24s。固化修復后，復合材料構什拉伸強度可達原構件的80%以上。經試驗證實，該技術對金屬復合材料粘接修理和復合材料結構的粘接修理，都具有優異的效果。

4.光固化修理技術。

光固化復合材料粘接修理技術是以光敏膠作基體樹脂，用纖維作為增強材料，預先制備成預浸料修理補片，在光線的輻照下迅速固化，以達到快速修復的目的。從理論上講，各種波長的光段都可以引發固化反應，但臼前主要以紫外周化修理為主。該技術使用便攜式的紫外光源(或光同化修復機)輻照光敏膠的修復區引發快速固化。與電子柬固化相同的是，紫外固化也可在室溫和低溫下固化，且固化速度也很快．紫外固化修理更為簡便，對設備的要求也最低。但紫外固化目前還存在如下2個缺點：一是目前所使用的紫外固化膠剪切強度偏低(普遍低于20MPa)，只能適用于一些輕微損傷的修理；二是對粘接體系的顏色及透光性要求較高，大部分設備的輻照深度不足2mm。只能用于表層處理。因此開發出高強度的紫外光敏膠和提高紫外固化輻射深度將是該技術研究的方向。

三、結語

在飛機制造領域中，復合材料的應用已經逐漸趨于大型化，在使用時難免出現破損問題，在一些非承力結構的部位，發生小的損傷時，也需要采取適當的修理方法，以免對各個結構的性能造成影響。而對于飛機外部結構和重點結構部位的損傷問題則應適當選取粘接修理技術，以期盡快修復復合材料的結構性能，保障飛機的行駛安全。