復合材料制件修理技術應用

劉永鋼?王英杰

摘 要 飛機復合材料結構在制造和使用中容易造成缺陷和損傷，其形成原因是多方面的且很難避免，致使結構承載能力及壽命下降。維護規范要求在有限的制造資源條件下及時完成，達到與原結構剛度和強度相匹配，同時增加的重量盡可能小。本文闡釋了復合材料飛機結構損傷的主要類型和修理原則以及結構損傷典型修理方法。

關鍵詞 損傷特性;損傷評估;損傷修理

復合材料在軍用和商用飛機上用量的增加要求發展成熟的修理技術以修復結構的完整性。結構修理的基本目標是在最短的時間和最少的花費條例下修復結構的完整性。對于不同的結構，需要在氣動光滑性和修理簡易性之間尋求平衡。大多數修理都是在飛機定期檢測時進行的，但也有緊急情況。所以可將修理分為兩種類型：臨時性修理和永久性修理。復合材料結構，特別是易損傷部件，要考慮修理技術的可行性、有效性和經濟性。經濟實用的修理技術是復合材料持續和廣泛應用的基礎。

1復合材料缺陷、損傷特性

由于復合材料元件的材料制備和制件成形的特殊性，在制造過程中產生的問題稱為缺陷，是制件先天問題，加工、裝配和使用中產生的問題稱為損傷，是制件的后天問題，對復合材料制件來說，缺陷和損傷都是不可避免的。超過質量控制標準又不至于報廢的缺陷、損傷就要進行修理，有些缺陷能修理，有些則不能修理，原則上損傷都是可修理的[1]。

2復合材料制件的缺陷、損傷類型

缺陷是元件成型過程中產生的質量問題，其類型有層板空隙、夾雜、貧富膠、翹曲、分層、脫膠、尺寸超差、鋪層角度超差等，大多數缺陷是可修理的，如空隙、分層等，但翹曲變形、尺寸超厚則不能修理，嚴重時只能報廢處理。缺陷原因是制造過程中沒有嚴格遵守材料、工藝規范，檢測措施不力等。損傷是元件在后續加工和使用中產生的異常，其類型有分層、脫膠、表面劃傷、錯鉆孔、孔邊損傷、邊緣劈裂等。損傷原因主要是冰雹、鳥撞及維修過程中失落的工具等沖擊造成，以及機體結構長期使用形成的疲勞裂紋等。修理主要針對損傷結構[2]。

3損傷評估

應用無損檢測（NDT）技術檢測缺陷、損傷。已經檢查出的構件缺陷或損傷，根據損傷情況，分為可忽略的損傷、可修理和必須更換等類型。

（1）可忽略的損傷：機體結構中的損傷如果不影響強度、剛度或部件的功能，則可歸為可忽略的損傷?？珊雎缘膿p傷定義為材料的去除或變形是允許存在的，或通過簡單的方法即可修正，如刻痕或劃傷的平整;

（2）可修理的損傷：損傷已造成構件不完整，降低了強度、剛度，影響了使用功能和壽命。必須修理才能符合適航使用要求的修理。這類損傷修理分為非補片式修理和補片式修理兩種類型;

（3）不可修理的損傷：不能修理的歸為必須更換的損傷。除非定義為可忽略，較短構件的損傷因修理通常很難實施，應看作是必須更換的損傷。承受高應力的元件修理后可能沒有足夠的安全裕度，不允許修理。這些構件損傷一旦超過可忽略限度就應更換。若元件布局難以實施修理，出現損傷時必須更換。

修理容限是修與不修、能修與不能修的界限。影響復合材料結構損傷修理容限的因素很多，不同的結構形式、不同的材料體系、不同類型的飛機都有不同的規定。

4復合材料結構損傷修理

4.1 修理要求及步驟

（1）損傷修理要求：恢復結構的完整性，增重小，氣動外形變化小，修補所用時間少，成本低，可操作性好。

（2）損傷修理的步驟：a.確定損傷部位、范圍;b.根據損傷評估判定修與不修，能修與不能修界限;c. 確定修理方法;d.修理評定。

4.2 損傷修理方法

對不同類型的結構、不同的損傷有不同的修理方法。常用復合材料結構為層壓板或加筋板類、蜂窩壁板類。結構修理方法大致分為貼補法、挖補法、注射法。

（1）貼補法是用補片貼在缺陷損傷區，缺陷損傷區可清除也可不清除。補片可用金屬板也可復合料板，金屬板多用鈦板也可鋁板，多用螺接，復合材料補片多膠接也可螺接。此法簡單便攜，適于外傷修理 ，缺點是修補后，連接孔周邊引入了應力集中。

（2）挖補法要挖掉清除缺陷和損傷部位，然后再填補新的材料，材料體系與原結構相同或相近。填補方式有階梯法和斜接法。挖補法是較先進的方法，可恢復表面外形且具有很好的連接效率。這種方法適用范圍廣、效果好，但操作難度大，需要相應的設備和較高的操作技能。挖補操作方法見圖1。

（3）注射法是用特種樹脂注入分層脫膠的缺陷損傷區，既可低溫也可高溫固化。此法簡便易行，適用于外場修理，可恢復原強度80%～90%，但僅限于分層和脫膠的修理。

制件在制造、加工中產生的缺陷和損傷可在廠內修理，外場的較大損傷不宜現場修理的要返廠修理。外場修理限于設備等條件，要求室溫固化，若要求較高溫度、壓力固化，使用加熱毯、真空袋。

5結束語

復合材料結構逐漸向整體化、大型化成形方向發展，結構在制造和使用過程中不可避免地會出現損傷，直接更換成新零件不現實，因此復合材料受損結構的修理和評估逐漸成為復合材料應用的新興技術，高效且經濟適用的的修理工藝成為目前復合材料應用研究的熱點之一。隨著復合材料制造技術的發展，復合材料結構損傷修理技術也發展出一些新的方法，如電子束固化修補技術、光固化修補技術、微波修復技術等一些快速修補技術。

參考文獻

[1]王云英，丁祖群，王藝，等. 航空先進聚合物基復合材料的修補[J].航空維修與工程，2008，（2）：27-30.

[2]孟凡顥，董善艷，童小燕，等.復合材料損傷結構膠接補強修補分析及設計[C].第十七屆全國直升機年會.第十七屆全國直升機年會論文集.成都：中國航空學會，2003：153-157.