航空復(fù)合材料的損傷與維修措施探討

潘興軍

摘要：航空復(fù)合材料通過不同材料的組合獲得良好的綜合性能，但材料特性也決定了其在使用過程中容易產(chǎn)生各類缺陷或損傷。合理進(jìn)行復(fù)合材料損傷評(píng)估，能夠根據(jù)損傷情況確定結(jié)構(gòu)能夠恢復(fù)到與周圍結(jié)構(gòu)相匹配的剛度、強(qiáng)度等，從而采取科學(xué)維修措施保證，通過去損、鋪設(shè)修理層等操作實(shí)現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)膠接處理，使材料的經(jīng)濟(jì)性和安全性得到增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：航空復(fù)合材料;損傷評(píng)估;維修措施

引言

復(fù)合材料帶有強(qiáng)度高、比剛度大、質(zhì)量輕、耐腐蝕等多重優(yōu)勢(shì)，所以在航空領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用，如民航飛機(jī)的尾翼，雷達(dá)罩，機(jī)身蓋板等部件都大量使用了復(fù)合材料。但長時(shí)間在各類環(huán)境下使用，不可避免的造成復(fù)合材料受損。為保證結(jié)構(gòu)完整性和功能得到恢復(fù)，還要做到科學(xué)維修，保證材料在使用壽命期內(nèi)能夠維持良好性能。

一、航空復(fù)合材料的損傷評(píng)估

航空復(fù)合材料的損傷帶有一定周期性，需要由經(jīng)過特殊培訓(xùn)的人員進(jìn)行損傷檢查和評(píng)估，分析對(duì)材料造成損傷的因素給材料帶來的影響，并對(duì)損傷程度和范圍進(jìn)行確認(rèn)，從而確定合理的修理方法，使構(gòu)件保持良好性能狀態(tài)。從損傷形式上來看，包含分層、起皺、凹坑、劃傷等多種，非關(guān)鍵部位且程度較輕的損傷不會(huì)給結(jié)構(gòu)完整性和強(qiáng)度帶來顯著影響，如輕微凹坑、劃傷等，屬于允許損傷，可以通過及時(shí)修理取得較好修復(fù)效果[1]。除此以外的損傷則會(huì)造成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度低于允許水平，從經(jīng)濟(jì)性、安全性等角度考量不合理則需要換件處理。對(duì)損傷進(jìn)行評(píng)估，主要采用目視檢測(cè)法和儀器檢測(cè)法。目視確定損傷部位、面積等情況后，確認(rèn)是否存在水分、燃油等外來物進(jìn)入。可以配合敲擊方法對(duì)損傷程度進(jìn)行判斷，通過輕輕敲打判別聲音實(shí)現(xiàn)脫層探測(cè)。采用儀器檢測(cè)法則要對(duì)損傷部位進(jìn)行無損檢測(cè)。按照規(guī)定，評(píng)估前不能用退漆劑對(duì)漆層進(jìn)行處理，以免造成樹脂部位被破壞。為保證評(píng)估結(jié)果可靠性，一般需利用超聲波檢測(cè)儀確定材料結(jié)構(gòu)是否存在分層，并利用X射線探傷機(jī)確定結(jié)構(gòu)內(nèi)是否存在水分或其他物質(zhì)。

二、航空復(fù)合材料的維修措施

在對(duì)航空復(fù)合材料進(jìn)行修復(fù)時(shí)，通常采用膠接措施。在對(duì)損傷位置進(jìn)行修復(fù)前，還要對(duì)損傷部位進(jìn)行打磨去除，做好膠接準(zhǔn)備。在蜂窩發(fā)生損傷的情況下，則要進(jìn)行芯塞更換，然后進(jìn)行修理層鋪貼，最后通過加熱固化使結(jié)構(gòu)得到修復(fù)。

（一）膠接準(zhǔn)備

在膠接準(zhǔn)備階段，需要先對(duì)損傷進(jìn)行去除。將構(gòu)件損壞的蒙皮鋪層去除后，進(jìn)行芯層打磨。在膠黏劑去除后，可以在暴露芯層上布置金屬物，在其中心布置熱電偶，然后鋪設(shè)玻璃纖維吸膠布。利用膠帶對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定，然后在邊沿布置真空軟管，采用真空設(shè)備將積存水分去除。對(duì)損傷區(qū)進(jìn)行去除，還應(yīng)將損壞層壓板修整光滑。蜂窩發(fā)生損壞，去除范圍應(yīng)達(dá)到損壞界限至少0.5in，并修整到與蒙皮保持相同形狀。期間應(yīng)避免切入未損壞蒙皮。在纖維層去除上，保護(hù)區(qū)允許各替換鋪層實(shí)現(xiàn)0.5或1.0in疊層。對(duì)板內(nèi)表面和非關(guān)鍵啟動(dòng)表面，可以采用No.240級(jí)別以上打磨碟或砂紙將油漆飾層或Tedlar膜層去除，各層至少0.5或1.0in。損傷深度較大，需要填充至與表面齊平狀態(tài)。對(duì)外表面進(jìn)行打磨，應(yīng)對(duì)周圍錐面進(jìn)行清理、打磨，確保現(xiàn)有鋪層錐面達(dá)到0.5或1.0in距離。利用真空清潔機(jī)將打磨塵埃去除后，利用溶劑對(duì)表面進(jìn)行擦拭。

（二）蜂窩處理

對(duì)蜂窩芯塞進(jìn)行更換，需要按照工藝卡進(jìn)行正確構(gòu)件選取，保證與原始芯層類型、等級(jí)等相符。安裝芯塞時(shí)，應(yīng)保證與原本芯層齊平，條帶方向一致，使芯層充分搭界，以便與周圍芯格壁接觸。經(jīng)過修整，能夠使安裝的芯塞達(dá)到原始深度。期間，應(yīng)考慮芯塞固化收縮問題，綜合分析鋪層厚和各層間膠粘劑影響。對(duì)芯塞進(jìn)行清洗，應(yīng)注意通風(fēng)和保護(hù)，遠(yuǎn)離火源、熱源等。為避免芯層材料受損，被污染芯層在溶劑內(nèi)浸泡時(shí)間不超60s，禁止將零件浸在溶劑中或使零件表面滯留溶劑。完成局部洗滌后，確認(rèn)芯層干燥、無痕才能進(jìn)行芯塞安裝。

（三）鋪設(shè)修理層

對(duì)修理層進(jìn)行鋪設(shè)，需要根據(jù)評(píng)估后編制的維修方案確定修理層材料，目前主要采用玻璃纖維和碳纖維[2]。根據(jù)工藝卡對(duì)材料進(jìn)行辨識(shí)后，確認(rèn)纖維編號(hào)、方向等信息后，可以按照鋪層鋪設(shè)工藝要求進(jìn)行作業(yè)。切割的鋪層尺寸應(yīng)滿足切割數(shù)目要求，即滿足補(bǔ)片需求層數(shù)要求。在浸樹脂過程中，需要完成兩塊分隔膜切割，周邊尺寸比織物大3.0in。在分隔膜上進(jìn)行一塊織物鋪設(shè)后，調(diào)膠后均勻涂抹，然后覆蓋第二塊分隔膜。利用滾輪對(duì)表面進(jìn)行擠壓，將結(jié)構(gòu)內(nèi)部空氣去除，并將多余樹脂趕至邊沿。

（四）加熱固化

在結(jié)構(gòu)加熱固化階段，需要將厚1mil有孔FEP分隔膜鋪設(shè)在修理部位表面，邊緣比補(bǔ)丁邊緣大3in。在周圍均勻布置熱電偶，并在記錄器上緊固。在多孔FEP上鋪設(shè)Style 120玻璃纖維，用于表面吸膠，邊緣比分隔膜大2in。在其上覆蓋無孔FEP隔離膜，厚度達(dá)到2mil，邊緣與有孔分隔膜齊平。在無孔隔離膜上，需要鋪設(shè)玻璃纖維，邊緣與吸膠布齊平。在表面邊緣位置固定真空軟管后，可以進(jìn)行固化加熱。加熱源可以采用電熱毯、紅外線加熱等等工具，根據(jù)邊緣熱電偶最低讀數(shù)對(duì)固化溫度進(jìn)行確認(rèn)，時(shí)間為零件達(dá)到固化穩(wěn)定后的周期。在循環(huán)固化期間，應(yīng)使22in泵柱保持真空狀態(tài)。如采用加熱毯固化，應(yīng)在表面鋪設(shè)加熱毯，確保超出鋪層邊緣2in，熱電偶位于中心位置。加熱毯上鋪設(shè)4-6層玻璃纖維織物，達(dá)到絕熱效果，避免真空袋受損。外圍6in范圍利用密封膠帶密封，確認(rèn)真空袋無泄漏問題后，可以將其抽真空。固化后，可以將真空袋和分隔膜取消，確認(rèn)是否存在凹陷、氣泡等缺陷。確認(rèn)無問題后，需要對(duì)表面進(jìn)行重新處理，對(duì)最底層邊緣進(jìn)行輕輕打磨，避免損傷纖維的同時(shí)，得到光滑表面。按照工藝要求，可以涂刷一層Tedlar膜進(jìn)行密封處理，然后固化。復(fù)雜構(gòu)件形狀不規(guī)則，固化時(shí)容易受熱不均，還要加強(qiáng)保溫和監(jiān)管。在表面漆層遭到去除的情況下，則要重新噴漆。

結(jié)論

在對(duì)材質(zhì)為航空復(fù)合材料的飛機(jī)構(gòu)件進(jìn)行維修，還要做好材料損傷評(píng)估，根據(jù)損傷狀態(tài)確定能否維修和完成維修方案的科學(xué)編制，保證結(jié)構(gòu)完整性和功能恢復(fù)到要求狀態(tài)。在實(shí)踐維修工作中，還要做好膠接準(zhǔn)備、蜂窩處理、鋪設(shè)修理層等各環(huán)節(jié)的處理，從而取得良好維修效果，為飛機(jī)的飛行安全提供保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]戴京濤，孫志娟.復(fù)合材料修復(fù)飛機(jī)損傷孔有限元分析[J].裝備制造技術(shù)，2020（03）：139-142.

[2]沈怡.探討飛機(jī)復(fù)合材料維修中非常規(guī)固化技術(shù)的有效運(yùn)用[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2019，27（06）：85.

作者單位：山東太古飛機(jī)工程有限公司