淺談飛機復合材料結構損傷和檢測維修方法

孔磊，邢瑞山

（廣州民航職業技術學院飛機維修工程學院，廣東 廣州 510470）

飛機復合材料通常被稱為先進復合材料（Advanced Composite Material，ACM），具有較高的比強度、比剛度，能有效減輕飛機結構重量，還具有抗腐蝕、破損安全性高等優點。飛機復合材料構件在使用過程中會出現各種類型的損傷，對于損傷的分析、檢測和維修是至關重要的。

1 飛機復合材料結構常見損傷及損傷容限

飛機復合材料結構常見的損傷類型主要包括劃傷、裂紋、凹槽（鑿傷）、點蝕、凹坑、分層、脫膠以及雷擊等損傷。

（1）劃傷（Scratch）/鑿傷（Gouge）：是一種線性損傷，通過檢查破損長度和深度程度來區分。劃傷是由于尖銳物體接觸，而造成一定深度和長度的線性損傷；鑿傷比劃傷更寬，可能是更深的損傷。

（2）刻痕（Nick）/擦傷（Abrasion）：是一種小區域損傷，通過檢查損傷處是否穿透表層來區分。

（3）分層（Delamination）/脫膠（Disbond）：通過檢查復合材料結構內部分離破壞發生的位置來區分。分層是指在復合材料層合板結構中，不同纖維層之間的剝離破壞；脫膠是指復合材料構件中，纖維層和蜂窩之間的剝離破壞。

（4）凹坑（Nick）/穿孔（Penetration）：通過檢查破壞發生的深度是否穿透復合材料板厚來區分。

（5）燒蝕、雷擊（Burning，Lighting strike）：是復合材料遇明火或雷擊而引起復合材料構件的燒蝕損傷。通過目視檢查復合材料外表面就可以發現。

（6）凹坑（Dent）：分為低能量、中等能量和高能沖擊。

損傷容限是指結構在未采取維修的規定使用周期內，抵抗由缺陷、裂紋或其他損傷而導致破壞的能力。主要包括：在規定的壽命增量內，結構能成功地遏制損傷而無損于飛行安全的能力；在遭受疲勞、腐蝕、意外或離散源引起的定量損傷后，在一定的使用期內，結構保持其剩余強度的能力。

復合材料在一定的損傷容限范圍內是允許不經過維修繼續使用的，下面以Boeing737-800型飛機的襟、副翼蓋板為例來闡述復合材料損傷容限的具體要求，具體可參考飛機結構維修手冊（Structural Repair Manual，SRM）57-51-01部分。

（1）蜂窩芯復合材料板的損傷容限：①點蝕、凹坑和劃傷的損傷容限：未傷及到玻璃纖維的點蝕、凹坑和劃傷損傷是允許存在的。有些傷及玻璃纖維的點蝕、凹坑和劃傷損傷也是允許存在的。例如：損傷鋪層數在總鋪層的1/10（一般2層），損傷在長度方向小于2英寸，寬度小于0.25英寸，損傷區域到構件邊緣的距離大于損傷區域直徑1.5倍左右。②凹坑類損傷的損傷容限：凹坑直徑小于等于0.5英寸直徑；距離其他損傷，緊固件孔和材料邊緣的距離大于等于2.5倍的損傷區域直徑。③孔、擊穿和脫層的損傷容限：損傷的直徑小于等于0.25英寸；距離其他損傷，緊固件孔和材料邊緣的距離大于等于2.5倍的損傷區域直徑。④邊緣損傷容限：邊緣損傷滿足深度小于等于0.1英寸，寬度小于等于0.5英寸，距離其他損傷，緊固件孔和材料邊緣的距離大于等于2.5倍的損傷區域直徑的在允許損傷范圍內。邊緣有兩層損傷，或者邊緣材料的去除在總厚度1/10以內的損傷是允許的。

（2）層合板復合材料的損傷容限：①點蝕、凹槽和劃傷的損傷容限：未傷及玻璃纖維的點蝕、凹槽和劃傷是允許的。有些傷及纖維的點蝕、凹槽和劃傷也是允許的，例如：損傷的鋪層數只有一層，損傷長度小于等于3英寸，損傷寬度小于等于0.25英寸，距離材料邊緣、其他損傷或者緊固件孔的距離不小于0.5英寸。②凹坑、孔、脫層或者擊穿損傷容限：損傷直徑小于等于0.5英寸，距離其他損傷、緊固件孔或材料邊緣距離不小于2.5倍的損傷區域直徑。③邊緣損傷容限：損傷深度不超過0.1英寸，損傷寬度小于0.5英寸，損傷距離其他損傷、緊固件孔或材料邊緣距離不小于2.5倍的損傷區域直徑。

其他區域的復合材料結構件損傷，應參考SRM手冊的相應章節。超出損傷容限范圍的情況，則需要制定相關的臨時修理或永久性修理方案。

2 飛機復合材料結構損傷檢查

在清除復合材料結構損傷之前，要確定損傷范圍和程度，以便確定該損傷構件或部件是否可以通過修理恢復功能，對可修理損傷確定清除損傷的范圍。

首先，通過目視檢查初步確定損傷的范圍和程度，然后再用無損檢測方法確定損傷的確切范圍和嚴重程度。應檢查損傷區域及其附近有無水分、滑油、燃油、污物以及其他外來物浸入，并進行清除。通常采用X射線法檢查損傷區域是否有水分進入。可以采用無損檢測方法檢查復合材料結構的分層損傷，也可以采用金屬鈴聲法檢查分層損傷。但是，用金屬鈴聲法確定損傷是不可靠的，應盡可能采用無損檢測的方法檢查分層損傷。所以復合材料的損傷檢查方法主要有目視檢查法、敲擊檢查法、X射線檢查法以及渦流檢測等。工作實踐中，以目視檢查法和敲擊檢查方法結合為主，設備檢測主要在內場維修實踐中應用。

外場修理實踐中，敲擊檢查法是檢查分層、熱損傷和脫膠的常用方法，注意事項如下：（1）飛機結構維修手冊（SRM）規定，敲擊檢查法不能檢查蜂窩結構中面板層數小于、等于3層的分層和脫膠損傷。（2）如果有雷擊或其他熱損傷的跡象，敲擊檢查法可以用來檢查任何厚度的復合材料結構。（3）可以使用以下工具進行敲擊：金屬小片（如硬幣）、敲擊檢查專用工具（如小錘）等。（4）敲擊檢查整個區域時，兩次敲擊的間隔距離不能大于最大允許損傷尺寸，厚度上的變化（鋪層數的變化）可能導致敲擊聲改變，由此影響外部損傷檢查。所以在檢查前，先查閱檢查區域的鋪層數量和變化情況。（5）注意分辨（聽）聲音的變化。非損傷區域的聲音清脆、尖銳；分層、脫膠區域聲音發鈍。

3 飛機復合材料結構典型損傷修理方法

復合材料典型修理方法的工藝步驟列舉如下（參考SRM51-70-03）。

（1）確定損傷等級。首先，目視檢查損傷等級，檢查部件損傷區域有無水分、潤滑油、燃油或其他雜物。水分可以通過X射線法檢測到。檢查脫層區域的周邊，確定脫層損傷的具體尺寸。脫層損傷的檢查可以采用無損檢測方法。

（2）清理損傷鋪層。使用砂紙或者打磨器清除損傷鋪層，打磨或清理過程中應避免出現火花或電弧，以防引起爆炸。打磨的粉塵不要吸入呼吸道，防止過敏或感染。化學除漆劑在復合材料表層是不允許使用的。

參考復合材料維修相關圖紙，用膠帶紙覆蓋修理區域四周，覆蓋區域應當比最大損傷區域超出1英寸。清除面板的損傷區域時，需使用180號或者更細的砂紙打磨圓形或橢圓形修補區。清除掉的鋪層數要做記錄。膠紙覆蓋區域內部的損傷要清理干凈，并用240號或更細的砂紙打毛。未損傷區域要保護好。

如果損傷區域有無須去除的蜂窩芯，直接將蜂窩芯表層清理干凈即可。所用的砂紙為240號或者更細。如果蜂窩芯上有填充膠膜，可以不用清理掉。最后撕去粘貼的保護膠帶。

（3）徹底切除損傷的蜂窩芯（視需要而做）。蜂窩芯去除的大小要與蒙皮上挖的孔大小一致。不允許在清理中傷到另一側面板。確保所有的損傷去除徹底，對于厚度大于1英寸的蜂窩芯可以做部分厚度上的蜂窩芯切除，損傷深度不能大于0.5英寸，此時，可只移除0.5英寸厚度的蜂窩芯。檢查損傷清理是否徹底，并用無損檢測再次確認。

（4）從蜂窩夾芯板結構中清除水分。清除水分的面積要大于損傷部分在4英寸以上。

（5）從層合板結構中清除水分。使用無油的真空泵或壓縮氣體帶走水分，同時對損傷區域用加熱毯加熱。

（6）再次用膠帶紙保護修理區域的周邊，方法同步驟（2）中所講。

（7）清理打磨。每一級階梯之間的搭接跨度為0.5英寸。打磨階梯后，用吸塵器清理灰塵，并用沾了丙酮的抹布清理打磨表面，直到無灰塵為止。

（8）切割新的蜂窩芯填回修理孔內。蜂窩芯的參數可以在相應的工程圖紙內查到。確定蜂窩芯的彩帶（0度）方向，對于玻纖蜂窩芯、芳綸蜂窩芯和鋁蜂窩芯，先切割到合適的高度，要求比原切除的蜂窩芯高出1/16英寸左右（固化蜂窩芯和后續鋪層固化分兩步走），將新切割的蜂窩芯修成與原蜂窩芯一樣的輪廓和形狀。填塞的蜂窩芯與孔之間允許有0.025英寸的間隙，以便可以在蜂窩芯周邊纏繞泡沫膠帶。最后將孔周邊的毛刺清理干凈。如果回填的蜂窩芯不干凈，要先用恰當的試劑清洗干凈。

（9）固化回填的蜂窩芯。將已經回填蜂窩芯的修理區域用密封袋密封，并抽不小于22英寸汞柱的真空，在60～80℃下固化30min將蜂窩芯固定。

（10）再次打磨蜂窩芯，并清除灰塵。

（11）制作修補片預浸料。首先，將修補片可能覆蓋的所有的孔用摻有碎纖維的樹脂膠填充，每層打磨階梯都覆蓋一層修補片預浸料，上層修補片應當比相鄰的下層直徑大1英寸（與0.5英寸的階梯相對應）。鋪層前需確認原結構件的鋪層方向和修補片的纖維方向，原則上修補片應當與原構件的纖維方向一致。確定修補片的尺寸，剪切相應面積的纖維布，將纖維布稱重后，調與纖維布一樣重量的樹脂膠。然后將調好的樹脂膠倒在纖維布上，上下覆蓋好分離膜后用刮膠板將膠刮勻。預浸料制作完畢后，應立即使用或放置于-20℃的冰箱內儲存備用。

（12）剪切預浸料到所需要的形狀和尺寸。

（13）鋪層修理與固化。將剪切好的預浸料鋪到修理區（每個修理區的填平片不能多于四片）。首先，將最小的補片鋪設好，并依次鋪設上述的修補片，鋪設中需始終注意補片的方向。按照固化蜂窩芯的方法固化修補片。

（14）維修后的檢查。對于蜂窩芯修理區域可以用敲擊或其他NDT方法檢查是否仍存在損傷。檢查區域應當比加熱區域大2英寸以上。如果檢查結果不理想，需要重新進行修復。

（15）后處理。將修補片周邊用砂紙打磨到與原來板件有順滑的過渡。原飛機構件上如果有導電層、耐磨層、密封膠、包鋁或者其他表面漆層等，需要恢復原來的覆蓋層。

（16）如果修理的是飛機的操縱面，還需要進行配平與稱重。裝回構件要確保其工作正常。

（17）填充過的所有緊固件孔應再次鉆孔和锪窩（參考SRM51-20-07）。

4 結語

總之，隨著科技的發展，飛機復合材料維修技術不斷在改進，維修經驗不斷在積累。在疫情影響和民航業競爭的大環境下，研究飛機復合材料的損傷和維修方法具有重要的意義。