復合材料結構在航空領域的故障及維修

湯海龍 雷社昌 閆華偉

(國營四達機械制造公司 陜西咸陽 712203)

現代化戰爭對飛機性能的要求日益增高，作戰飛機所應用的材料也相應發生改變，復合材料應用部位也由最初的非承力件逐漸向承力件轉變，例如在飛機的垂直尾翼[1]、尾翼、機身等承力部位得到了極大的應用。目前，國際上最先進的民用飛機空客A380和波音B787 中，復合材料的應用重量占比已經超過50%[2]。此外復合材料在軍用飛機應用也在相應增加，在F-22、F-35 等新型軍用飛機上，復合材料用量比率高達30%～50%。

復合材料結構件的大量應用也給維修企業帶來了巨大的挑戰。作戰飛機在起飛或者飛機滑行過程中，經常會受到不同尺寸、不同質量的飛石交叉沖擊，導致結構件強度出現降低[3]，復合材料結構件在制造過程中的質量缺陷進一步加深了復合材料結構件損傷產生概率。國內外的研究學者都逐漸開展針對復合材料的修復技術研究。梁鳳飛等人[4]對國內外復合材料的修理技術現狀進行介紹；趙志斌等人[5]等通過仿真軟件建立有限元模型，研究蜂窩結構漸進性損傷方法以及對應的挖補損傷的修理效果；LI WP等人[6]通過建立逆向建模驗證復合材料沖擊損傷后壓縮性能的變化；關志東等人[7]試驗研究了半穿透損傷層合板挖補修理后的拉伸性能。在上述學者研究中，針對復合材料的損傷研究都是基于理論研究的層面，未對實際的損傷故障進行詳細描述。

該文主要通過結合飛機維修過程中遇到的復合材料損傷加以介紹，并按照損傷的類型介紹相應修復的方法，最終對復合材料結構的未來修復方法進行展望。

1 復合材料故障分析及修復

在針對復合材料維修之前需要通過專業的手段對待修結構件進行檢測，目前針對復合材料的故障檢測方式主要有目視、敲擊、無損檢測等方式[8-9]，這些檢測方式的介紹在一些論文中已經進行了詳細的介紹，這里就不再進行敘述。該文主要結合復合材料結構件維修過程對常見的損傷進行介紹，通過對其一部分故障及維修方法、注意事項等問題結合實際的損傷案例進行分析。

1.1 表面劃傷故障

劃傷在復合材料結構件的常見故障中占比較多，對于這類故障處理不及時，在飛機后續的服役飛行過程中，劃傷可能由于應力集中等因素演變成裂紋、分層等嚴重故障，在進行這類損傷的修復時，需要判定劃傷故障的深度和類型，如果劃傷較輕且沒損傷到增強纖維層，只需要使用樹脂進行涂覆、固化修補，當纖維層遭到破壞時，修補時需要增加增強層，增強層層數需按照纖維損傷的具體層數，待修補固化完全后，進行固化區打磨圓滑過渡。某型結構的劃傷損傷及其修復結果參照圖1。

圖1 劃傷缺陷的修復全貌

1.2 層合板分層故障

復合材料層合板由于其優良的力學性能在飛機結構上應用較多，在這些結構中經常會出現分層故障，產生這種故障的原因主要由以下幾個方面造成：一是飛機在頻繁執行飛行任務時，會受到雨雪等惡劣天氣的變載荷沖擊；二是在飛機在不同的外界環境下飛行時，受到長期溫度循環載荷，由于纖維和樹脂的熱膨脹系數不同，在受到外力時，會進一步增加分層故障產生概率；三是在進行零部件運輸、裝配中，外界硬物對零部件產生的碰撞等因素。在開展分層損傷的故障處理時，首先需要根據復合材料產生分層的區域面積來制定相應的修理模式，針對工藝允許小范圍內的損傷，可通注膠、鋪浸編制纖維布、加壓等方式進行修理。在進行注膠修復的過程中需注意幾項影響修復質量的因素：注膠孔的直徑、距離、數量、固化壓力等。

1.3 夾芯結構脫膠

未來飛機的研制方向主要向機動性、隱身性等靠近，能夠實現這類現代化性能的主要方法之一是應用高強度復合材料以降低飛機的本身重量。在一些對飛機透波性要求較高的部位，需要使用蜂窩夾芯結構，例如飛機機載火控雷達罩、電子對抗天線罩、整流罩等結構，這些零部件常常處于飛機的迎風處，復合材料結構件常常會出現蜂窩和外蒙皮脫膠，某類夾芯結構損傷局部出現松軟現象，具體形貌如圖2 所示。其故障原因可能由以下原因造成：一是處于飛機下部迎風面，該部位會經常受到飛機起飛/降落過程中飛起碎石的交變沖擊，外界力導致層合板和蜂窩之間膠黏力下降，出現脫粘故障；二是成型過程中的固化壓力大小、固化溫度、預浸料等控制因素和標準之間的偏差也會導致蜂窩結構和層合板之間的結合力下降。針對蜂窩脫膠故障的修復可通過以下步驟來進行。

圖2 夾芯結構脫膠故障形貌

確定脫膠的面積和部位，如果脫膠的部位位于蜂窩結構的非透波區，在保證整體質量的情況下，可在損傷區域通過注膠方式修理，除了注意蒙皮分層修理時的注意事項外，還需注意以下幾個方面：一是注射孔的直徑應小于蜂窩晶格的尺寸；二是在進行注膠過程注意晶格內部雜質、濕氣排除；三是注膠的型號應與原整流罩類型相同。當脫膠區位于透波區，應避免采用注膠修復的方式，可采用挖補的方式進行修復，蒙皮修復打磨形狀主要階梯狀、斜坡狀等，其中階梯型修復方式如圖3 所示。在進行鋪設預浸料時，保證每層預浸料周邊外擴20～30 mm，并在修補層外增加補強層，最后進行外修輪廓的修整和整體透波性檢測。

圖3 夾芯結構蒙皮修理示意圖

1.4 蜂窩故障

蜂窩失穩是夾芯結構中故障相對比較嚴重現象，具體的情況如圖4所示。照片是蒙皮剝開后蜂窩的狀態的對應的蜂窩損傷尺寸，內部蜂窩徑向方向已經出現松軟現象，很難再起到承受載荷的作用。產生這種故障的原因主要是由于該部位與鳥類發生碰撞，兩者之間產生的瞬間沖擊力超過蜂窩的承受載荷，導致整體結構性能達不到使用標準。

圖4 機載雷達罩復合材料損傷缺陷

針對蜂窩出現塌陷的故障，首先按照圖5 的修理流程進行逐步修理。在新舊蜂窩之間使用膠膜填充，并使用鋁合金模具板進行定型。在飛機蒙皮固化成型過程中，舊蒙皮與蜂窩之間的階差應小于相對應的技術標準。此外，外蒙皮的修補工藝及注意事項參照復合材料脫膠時蒙皮的修補。

圖5 蜂窩損傷修理工藝流程圖

1.5 復合材料穿透性損傷

復合材料結構件的穿透性損傷主要由于飛機在快速飛行時，遭遇到鳥撞擊、雷擊等超過結構件的載荷承受能力，這種損傷的產生對飛機和飛機員的飛行安全是致命的。相對于以上的損傷修復，這類損傷的修復技術標準更加嚴格。一些研究者針對復合材料的穿透損傷，通過建立不同的損傷的模型理論上進行介紹[9-12]。在實際修復過程中，首先需要結合復合結構穿透損傷的位置和面積大小采用合適的修復方式，當損傷穿透面積超過工藝標準時，需進行換新以保證整體性能的安全性。

1.6 其他類型損傷

除了以上常見的損傷外，在飛機服役過程中，復合材料結構也可能出現以下損傷：漆層故障。漆層損傷一方面是主要由于飛機起飛、降落過程中遭受較小程度且密集的沖擊而導致的表面漆層損傷，如圖6所示，針對這類的損傷修復需首先判定損傷程度；漆層出現的另外一種故障常出現處于飛機下部的復合材料結構的漏水孔附近，該部位常常會出現漆層起包，在進行這類故障的修復過程中需要注意排水、除潮、干燥過程。

圖6 蒙皮漆層故障

2 結語

復合材料的優異性能決定著復合材料未來的應用趨勢，對維修企業而言，隨之而來的是復合材料維修量、損傷維修類型等方面的增加。國內針對復合材料的修復主要采用鉚接、挖補、注膠等方式，這類修理模式也常常面臨整體結構性能下降的風險，對于飛機的飛行安全產生嚴重的威脅，因此亟須尋找一種既方便又安全的修理模式。目前，一些研究者研究了金屬和復合材料粘接后再經受惡劣環境的性能改變，為今后的飛機金屬蒙皮維修提供了一種新的方向。另外，一些學者提出了使用“鉚+粘”新的修理模式。隨著復合材料的應用增加，在未來的復合材料的修復技術將會最小程度地降低復合材料的修復性能參數。