飞机复合材料结构修理技术

飞机复合材料结构修理技术
1 复合材料在飞机上的应用
复合材料是由两种或两种以上的不同材料、不同形状、不同性质的物质复合形成的新型材料。

一般由基体材料和增强材料所组成。

复合材料可经设计，即通过对原材料的选择、各组分分布设计和工艺条件的保证等，使原组分材料优点互补，因而呈现了出色的综合性能。

随着玻璃纤维、凯夫拉、碳纤维等复合材料的发展，并且早期复合材料结构的使用预示着复合材料运用的辉煌。

在飞机上翼尖小翼、雷达罩和尾锥上少量玻璃纤维增强塑料的使用标志着飞机设计上复合材料的重新应用。

从那时起复合材料在这些部件上的成功应用导致在每一种新机型上复合材料应用的增加。

波音747使用了超过10000平方英尺表面的复合材料结构。

在过去几年当中先进复合材料技术运用到诸如大翼面板、地板梁等主要结构上[2]。

显而易见对基本复合材料结构和复合材料结构修理技术的理解对航空企业特别是航空维修企业是多么重要。

2 复合材料结构修理技术
飞机复合材料的修理目的是最大限度的恢复飞机结构的完整性和安全性，主要修理的效果如何与多种因素有关，如修理后的强度、耐久性、气动平滑度、重量、工作温度、环境因素等[3]，强度主要考虑恢复结构的刚度、静强度和疲劳强度，因此，为了避免修理中出现意外的错误，必须严格按照一定的操作规程进行，一般的修理程序为：
找出损伤区域→评估损伤的程度→损伤应力的评估→修理方案设计→修理结构的准备→补丁的制造→补丁的安装→修理后的无损检测。

当今复合材料修理的主要工艺有以下几种：
2.1 复合材料的连接和打孔
飞机复合材料不同于其他金属或合金材料，由于自身的特点，在修理时容易出现下列问题[4]：复合材料件装配前的钻孔困难，容易磨损钻具，钻孔附近易出现分层现象；复合材料与金属件连接时，由于电位差较大，容易腐蚀金属件；复合材料装配时易造成损伤等，基于这种种原因，必须对打孔和连接工艺做特殊的处理，才能保证复合材料件的安装和修理后的使用安全。

2.2 胶结修理技术[5]
胶结修理的应用非常广泛，它的优点是导致应力集中小，增重少。

缺点是对施工环境要求高，质量难以控制，其应用主要在下面3个方面：
1）装饰性修理。

对仅影响气动外观的小损伤如小凹坑、划痕、脱漆等进行的修理。

2）注胶修理。

小面积脱胶或分层用该种方法修理，方法是钻一些通往损伤层的小孔作为注胶孔和溢胶孔，将加热的胶液用注胶枪从注胶孔注入，渗透到损伤层并从溢胶孔流出为止，然后加热时胶液固化二完成修理。

3）补强修理。

对猪承力构件的较大损伤，要用补强板修理。

补强板胶接修理有两种方法：（1）外补强板修理，主要用于薄的层合板及蜂窝板的修理，用该种方法修理后的结构强度可达原结构材料强度的50%-80%。

（2）光滑外表面修理，主要用于较厚板或气动光滑性要求严格部位的修理修理效率高，修理后结构强度可达原结构材料极限强度的60%-100%。

2.3 铆接（或螺接）修理技术
铆（螺）接修理技术适用于较厚的整体壁板，常用的补板材料是铝合金和钛合金[6]。

铝合金和碳纤维复合材料接触时容易发生电化学腐蚀，因此，在用铝合金修补时要在铝合金板和复合材料之间进行隔离，制作隔离层。

钛合金不存在这样的问题，可以直接用于复合材料修补。

2.4 微波快速修复
复合材料微波修复技术是指将微波引入复合材料修补领域，在修复区注入微波吸收剂，以提高修复区材料的导电磁率，同时用特殊设计的微波施加器对修复区施加微波能，使之在数十秒内形成新的、更强的界面，见那个损伤或缺陷修复[7]。

2.5 光固化预浸修理技术
光固化预浸胶接修理技术是利用光敏胶固化速度快的特点和适宜的力学性能，以光敏胶作基体树脂，用玻璃纤维作为增强材料，预先制备成预浸修理补片，根据修理对象的需求，选用合适的修理补片，在紫外光的辐照下迅速固化，以达到快速修复飞机蒙皮表面裂纹、孔洞、腐蚀、灼烧等损伤的方法。

3 复合材料结构修理实例
复合材料结构修理的一般要求：
a.满足结构强度，稳定性要求，即恢复结构的承载能力，在压剪载荷下不失稳。

b.满足结构刚度要求（包括挠度变开，气弹特性和载荷分布及传递路线等）。

c.满足耐久性要求（包括疲劳、腐蚀、环境影响等诸方面）。

d.修理增重小，操纵面等动部件满足质量平衡要求。

e.气动外形变化要小，即保证原结构表面光滑完整。

f.修理所用时间要短，以满足使用需要。

g.修理费用成本要低。

根据损伤情况，以及可能提供的修理条件（修理经验和修理材料、设备等）选择最佳的修理方法。

以损伤的蜂窝结构为例，来介绍复合材料的修理技术，下面就按照上述步骤来一一介绍：
1）确定损伤区域，做目视检查来确定损伤程度；检测是否有水、油、燃料或者其他有害物质进入部件，使用X射线检查方法检测水是否进入部件；检查部件损伤附近是否存在分层
2）清除损伤，在需要更换蜂窝的修理中，可采用各种不同的手持工具来切除损伤。

对于较大的、形状多变的损伤，可以选择特形铣刀、80号和150号砂轮以及切割机等。

对于形状为圆形的损伤，可以选择不同外径的孔锯。

3）切除损伤，应尽量使用导向装置。

切除损伤蒙皮后要修正边缘，切口形状为带圆角的矩形、圆形或椭圆形。

要注意切除损伤时不能损伤完好的纤维铺层、蜂窝和周围材料。

当蜂窝也有损伤时，按与蒙皮切口相同形状切除受损蜂窝。

切除蜂窝必须超过目视损伤范围至少0.5in。

同时要避免损伤对面完好的蒙皮。

4）测量修理区域切口的深度和直径，按照测量的深度大0.04in，直径稍大的尺寸切一个蜂窝芯塞必须与原来的蜂窝或者蒙皮表面齐平，并且要与周围蜂窝密切接触。

清洁、干燥蜂窝芯塞
5）在修理蜂窝芯子周围涂上粘稠剂的胶黏剂。

6）制作浸有树脂的玻璃纤维布，尺寸与损伤切口相同
7）将玻璃纤维布平铺在安装好的蜂窝芯塞上
8）完成蜂窝芯塞安装之后，对修理进行封装，为固化芯塞做准备。

需要依次铺放热电偶、一层带孔的隔离膜、一层透气毡、电热毯、热电偶、透气布、抽真空罐和真空表的接头座，铺好后打包真空袋。

9）加温固化，在完成蜂窝芯子修理之后，需要将热电偶、电热毯和抽真空设备等于热补仪连接，设定需要的温度、温升率、保温时间和降温速率。

10）检查和修整，在修理区域完成固化并拆除封装材料后，检查蜂窝芯塞与原蜂窝的粘结情况，打磨端面，使之形成平整、光滑的表面，并清洁表面。

在修理合格的表面上打磨清洁后恢复原有漆层，到此复合材料蜂窝夹层结构修理完成。

4 结束语
复合材料在飞机上的应用，有了较长的应用历史，其修理技术也随之得到了相应的发展，但同材料领域的研究与发展相比，复合材料在飞机上应用的种类、数量却极其有限，主要还是以碳纤维复合材料为主，这也就限制了其修理技术的相对单一，技术含量有限，在许多方面还无法满足飞机快速高效、高可靠性和安全性的需要[8]。

同时，结构修理是目前阻碍复合材料进一步扩大应用的两个主要问题之一（另一个问题是复合材料成本），如何提高修理水平，降低维修成本是非常重要的问题。

针对不同的损伤需要确定不同的修理方案，在满足结构修理的要求下如何可以更经济，快捷高质量地完成修理仍是一个待研究的热点问题。

近年来，随着国内在材料研究与应用方面取得的一些重大进展，研究机构和队伍规模也在逐渐壮大，但是在复合材料应用及其修理方面的研究和人才培养方面和国外相比略显不足，特别是民航领域飞机复合材料方面的人才培养和研究亟需加强。