飛機(jī)復(fù)合材料的發(fā)展前景及修理前瞻

徐偉杰　張傳璽

[摘 要]民用航空器上復(fù)合材料應(yīng)用比例越來(lái)越大，使用和維護(hù)過(guò)程中都不可避免地會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)缺陷和損傷，有必要對(duì)復(fù)合材料部件進(jìn)行定期檢查并針對(duì)可能的缺陷進(jìn)行修理，從而降低飛機(jī)的運(yùn)營(yíng)成本。

[關(guān)鍵詞]民用航空器；復(fù)合材料；結(jié)構(gòu)缺陷；材料損傷；定期檢查

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2015.45.143

1 復(fù)合材料的重要性及發(fā)展前景

復(fù)合材料是指有機(jī)高分子、無(wú)機(jī)非金屬或金屬等幾類不同材料通過(guò)復(fù)合工藝組合而成的復(fù)合材料，它既能保留原有組分材料的特色，又通過(guò)材料設(shè)計(jì)使各組分的性能互相補(bǔ)充并彼此關(guān)聯(lián)與協(xié)同，從而獲得原組分材料無(wú)法比擬的優(yōu)越性能，與一般材料的簡(jiǎn)單混合有本質(zhì)的區(qū)別。

相對(duì)于金屬材料，復(fù)合材料有相對(duì)不易腐蝕；不會(huì)產(chǎn)生金屬疲勞；可設(shè)計(jì)載荷；可減少連接部件（同步成型）；減重；節(jié)油等特點(diǎn)，并且采用復(fù)合材料的部位、面積和重量也日益增加，復(fù)合材料已成為繼鋁、鋼、鈦之后的四大航空材料之一。復(fù)合材料在航空器上的應(yīng)用，特別是民用航空器上的應(yīng)用比例也會(huì)越來(lái)越大。

先進(jìn)復(fù)合材料是指用碳纖維等高性能增強(qiáng)的復(fù)合材料，具有優(yōu)異的綜合性能。其具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1.1 質(zhì)輕、高強(qiáng)

飛機(jī)結(jié)構(gòu)中廣泛使用的碳纖維復(fù)合材料的密度只有鋼的1/5、鋁的3/5，但比強(qiáng)度是鋼的5倍、鋁的4倍、鈦合金的4.5倍以上。復(fù)合材料的使用可使一個(gè)金屬零件重量減輕20%左右，在B777中，所減輕的重量相當(dāng)于15名旅客和行李的重量。圖1顯示了復(fù)合材料高比強(qiáng)高比模的突出優(yōu)勢(shì)。

1.2 耐腐蝕性好

復(fù)合材料較之金屬和非金屬常規(guī)材料具有更為優(yōu)異的抗腐蝕性，能夠延長(zhǎng)飛機(jī)的使用壽命、減少民航開支、提高經(jīng)濟(jì)效益。

1.3 具有極好的抗疲勞性能

對(duì)于拉伸或壓縮構(gòu)件，復(fù)合材料具有較高的強(qiáng)度重量比，比相同鋁制件可以高出30%，現(xiàn)以空氣動(dòng)力表面如副翼來(lái)說(shuō)，當(dāng)上表面承載時(shí)處于壓縮狀態(tài)，下表面處于拉伸狀態(tài)，飛機(jī)在飛行中時(shí)而承受拉力時(shí)而承受壓力因而容易產(chǎn)生疲勞。使用復(fù)合材料合板制作的副翼，因?yàn)楦麂亴邮前匆欢ǖ姆较蜾伔诺?，結(jié)構(gòu)可以更好地承受來(lái)自各方面的載荷，因而可以比鋁制件有更好的抗疲勞性能。

1.4 具有良好的減振性能

由于復(fù)合材料的比摸量高，其自振頻率也高，這是因?yàn)槭芰Y(jié)構(gòu)的自振頻率與其結(jié)構(gòu)材料比模量的平方根成正比，高的自振頻率決定了復(fù)合材料有很強(qiáng)的吸振能力，可以避免結(jié)構(gòu)在一般工作狀態(tài)下發(fā)生共振，不易造成振動(dòng)破壞。同時(shí)，復(fù)合材料中高韌性的基體材料也具有顯著的振動(dòng)阻尼特性。

1.5 斷裂安全性好

纖維復(fù)合材料中大量獨(dú)立存在的纖維通過(guò)具有韌性的基體把它們粘合成整體，當(dāng)結(jié)構(gòu)中有少數(shù)纖維斷裂時(shí)，其他完好的纖維就會(huì)將載荷接受下來(lái)并重新進(jìn)行分裂，因而構(gòu)件不至于在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生斷裂，故斷裂安全性好。

1.6 耐高溫性好

復(fù)合材料具有較好的耐高溫性，可作為耐高溫材料來(lái)使用，主要應(yīng)用于燃燒室、燃燒室浮壁、渦輪外環(huán)、火焰穩(wěn)定器、尾噴管調(diào)節(jié)片等。

空客、波音、國(guó)產(chǎn)飛機(jī)的復(fù)材應(yīng)用比例也逐步增加；但復(fù)合材料本身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性并不出色，且大量的復(fù)合材料部件在生產(chǎn)、使用和維護(hù)過(guò)程中都不可避免的會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)缺陷和損傷，如果將損壞的部件全部報(bào)廢，必然會(huì)造成成本的大幅度提高，因此有必要對(duì)民用航空器復(fù)材部件進(jìn)行定期檢查并針對(duì)可能的缺陷進(jìn)行修理以降低其報(bào)廢率，從而降低飛機(jī)的運(yùn)營(yíng)成本。根據(jù)美國(guó)NASA調(diào)研結(jié)論，復(fù)合材料的修理問(wèn)題已經(jīng)成為阻礙復(fù)合材料進(jìn)一步應(yīng)用的主要問(wèn)題之一。

2 復(fù)合材料修理發(fā)展現(xiàn)狀

目前，歐美在復(fù)合材料修理上基本處于壟斷地位。以美國(guó)航空器零組件NORDAM為例，現(xiàn)在基本壟斷了國(guó)際民用航空器發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口整流罩等大型復(fù)材部件的維修市場(chǎng)。美國(guó)對(duì)復(fù)合材料修理的理論研究可以追溯到20世紀(jì)70年代，在復(fù)合材料修理設(shè)計(jì)（包括結(jié)構(gòu)損傷容限和修理方法等）修理材料和修理工藝及工具設(shè)備主要方面上進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究；同時(shí)美國(guó)空軍也進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，積累了豐富的使用經(jīng)驗(yàn)。發(fā)展到現(xiàn)在，無(wú)論軍機(jī)還是民機(jī)，都能以結(jié)構(gòu)修理手冊(cè)SRM的形式給出可修理數(shù)據(jù)。針對(duì)修理方法和相應(yīng)的修理材料，已實(shí)現(xiàn)修理材料系列化，品種齊全多樣，修理工藝成熟，設(shè)備工具完善，有完整損傷檢測(cè)和評(píng)估系統(tǒng)。其最大的特征就是在復(fù)材部件設(shè)計(jì)時(shí)就開始考慮到其可維修性。歐洲在20世紀(jì)80年代中期也開始在正式的設(shè)計(jì)文件和維修手冊(cè)中規(guī)定詳細(xì)具體的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修理方法?，F(xiàn)在正在進(jìn)行快速修補(bǔ)、自動(dòng)化修補(bǔ)、參數(shù)化工藝等研究并已拿出了成果，波音公司開發(fā)的CRAS軟件已經(jīng)可以自動(dòng)計(jì)算出最佳修補(bǔ)參數(shù)。

我國(guó)在復(fù)材修理上的研究起步較晚，目前仍未形成系統(tǒng)化，國(guó)內(nèi)對(duì)于復(fù)合材料修理技術(shù)的系統(tǒng)研究始于“九五”，從修理方法、研究方法入手，對(duì)層壓板和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的挖補(bǔ)、貼補(bǔ)修理進(jìn)行深入研究，并對(duì)層壓板沖擊損傷的注射修理進(jìn)行了探索性研究，目前仍處于跟蹤國(guó)際現(xiàn)有技術(shù)的階段，且所用修理材料和工具大部分為進(jìn)口。還有一點(diǎn)，研究和應(yīng)用主要集中在軍用航空器上，這就造成民用航空器復(fù)合材料部件（特別是大型部件）的維修市場(chǎng)已經(jīng)基本為國(guó)外壟斷。

2.1 復(fù)合材料損傷和缺陷來(lái)源

一般按來(lái)源將復(fù)材失效分為缺陷和損傷。

缺陷是在生產(chǎn)制造過(guò)程中出現(xiàn)的先天性問(wèn)題，其來(lái)源于制造時(shí)工藝水平不足，遵守工藝規(guī)格不嚴(yán)，質(zhì)保質(zhì)檢措施不力等因素。如材料預(yù)浸和結(jié)構(gòu)件固化成形過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷：空隙、富膠、貧膠外來(lái)物夾雜不正確的纖維取向和鋪層順序、板厚超差、角度超差、變形；以及結(jié)構(gòu)件機(jī)械加工和裝配過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷：劃傷、有缺陷孔和過(guò)緊連接等。 值得注意的是有些缺陷比如板厚超差是無(wú)法進(jìn)行維修的，一旦顯露出來(lái)就只能報(bào)廢。

損傷是指裝配/使用過(guò)程中出現(xiàn)的后天性問(wèn)題，包括使用階段損傷、環(huán)境性損傷和人為性損傷。根據(jù)國(guó)外大量的使用經(jīng)驗(yàn)，損傷中最主要的是沖擊損傷，其次是人為性損傷。使用階段損傷包括劃傷、擦傷、邊緣損傷，外來(lái)物沖擊引起的分層、脫膠、凹痕和穿透性損傷等；環(huán)境性損傷包括雷電沖擊引起的表面燒蝕和分層、冰凍/熔化引起的濕膨脹、熱沖擊造成的分層和脫膠、夾芯結(jié)構(gòu)水分浸入引起的分層等；人為性損傷是指不良維護(hù)和乘客錯(cuò)誤造成的損傷，比如粗暴的機(jī)務(wù)維修工作、工具設(shè)備和行李等的碰撞、乘客意外污染等。（為了方便敘述，下面將缺陷和損傷統(tǒng)稱為損傷。）

2.2 復(fù)合材料部件無(wú)損檢測(cè)

只要對(duì)復(fù)合材料部件進(jìn)行定期檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能的損傷，就能及時(shí)進(jìn)行針對(duì)性修理，以延長(zhǎng)部件壽命，節(jié)省飛機(jī)整體運(yùn)行成本。

現(xiàn)在常用的檢測(cè)方法有：

（1）目視檢查法。用人的眼睛或與一些輔助設(shè)備，對(duì)飛機(jī)構(gòu)件表面做直接觀察，發(fā)現(xiàn)構(gòu)件表面損傷，并根據(jù)個(gè)人的技能和技術(shù)規(guī)范對(duì)損傷做出判斷和評(píng)價(jià)。適用于初步檢查；

（2）敲擊檢查法。通過(guò)敲擊表面，檢查和確定脫膠和分層范圍，適用于初步檢查；

（3）超聲波檢測(cè)法。利用超聲波穿透力較強(qiáng)，指向性好的特點(diǎn)可以對(duì)部件內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)，超聲波在傳播的路徑上，如果遇到細(xì)小的缺陷，如氣孔、裂紋等，就會(huì)在界面上發(fā)生反射，檢測(cè)者分析反射的聲束，便可以發(fā)現(xiàn)缺陷并確定缺陷的位置，但是其不適用于形狀復(fù)雜或表面粗糙部件的內(nèi)部探傷檢測(cè)；

（4）X射線檢測(cè)法。當(dāng)X 射線透過(guò)被檢工件時(shí)，有缺陷的部位，如氣孔、非金屬夾渣等和無(wú)缺陷部位的基體材料對(duì)X射線的吸收能力不同。以金屬為例，缺陷部位所含空氣、非金屬夾雜物對(duì)X射線的吸收能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于金屬的吸收能力，這樣，通過(guò)有缺陷部位的射線強(qiáng)度高于無(wú)缺陷部位的射線強(qiáng)度。當(dāng)用感光膠片來(lái)檢測(cè)射線強(qiáng)度時(shí)，在內(nèi)部有缺陷的部位就會(huì)在感光膠片上留下黑度較大的影像。但是其無(wú)法檢測(cè)厚度較大部件，且成本過(guò)高，對(duì)人體有害。

隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)也得到飛速發(fā)展，不僅超聲、射線等傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)不斷改進(jìn)，而且還產(chǎn)生了像激光全息干涉、激光超聲、紅外、聲發(fā)射、微波、磁記憶等眾多的無(wú)損檢測(cè)新方法、新技術(shù)。

實(shí)際進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可先進(jìn)行目視檢查和敲擊檢查確定大致位置，然后再進(jìn)行內(nèi)部的無(wú)損檢測(cè)。檢測(cè)所要完成的任務(wù)包括：找到損傷部位；評(píng)估損傷程度；若為結(jié)構(gòu)件，還應(yīng)根據(jù)檢測(cè)結(jié)果評(píng)估損傷應(yīng)力。

2.3 復(fù)合材料部件修理

復(fù)合材料損傷和金屬有顯著不同，詳見(jiàn)表1，其修理方法特別是專業(yè)修理往往根據(jù)其加工工藝修改形成。

對(duì)航空復(fù)合材料部件的維修可分為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急/快速修理以及在工廠的完備技術(shù)條件下進(jìn)行的專業(yè)修理，根據(jù)習(xí)慣將其分別稱為基層級(jí)修理和工廠級(jí)修理，這里我們主要討論工廠級(jí)修理。對(duì)維修的要求包括：

（1）滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。穩(wěn)定性要求，即恢復(fù)結(jié)構(gòu)的承載能力，壓剪載荷下不失穩(wěn)；

（2）滿足結(jié)構(gòu)剛度要求，包括撓度變形、氣彈特性和載荷分布，以及傳力路線等；

（3）滿足耐久性要求，包括疲勞、腐蝕、環(huán)境影響等多方面問(wèn)題；

（4）要恢復(fù)使用功能，包括燃油系統(tǒng)密封、雷擊防護(hù)等；

（5）修理后增重小，并注意質(zhì)量平衡；

（6）氣動(dòng)外形改變小，保證光滑平整；

（7）維修效率高，成本低。

比較常用的修理方法有膠接和鉚接兩種，維修時(shí)，主要根據(jù)部件的物理特性和維修要求進(jìn)行選擇。

2.3.1 膠結(jié)修理

膠結(jié)修理方法的適用范圍很廣，從簡(jiǎn)單的表面劃痕，缺陷處理到承力結(jié)構(gòu)件的修理都能夠應(yīng)用，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是引起的應(yīng)力集中小，且對(duì)結(jié)構(gòu)重量影響不大，根據(jù)是否使用補(bǔ)片，又可以分為無(wú)補(bǔ)片修理與補(bǔ)片式修理。

無(wú)補(bǔ)片修理通常是對(duì)損傷構(gòu)件進(jìn)行直接粘接或者是向其內(nèi)部注射膠結(jié)劑/膠結(jié)混合物，具體實(shí)施方法為在損傷處鉆孔（注膠孔、通氣孔），鉆孔應(yīng)深至損傷層，然后將膠/混合物注入直至膠從通氣孔溢出，最后對(duì)修補(bǔ)區(qū)加熱加壓，以形成整體。對(duì)于熱塑性復(fù)合材料，還可用熔接修補(bǔ)，利用其可溶性，對(duì)分層區(qū)進(jìn)行加壓加熱，使復(fù)合材料發(fā)生熔化，從而完成修補(bǔ)。

補(bǔ)片式修理適用于承力結(jié)構(gòu)件，分為外部補(bǔ)片修理和內(nèi)部補(bǔ)片修理，外部補(bǔ)片適用于薄板修理，工藝簡(jiǎn)單，在外場(chǎng)條件下即可進(jìn)行，但修理后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度只能回復(fù)到70%。內(nèi)嵌補(bǔ)片修理用于較厚的層壓板，工藝復(fù)雜，環(huán)境要求高，一般選用的補(bǔ)片材料為碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料，實(shí)施時(shí)需要去除大量未損傷材料以獲得所需要的楔形，此外還要求鋪層的順序與原層板相同，這種修理方式的優(yōu)點(diǎn)是偏心載荷小，修理效率高，氣動(dòng)性好。

2.3.2 鉚接修理

鉚接修理適用于較厚的整體壁板，通常是使用膠結(jié)方法難以滿足強(qiáng)度要求的情況，其原理和膠結(jié)相同，只是把膠結(jié)變成了鉚接一塊補(bǔ)板，這樣修理后部件強(qiáng)度高，但會(huì)有很大的應(yīng)力集中，且會(huì)對(duì)重量影響很大。

2.3.3 復(fù)合材料部件修理流程翼下整流罩壁板（172）修理

目前，修理程序通常采用十步法，如圖7所示（非結(jié)構(gòu)件可不評(píng)估應(yīng)力），舉例說(shuō)明：

翼下整流罩壁板易被污染，出現(xiàn)嚴(yán)重的分層現(xiàn)象，針對(duì)此進(jìn)行修理。

（1）將板豎直放置，用40℃～60℃的熱水清洗壁板，清洗時(shí)應(yīng)防止熱水及油污進(jìn)入壁板內(nèi)表面。洗后用不起毛的布擦干，然后仍直立狀態(tài)放在通風(fēng)干燥處晾干。

（2）通過(guò)目視及敲擊檢查，確定損傷區(qū)的范圍，并在部件上標(biāo)記清楚。

（3）首先按標(biāo)記線從油污嚴(yán)重的地方開始切除損傷或污染的內(nèi)蒙皮，然后再除去受污染的蜂窩。在切除時(shí)盡量不損壞未損傷或污染的蒙皮和蜂窩；拐角盡可能平滑（半徑大）。

（4）除去余下的全部?jī)?nèi)蒙皮，盡可能不損壞蜂窩，然后消除全部廢物，確保除盡全部油跡和污染。

（5）用240目砂紙輕輕打磨保留下的蜂窩表面，除去毛刺。從內(nèi)向外制備內(nèi)蒙皮修理區(qū)的臺(tái)階。在不同的預(yù)浸料層片間做臺(tái)階時(shí)，要保證下面的鋪層不被損壞。再用320目砂紙打磨修理區(qū)表面，并用真空吸塵器清除壁板表面及蜂窩孔格內(nèi)的碎屑和灰塵，然后用不起毛的布蘸少量丙酮輕輕擦拭膠接表面。

（6）將壁板直立放置于烘箱中。在80℃下至少干燥8h。

（7）根據(jù)損傷情況準(zhǔn)備足夠的修理用材料：蜂窩芯、預(yù)浸料、膠膜、泡沫膠、TEDLAR膜。

（8）將保留下的壁板放入模具并固定。在蜂窩置換區(qū)內(nèi)鋪1層膠膜，將準(zhǔn)備好的蜂窩用泡沫膠包住側(cè)面周邊，按原來(lái)的類型和方向鋪放在蜂窩置換區(qū)內(nèi)。在保留下的內(nèi)蒙皮上鋪滿1層膠膜，然后按原有鋪層將準(zhǔn)備好的預(yù)浸料進(jìn)行層對(duì)層的置換鋪貼。最后在壁板全部?jī)?nèi)表面鋪滿1層TEDLAR膜作為防護(hù)層，蜂窩拼接縫上要放壓平板。

（9）做真空袋，按部件材料固化條件在熱壓罐中固化。

（10）檢查固化記錄并對(duì)壁板進(jìn)行目視及敲擊檢查，以確定固化狀態(tài)良好，按需進(jìn)行內(nèi)部無(wú)損檢測(cè)。

3 結(jié) 論

復(fù)合材料在航空器上的應(yīng)用，特別是民用航空器上的應(yīng)用比例越來(lái)越大。我國(guó)在復(fù)材修理上的研究和應(yīng)用主要體現(xiàn)在軍用航空器上，這就造成民用航空器復(fù)合材料部件（特別是大型部件）的維修市場(chǎng)已經(jīng)基本為國(guó)外壟斷。復(fù)材失效分為缺陷和損傷，其修理方法特別是專業(yè)修理往往根據(jù)其加工工藝修改形成。比較常用的修理方法有膠接和鉚接兩種，維修時(shí)，主要根據(jù)部件的物理特性和維修要求進(jìn)行選擇。對(duì)復(fù)合材料部件進(jìn)行定期檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能的損傷，就能及時(shí)進(jìn)行針對(duì)性修理，以延長(zhǎng)部件壽命，節(jié)省飛機(jī)整體運(yùn)行成本。

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