民用飛機(jī)復(fù)材層壓板分層缺陷修理方法研究

朱宇

【摘 要】簡要介紹了國內(nèi)外復(fù)合材料修理技術(shù)現(xiàn)狀，主要對機(jī)體復(fù)合材料制造缺陷修理進(jìn)行研究，有針對性地提出了復(fù)合材料無損檢測方法，闡述了修理材料，修理方法以及固化方式等內(nèi)容，并重點(diǎn)介紹了復(fù)合材料層壓板分層缺陷修理技術(shù)。旨在為民用飛機(jī)復(fù)材修理工藝的實(shí)施提供參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】復(fù)合材料;分層缺陷;修理

中圖分類號： TD453 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）01-0022-002

先進(jìn)復(fù)合材料由于比強(qiáng)度高、比剛度大、可設(shè)計(jì)性、耐疲勞性能和抗腐蝕性能良好等優(yōu)點(diǎn)，采用復(fù)合材料已越來越被在飛機(jī)上大量使用。在具有眾多優(yōu)點(diǎn)的同時，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)也存在層間強(qiáng)度低、抗沖擊能力差、對濕熱環(huán)境和缺口敏感性強(qiáng)等缺點(diǎn)。因此，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在制造過程中不可避免地會產(chǎn)生各種制造缺陷，典型的制造缺陷有孔隙，分層，脫膠，表面損傷，鉆孔錯誤等。按照當(dāng)前制造驗(yàn)收技術(shù)條件的要求，對于不可許用的缺陷，那么需要予以修理。國外民機(jī)進(jìn)行了大量的分析和試驗(yàn)驗(yàn)證工作，對復(fù)合結(jié)構(gòu)有明確的缺陷損傷評估與修理規(guī)定。總體來說，國外飛機(jī)的復(fù)合材料修理已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)規(guī)范化。

1 復(fù)材修理簡介

層壓板的修理問題是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理問題中的基礎(chǔ)性研究課題。層壓板由兩層或兩層以上的浸有樹脂的纖維層或組織物經(jīng)一定順序疊合、熱壓結(jié)合成的整體板。與金屬結(jié)構(gòu)相比，復(fù)合材料會以多種損傷形式相繼交互出現(xiàn)，而且分散性大。復(fù)合材料的維修一般分為現(xiàn)場應(yīng)急/快速修理以及在工廠進(jìn)行的專業(yè)修理，維修的要求包括：滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)剛度要求，耐久性要求等。

修理方法有膠接和鉚接兩種，維修時根據(jù)部件的物理特性和維修要求進(jìn)行選擇。

1.1 膠結(jié)修理

膠結(jié)修理方法的適用范圍很廣，從簡單的表面劃痕，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，且對結(jié)構(gòu)重量影響不大。主要分為挖補(bǔ)修理和注射修理兩種，將在第4節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.2 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，但會有很大的應(yīng)力集中，且會對重量影響很大。

2 缺陷檢測

缺陷通常是生產(chǎn)制造過程中產(chǎn)生的問題，是制件先天的問題，如分層、脫膠、壓陷、空隙、夾雜、富脂、貧脂、翹曲、鋪層方向不對、角度不準(zhǔn)、次序不對、厚度超差等。其來源于未嚴(yán)格遵守工藝規(guī)范，質(zhì)保、質(zhì)檢措施不利等。有的缺陷能修，有的不能修。

在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷修復(fù)之前，應(yīng)首先確定損傷或缺陷的類型，主要方法有目視、敲擊、射線、超聲和機(jī)械阻抗試驗(yàn)等。

2.1 目視檢查

目視檢查是使用最廣泛的無損檢測方法。通常可觀察到的缺陷包括褪色（由過熱引起）、外來物、裂痕、裂紋、劃傷、砂眼、凹痕、起皮、凹坑、氣泡、疏松、富脂和貧脂區(qū)以及表面起皺。

2.2 敲擊法

敲擊法利用從10 ～20 Hz的聲波頻率，常用“硬幣敲擊法”檢查空隙或分層。當(dāng)用硬幣或其他合適的物體敲擊時，敲擊聲響亮清晰表明膠接良好，而發(fā)悶的空聲表明有空隙或分層。能連續(xù)發(fā)出穩(wěn)定敲擊頻率和敲擊力的自動聲響設(shè)備可用于該檢查方法。敲擊的聲音能顯示零件表面三到四層空洞、分層或脫膠。

2.3 超聲波

該方法是利用聲波能量的衰減進(jìn)行缺陷檢查。分層、空穴、脫粘或其他結(jié)構(gòu)變化均可引起衰減。這是最常用的首次檢查方法，要求接觸零件的兩面。超聲波發(fā)現(xiàn)變異的區(qū)域，但不能確定零件內(nèi)部的位置深度，須使用另外方法來確定缺陷類型數(shù)量。超聲技術(shù)有穿透傳輸和脈沖反射兩種方法。常用的記錄和顯示方法有A掃描、B掃描和C掃描三種。

2.4 脈沖回波（PE）

脈沖回波檢驗(yàn)用于層壓板結(jié)構(gòu)。超聲波信號從后墻或?qū)雍习鍍?nèi)不規(guī)則處反射，被表面?zhèn)鞲衅鹘邮?。通過信號位置和振幅的改變表征材料的狀況。僅需接觸零件的一面，但對多孔的零件不適用。

2.5 共振傳感器膠粘測試儀

這種膠粘測試儀監(jiān)測探頭接觸層壓板結(jié)構(gòu)材料后其共振頻率發(fā)生變化。探頭下面的材料因分層或空隙導(dǎo)致的厚度、質(zhì)量和剛度降低，探測器的共振頻率會變大。Bondascope 2100， Fokker Bondtester和Bondmaster是常用的儀器。適用于探測器下面有局部平坦區(qū)域的層壓板的分層和空隙檢查，對層壓板孔隙率脈沖回波法不適用時尤其有效，只需零件一個表面即可進(jìn)行測試。

3 修理準(zhǔn)備

3.1 確定修理尺寸

根據(jù)工程圖紙決定要去除的修理區(qū)域的每層鋪層的材料（規(guī)格，類型，種類，級別和成型方法等）。鋪層暴露面積是指為每層鋪層提供拼接的區(qū)域。鋪層暴露面積要求為：鋁箔和聚氟乙烯為0英寸;玻璃纖維鋪層，火焰噴涂和擴(kuò)展箔約0.5英寸;碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料帶或織物約0.5英寸。

3.2 去除損傷

使用需求鋪層的錐形或階梯狀鋪層錯列排布，應(yīng)用150目或更細(xì)的砂紙打磨。為了使鋪層更容易去除，在開始打磨之前，可以先切割鋪層大約0.5英寸，或者和在排布中每層鋪層重疊的量相同的距離，在每一層鋪層最終的錯列排布位置使用鋒利的刀具，限制打磨速度在20000轉(zhuǎn)/分以內(nèi)。剝落每一層使下面一層暴露出來。

3.3 除水

檢查損傷區(qū)域是否有水進(jìn)入，如圖1所示。

4 修理方法

由于復(fù)合材料的損傷形式、材料性能等與金屬結(jié)構(gòu)顯著不同，導(dǎo)致復(fù)合材料的修理與金屬件有很大的區(qū)別，不能將傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)修理方法直接應(yīng)用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，必須根據(jù)其具體的損傷特點(diǎn)（如損傷程度、損傷部位、可修理性、修理技術(shù)的可行性、有效性以及經(jīng)濟(jì)性等）采用不同的修理方法。層壓板結(jié)構(gòu)目前的修理方法主要有樹脂注射修理和挖補(bǔ)修理。

4.1 挖補(bǔ)修理

挖補(bǔ)修理法通過去除損傷材料，并重新鋪貼鋸齒狀補(bǔ)片，以達(dá)到修復(fù)內(nèi)部缺陷的目的。實(shí)驗(yàn)證明，挖補(bǔ)修理法分為斜面補(bǔ)片修理法和臺階補(bǔ)片修理法，注意需要切割正確尺寸進(jìn)行修補(bǔ)，補(bǔ)片太大容易形成褶皺，補(bǔ)片太小會形成間隙，影響外形和粘接效果。這種修理法的鋸齒狀補(bǔ)片可以防止鋪層剝離，實(shí)驗(yàn)證明，這種修理方法可以全面恢復(fù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

4.2 注射修理

樹脂通過邊緣或鉆孔/緊固孔注入損傷區(qū)域，將損傷區(qū)域重新黏結(jié)。注射修理法是復(fù)合材料特有的修理方法，它不同于任何形式的金屬修理，修理后對強(qiáng)度的影響可忽略。這種修理可以在場內(nèi)，甚至外場設(shè)備條件下很方便的完成。由于是在常溫下注入并固化，要求所使用的材料為低黏度樹脂，確保樹脂在缺陷中的流動性，以填充整個缺陷。

5 固化方式

在完成上述修理后，需對修理部位進(jìn)行固化。固化前，需要先進(jìn)行裝袋;在固化完成后，還需要進(jìn)行拆袋。

5.1 裝袋方式

根據(jù)固化類型的不同，有如下三類裝袋方式：

a）加熱墊固化鋪層的裝袋;

b）熱壓罐或烘箱固化鋪層的裝袋;

c）室溫固化或壓實(shí)鋪層的裝袋復(fù)合材料修理采用的四個固化等級。

5.2 固化過程

在零件放入熱壓罐、烘箱或加熱墊之前，一般需對裝袋進(jìn)行抽真空，真空環(huán)境需保持到固化結(jié)束。不同的基體和固化材料有不同的固化溫度，在固化過程中，需要有熱電偶實(shí)時監(jiān)測溫度，控制升溫速率、降溫速率和保溫時間，典型固化曲線圖2所示。

5.3 拆袋

a）零件固化完成后，需按以下步驟進(jìn)行拆袋處理。

b）拆袋之前零件溫度要在150F之下

c）去除裝袋的材料和工裝的過程中不應(yīng)對零件造成損傷。可能產(chǎn)生如下危害：

-去密封膠帶的時候，可能劃傷或割傷零件表面;

-當(dāng)強(qiáng)行分離零件和工裝時，可能會造成修理層分層;

-在完全冷卻前從工裝中移出零件可能引起零件彎曲變形。

d）所有消耗材料的處置方法遵循相關(guān)處理方法。

6 結(jié)語

隨著復(fù)合材料制造技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，復(fù)合材料修理技術(shù)也將在完善現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷汲取新技術(shù)，向優(yōu)質(zhì)、高效和低成本化的方向發(fā)展，修理材料和固化方式上的技術(shù)突破，復(fù)合材料修理必將走向低成本化。