淺談復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用與修理

黎鼎鋒

【摘 要】近年來，我國在飛機(jī)結(jié)構(gòu)方面的研制水平越來越高，在這個(gè)過程中，復(fù)合材料憑借著簡單的結(jié)構(gòu)、較輕的重量、較長的使用壽命等優(yōu)勢開始被廣泛應(yīng)用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上，給飛機(jī)的有效載荷提高與起飛重量增加提供了必要基礎(chǔ)條件?；诖?，本文將主要分析復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用與修理的相關(guān)內(nèi)容。

【關(guān)鍵詞】復(fù)合材料；飛機(jī)；應(yīng)用；修理

一、復(fù)合材料概述

1.基本分類

復(fù)合材料在本質(zhì)上是一種混合物，近年來，它在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，取代了很多傳統(tǒng)材料。一般來說，按照組成材料可以將其劃分成金屬和金屬復(fù)合材料、非金屬和金屬復(fù)合材料、非金屬和非金屬復(fù)合材料。按照它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又能夠分為以下幾種：第一，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。將各種纖維增強(qiáng)體置于基體材料內(nèi)復(fù)合而成。如纖維增強(qiáng)塑料、纖維增強(qiáng)金屬等。第二，夾層復(fù)合材料。由性質(zhì)不同的表面材料和芯材組合而成。通常面材強(qiáng)度高、??；芯材質(zhì)輕、強(qiáng)度低，但具有一定剛度和厚度。分為實(shí)心夾層和蜂窩夾層兩種。第三，細(xì)粒復(fù)合材料。將硬質(zhì)細(xì)粒均勻分布于基體中，如彌散強(qiáng)化合金、金屬陶瓷等。第四，混雜復(fù)合材料。由兩種或兩種以上增強(qiáng)相材料混雜于一種基體相材料中構(gòu)成。與普通單增強(qiáng)相復(fù)合材料比，其沖擊強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性顯著提高，并具有特殊的熱膨脹性能。

2.成型方法

復(fù)合材料的成型方法按基體材料不同各異。樹脂基復(fù)合材料的成型方法較多，有手糊成型、噴射成型、纖維纏繞成型、模壓成型、拉擠成型、RTM成型、熱壓罐成型、隔膜成型、遷移成型、反應(yīng)注射成型、軟膜膨脹成型、沖壓成型等。金屬基復(fù)合材料成型方法分為固相成型法和液相成型法。前者是在低于基體熔點(diǎn)溫度下，通過施加壓力實(shí)現(xiàn)成型，包括擴(kuò)散焊接、粉末冶金、熱軋、熱拔、熱等靜壓和爆炸焊接等。后者是將基體熔化后，充填到增強(qiáng)體材料中，包括傳統(tǒng)鑄造、真空吸鑄、真空反壓鑄造、擠壓鑄造及噴鑄等、陶瓷基復(fù)合材料的成型方法主要有固相燒結(jié)、化學(xué)氣相浸滲成型、化學(xué)氣相沉積成型等。

二、復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用

1.在機(jī)體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

機(jī)體是典型的對重量敏感的結(jié)構(gòu)，外形復(fù)雜且零件尺寸較大，適合復(fù)合材料在機(jī)體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用，提高機(jī)體的損傷容限，使飛機(jī)的操作更加安全可靠，滿足飛機(jī)的碰撞吸收能量和隱身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。早期復(fù)合材料主要用于天線罩，副翼，襟翼等次承力結(jié)構(gòu)。而隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)的機(jī)翼，尾翼，機(jī)身的主承力結(jié)構(gòu)上復(fù)合材料的用量也大大增加。復(fù)合材料構(gòu)件和鋁合金構(gòu)件相比，在重量、可靠性、生產(chǎn)成本和維護(hù)方面都有良好的效益。如復(fù)合材料在閥體和尾鰭和尾梁構(gòu)件中的應(yīng)用，能夠有效的減輕重量和方便成型。

2.在旋翼槳葉的應(yīng)用

通過早期對復(fù)合材料的嘗試性使用，發(fā)現(xiàn)了復(fù)合材料的突出優(yōu)點(diǎn)，其優(yōu)異的抗疲勞性、多路傳載緩慢的裂紋擴(kuò)展、簡易的模壓成形工藝都在旋翼槳葉上得到了體現(xiàn)。符合材料的應(yīng)用不僅提高了飛機(jī)運(yùn)行的安全，還降低了槳葉的使用壽命，降低維修成本，增加了航空公司的經(jīng)濟(jì)效益。通過專業(yè)人員對新翼型的研究，今年來我國研發(fā)了一系列新型飛機(jī)槳葉翼型。主要的特點(diǎn)是，翼型從對稱型變成了全彎曲、非對稱；槳尖形狀從矩形變成了后掠、尖削，改善了槳葉的載荷分布、振動(dòng)、槳渦干擾和噪聲特性，并提高了旋翼的工作效率。設(shè)計(jì)人員還實(shí)現(xiàn)了槳葉性能和減振降噪的優(yōu)化，并在運(yùn)行過程中取得了顯著成效。

3.在槳轂的應(yīng)用

槳轂的復(fù)合材料應(yīng)用相對槳葉來說更加的困難。纖維纏繞環(huán)套式槳轂，能夠減輕槳轂的重量，提高安全性和可靠性。纖維纏繞內(nèi)、外環(huán)式槳轂盤能夠進(jìn)行多路傳載，不僅美觀還安全。球柔性鉸接式槳轂結(jié)構(gòu)簡單緊湊，需要定期進(jìn)行維護(hù)，成本低。整體式的槳轂/旋翼軸組件能較少飛機(jī)的當(dāng)量廢阻面積和耗油量，新型復(fù)合材料槳轂的柔性梁變形槳葉的揮舞、變矩運(yùn)動(dòng)、擺振的無軸承槳轂結(jié)構(gòu)，是旋翼技術(shù)領(lǐng)域的重大突破。

三、飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理

1.非補(bǔ)片式修理技術(shù)

（1）混合物填充法

混合填充法和注入法非常相似。主要的填料是樹脂混合物。然而，他們之間有很大的不同。該方法可修復(fù)小傷，可用于表面積和蜂窩夾層的修復(fù)。

（2）注射法

通常，當(dāng)我們修復(fù)復(fù)合材料的小面積的脫膠和分層時(shí)，我們可以使用注入樹脂的方法。但是這種方法是否有效取決于在制造過程中還是在使用過程中產(chǎn)生缺陷。如果局部粘附壓力

造成的缺陷不夠，則必須去除表面的污染層，以保證一定程度的粘結(jié)強(qiáng)度。如果內(nèi)部表面被污染，將很難修復(fù)，修復(fù)后的結(jié)果也不理想。但與上述不同的是，如果損壞是由于使用損壞造成的，它的表面沒有受到污染，也沒有吸水，那么就可以有效地進(jìn)行粘結(jié)。但是，這種方法需要在注射孔的結(jié)構(gòu)和孔外進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐帕小？諝獾纳疃缺仨毼挥谌毕莸奈恢茫@樣就可以成功地將樹脂注入孔中。但這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，只要樹脂和纖維在樹脂層中固化，材料就不會(huì)被去除。

（3）抽釘法

抽釘法能有效的控制小損傷的擴(kuò)大，在使用過程中加強(qiáng)分層區(qū)域或脫膠區(qū)的樹脂注射法和混合物填充，來保證外界傳載力的修復(fù)，目前已被廣泛運(yùn)用到碳纖維的邊緣分層修理，并取得了良好效果。

（4）涂層法

當(dāng)復(fù)合材料的表面顯現(xiàn)出問題時(shí)，為了保證材料的安全性和材料外部的穩(wěn)定性，飛機(jī)研發(fā)人員會(huì)運(yùn)用涂層法對表面密封層、防腐層、導(dǎo)電層進(jìn)行修復(fù)。

2.補(bǔ)片式修理技術(shù)

選擇與母板材料相同的補(bǔ)片，外部一圈貼片焊接。最好的補(bǔ)片厚度應(yīng)該是母板厚度的一半，在修復(fù)過程中，應(yīng)根據(jù)粘結(jié)的方法對補(bǔ)片的厚度進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整，具體試驗(yàn)表明，針對剛性材料的修理不能取得良好的效果，補(bǔ)片的粘結(jié)強(qiáng)度較低，因此在飛機(jī)運(yùn)行和維護(hù)過程中經(jīng)常出現(xiàn)問題。而膠粘劑的強(qiáng)度會(huì)影響膠粘劑界面的強(qiáng)度，應(yīng)根據(jù)材料的性質(zhì)選擇合適的膠粘劑進(jìn)行修復(fù)。

（1）外搭接補(bǔ)片機(jī)械連接法

對于補(bǔ)片材料的選擇時(shí)具有很大的自主性的，在修補(bǔ)過程中并沒有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求，可以選擇金屬板，也可以選擇一些復(fù)合材料面板，只要確保飛機(jī)材料中的問題得到有效解決即可。但是，在使用這種方法的時(shí)候應(yīng)該充分考慮腐蝕問題。

（2）外搭接補(bǔ)片膠接法

在通過外搭接補(bǔ)片膠接法進(jìn)行修復(fù)的過程中，最佳補(bǔ)片厚度應(yīng)為母版厚度的一半，并根據(jù)母版厚度進(jìn)行設(shè)定和調(diào)整，搭接長度要考慮到我國膠黏劑的使用性能。具體試驗(yàn)表明，剛硬材料不能夠起到很好的效果，軟補(bǔ)片膠接強(qiáng)度低，在飛機(jī)運(yùn)行維修過程中經(jīng)常出現(xiàn)問題。膠粘劑的強(qiáng)度會(huì)影響膠接口的強(qiáng)度，要根據(jù)使用材料的性質(zhì)進(jìn)行修復(fù)。

（3）嵌入式補(bǔ)片修理法

這種方法是永久性的修理方法，在修理的過程中，挖去部分母體材料，并在預(yù)浸料補(bǔ)片后與母體材料再次膠接。在修復(fù)過程中使用這種方法，能夠避免因維修對機(jī)體產(chǎn)生影響，因此目前這種方法已經(jīng)得到了大范圍的應(yīng)用。

四、結(jié)束語

總之，在飛機(jī)制造的過程中，復(fù)合材料是一種非常理想的材料，近年來，其已經(jīng)被廣泛使用在機(jī)翼、機(jī)身以及發(fā)動(dòng)機(jī)部件中，逐漸成了現(xiàn)代機(jī)體結(jié)構(gòu)中的重要組成部分。此外，各種程度和形式的損傷所需采用的維修護(hù)理技術(shù)是不完全一樣的，因此，相關(guān)人員應(yīng)該加大對復(fù)合材料維修技術(shù)的研究力度。

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