復(fù)合材料制件修理技術(shù)應(yīng)用

劉永鋼?王英杰

摘 要 飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在制造和使用中容易造成缺陷和損傷，其形成原因是多方面的且很難避免，致使結(jié)構(gòu)承載能力及壽命下降。維護規(guī)范要求在有限的制造資源條件下及時完成，達到與原結(jié)構(gòu)剛度和強度相匹配，同時增加的重量盡可能小。本文闡釋了復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)損傷的主要類型和修理原則以及結(jié)構(gòu)損傷典型修理方法。

關(guān)鍵詞 損傷特性;損傷評估;損傷修理

復(fù)合材料在軍用和商用飛機上用量的增加要求發(fā)展成熟的修理技術(shù)以修復(fù)結(jié)構(gòu)的完整性。結(jié)構(gòu)修理的基本目標是在最短的時間和最少的花費條例下修復(fù)結(jié)構(gòu)的完整性。對于不同的結(jié)構(gòu)，需要在氣動光滑性和修理簡易性之間尋求平衡。大多數(shù)修理都是在飛機定期檢測時進行的，但也有緊急情況。所以可將修理分為兩種類型：臨時性修理和永久性修理。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，特別是易損傷部件，要考慮修理技術(shù)的可行性、有效性和經(jīng)濟性。經(jīng)濟實用的修理技術(shù)是復(fù)合材料持續(xù)和廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。

1復(fù)合材料缺陷、損傷特性

由于復(fù)合材料元件的材料制備和制件成形的特殊性，在制造過程中產(chǎn)生的問題稱為缺陷，是制件先天問題，加工、裝配和使用中產(chǎn)生的問題稱為損傷，是制件的后天問題，對復(fù)合材料制件來說，缺陷和損傷都是不可避免的。超過質(zhì)量控制標準又不至于報廢的缺陷、損傷就要進行修理，有些缺陷能修理，有些則不能修理，原則上損傷都是可修理的[1]。

2復(fù)合材料制件的缺陷、損傷類型

缺陷是元件成型過程中產(chǎn)生的質(zhì)量問題，其類型有層板空隙、夾雜、貧富膠、翹曲、分層、脫膠、尺寸超差、鋪層角度超差等，大多數(shù)缺陷是可修理的，如空隙、分層等，但翹曲變形、尺寸超厚則不能修理，嚴重時只能報廢處理。缺陷原因是制造過程中沒有嚴格遵守材料、工藝規(guī)范，檢測措施不力等。損傷是元件在后續(xù)加工和使用中產(chǎn)生的異常，其類型有分層、脫膠、表面劃傷、錯鉆孔、孔邊損傷、邊緣劈裂等。損傷原因主要是冰雹、鳥撞及維修過程中失落的工具等沖擊造成，以及機體結(jié)構(gòu)長期使用形成的疲勞裂紋等。修理主要針對損傷結(jié)構(gòu)[2]。

3損傷評估

應(yīng)用無損檢測（NDT）技術(shù)檢測缺陷、損傷。已經(jīng)檢查出的構(gòu)件缺陷或損傷，根據(jù)損傷情況，分為可忽略的損傷、可修理和必須更換等類型。

（1）可忽略的損傷：機體結(jié)構(gòu)中的損傷如果不影響強度、剛度或部件的功能，則可歸為可忽略的損傷?？珊雎缘膿p傷定義為材料的去除或變形是允許存在的，或通過簡單的方法即可修正，如刻痕或劃傷的平整;

（2）可修理的損傷：損傷已造成構(gòu)件不完整，降低了強度、剛度，影響了使用功能和壽命。必須修理才能符合適航使用要求的修理。這類損傷修理分為非補片式修理和補片式修理兩種類型;

（3）不可修理的損傷：不能修理的歸為必須更換的損傷。除非定義為可忽略，較短構(gòu)件的損傷因修理通常很難實施，應(yīng)看作是必須更換的損傷。承受高應(yīng)力的元件修理后可能沒有足夠的安全裕度，不允許修理。這些構(gòu)件損傷一旦超過可忽略限度就應(yīng)更換。若元件布局難以實施修理，出現(xiàn)損傷時必須更換。

修理容限是修與不修、能修與不能修的界限。影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷修理容限的因素很多，不同的結(jié)構(gòu)形式、不同的材料體系、不同類型的飛機都有不同的規(guī)定。

4復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷修理

4.1 修理要求及步驟

（1）損傷修理要求：恢復(fù)結(jié)構(gòu)的完整性，增重小，氣動外形變化小，修補所用時間少，成本低，可操作性好。

（2）損傷修理的步驟：a.確定損傷部位、范圍;b.根據(jù)損傷評估判定修與不修，能修與不能修界限;c. 確定修理方法;d.修理評定。

4.2 損傷修理方法

對不同類型的結(jié)構(gòu)、不同的損傷有不同的修理方法。常用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)為層壓板或加筋板類、蜂窩壁板類。結(jié)構(gòu)修理方法大致分為貼補法、挖補法、注射法。

（1）貼補法是用補片貼在缺陷損傷區(qū)，缺陷損傷區(qū)可清除也可不清除。補片可用金屬板也可復(fù)合料板，金屬板多用鈦板也可鋁板，多用螺接，復(fù)合材料補片多膠接也可螺接。此法簡單便攜，適于外傷修理 ，缺點是修補后，連接孔周邊引入了應(yīng)力集中。

（2）挖補法要挖掉清除缺陷和損傷部位，然后再填補新的材料，材料體系與原結(jié)構(gòu)相同或相近。填補方式有階梯法和斜接法。挖補法是較先進的方法，可恢復(fù)表面外形且具有很好的連接效率。這種方法適用范圍廣、效果好，但操作難度大，需要相應(yīng)的設(shè)備和較高的操作技能。挖補操作方法見圖1。

（3）注射法是用特種樹脂注入分層脫膠的缺陷損傷區(qū)，既可低溫也可高溫固化。此法簡便易行，適用于外場修理，可恢復(fù)原強度80%～90%，但僅限于分層和脫膠的修理。

制件在制造、加工中產(chǎn)生的缺陷和損傷可在廠內(nèi)修理，外場的較大損傷不宜現(xiàn)場修理的要返廠修理。外場修理限于設(shè)備等條件，要求室溫固化，若要求較高溫度、壓力固化，使用加熱毯、真空袋。

5結(jié)束語

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)逐漸向整體化、大型化成形方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)在制造和使用過程中不可避免地會出現(xiàn)損傷，直接更換成新零件不現(xiàn)實，因此復(fù)合材料受損結(jié)構(gòu)的修理和評估逐漸成為復(fù)合材料應(yīng)用的新興技術(shù)，高效且經(jīng)濟適用的的修理工藝成為目前復(fù)合材料應(yīng)用研究的熱點之一。隨著復(fù)合材料制造技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷修理技術(shù)也發(fā)展出一些新的方法，如電子束固化修補技術(shù)、光固化修補技術(shù)、微波修復(fù)技術(shù)等一些快速修補技術(shù)。

參考文獻

[1]王云英，丁祖群，王藝，等. 航空先進聚合物基復(fù)合材料的修補[J].航空維修與工程，2008，（2）：27-30.

[2]孟凡顥，董善艷，童小燕，等.復(fù)合材料損傷結(jié)構(gòu)膠接補強修補分析及設(shè)計[C].第十七屆全國直升機年會.第十七屆全國直升機年會論文集.成都：中國航空學(xué)會，2003：153-157.