淺談飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷和檢測(cè)維修方法

孔磊，邢瑞山

（廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院飛機(jī)維修工程學(xué)院，廣東 廣州 510470）

飛機(jī)復(fù)合材料通常被稱為先進(jìn)復(fù)合材料（Advanced Composite Material，ACM），具有較高的比強(qiáng)度、比剛度，能有效減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量，還具有抗腐蝕、破損安全性高等優(yōu)點(diǎn)。飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)各種類型的損傷，對(duì)于損傷的分析、檢測(cè)和維修是至關(guān)重要的。

1 飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)常見(jiàn)損傷及損傷容限

飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的損傷類型主要包括劃傷、裂紋、凹槽（鑿傷）、點(diǎn)蝕、凹坑、分層、脫膠以及雷擊等損傷。

（1）劃傷（Scratch）/鑿傷（Gouge）：是一種線性損傷，通過(guò)檢查破損長(zhǎng)度和深度程度來(lái)區(qū)分。劃傷是由于尖銳物體接觸，而造成一定深度和長(zhǎng)度的線性損傷；鑿傷比劃傷更寬，可能是更深的損傷。

（2）刻痕（Nick）/擦傷（Abrasion）：是一種小區(qū)域損傷，通過(guò)檢查損傷處是否穿透表層來(lái)區(qū)分。

（3）分層（Delamination）/脫膠（Disbond）：通過(guò)檢查復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部分離破壞發(fā)生的位置來(lái)區(qū)分。分層是指在復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)中，不同纖維層之間的剝離破壞；脫膠是指復(fù)合材料構(gòu)件中，纖維層和蜂窩之間的剝離破壞。

（4）凹坑（Nick）/穿孔（Penetration）：通過(guò)檢查破壞發(fā)生的深度是否穿透復(fù)合材料板厚來(lái)區(qū)分。

（5）燒蝕、雷擊（Burning，Lighting strike）：是復(fù)合材料遇明火或雷擊而引起復(fù)合材料構(gòu)件的燒蝕損傷。通過(guò)目視檢查復(fù)合材料外表面就可以發(fā)現(xiàn)。

（6）凹坑（Dent）：分為低能量、中等能量和高能沖擊。

損傷容限是指結(jié)構(gòu)在未采取維修的規(guī)定使用周期內(nèi)，抵抗由缺陷、裂紋或其他損傷而導(dǎo)致破壞的能力。主要包括：在規(guī)定的壽命增量?jī)?nèi)，結(jié)構(gòu)能成功地遏制損傷而無(wú)損于飛行安全的能力；在遭受疲勞、腐蝕、意外或離散源引起的定量損傷后，在一定的使用期內(nèi)，結(jié)構(gòu)保持其剩余強(qiáng)度的能力。

復(fù)合材料在一定的損傷容限范圍內(nèi)是允許不經(jīng)過(guò)維修繼續(xù)使用的，下面以Boeing737-800型飛機(jī)的襟、副翼蓋板為例來(lái)闡述復(fù)合材料損傷容限的具體要求，具體可參考飛機(jī)結(jié)構(gòu)維修手冊(cè)（Structural Repair Manual，SRM）57-51-01部分。

（1）蜂窩芯復(fù)合材料板的損傷容限：①點(diǎn)蝕、凹坑和劃傷的損傷容限：未傷及到玻璃纖維的點(diǎn)蝕、凹坑和劃傷損傷是允許存在的。有些傷及玻璃纖維的點(diǎn)蝕、凹坑和劃傷損傷也是允許存在的。例如：損傷鋪層數(shù)在總鋪層的1/10（一般2層），損傷在長(zhǎng)度方向小于2英寸，寬度小于0.25英寸，損傷區(qū)域到構(gòu)件邊緣的距離大于損傷區(qū)域直徑1.5倍左右。②凹坑類損傷的損傷容限：凹坑直徑小于等于0.5英寸直徑；距離其他損傷，緊固件孔和材料邊緣的距離大于等于2.5倍的損傷區(qū)域直徑。③孔、擊穿和脫層的損傷容限：損傷的直徑小于等于0.25英寸；距離其他損傷，緊固件孔和材料邊緣的距離大于等于2.5倍的損傷區(qū)域直徑。④邊緣損傷容限：邊緣損傷滿足深度小于等于0.1英寸，寬度小于等于0.5英寸，距離其他損傷，緊固件孔和材料邊緣的距離大于等于2.5倍的損傷區(qū)域直徑的在允許損傷范圍內(nèi)。邊緣有兩層損傷，或者邊緣材料的去除在總厚度1/10以內(nèi)的損傷是允許的。

（2）層合板復(fù)合材料的損傷容限：①點(diǎn)蝕、凹槽和劃傷的損傷容限：未傷及玻璃纖維的點(diǎn)蝕、凹槽和劃傷是允許的。有些傷及纖維的點(diǎn)蝕、凹槽和劃傷也是允許的，例如：損傷的鋪層數(shù)只有一層，損傷長(zhǎng)度小于等于3英寸，損傷寬度小于等于0.25英寸，距離材料邊緣、其他損傷或者緊固件孔的距離不小于0.5英寸。②凹坑、孔、脫層或者擊穿損傷容限：損傷直徑小于等于0.5英寸，距離其他損傷、緊固件孔或材料邊緣距離不小于2.5倍的損傷區(qū)域直徑。③邊緣損傷容限：損傷深度不超過(guò)0.1英寸，損傷寬度小于0.5英寸，損傷距離其他損傷、緊固件孔或材料邊緣距離不小于2.5倍的損傷區(qū)域直徑。

其他區(qū)域的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件損傷，應(yīng)參考SRM手冊(cè)的相應(yīng)章節(jié)。超出損傷容限范圍的情況，則需要制定相關(guān)的臨時(shí)修理或永久性修理方案。

2 飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷檢查

在清除復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷之前，要確定損傷范圍和程度，以便確定該損傷構(gòu)件或部件是否可以通過(guò)修理恢復(fù)功能，對(duì)可修理?yè)p傷確定清除損傷的范圍。

首先，通過(guò)目視檢查初步確定損傷的范圍和程度，然后再用無(wú)損檢測(cè)方法確定損傷的確切范圍和嚴(yán)重程度。應(yīng)檢查損傷區(qū)域及其附近有無(wú)水分、滑油、燃油、污物以及其他外來(lái)物浸入，并進(jìn)行清除。通常采用X射線法檢查損傷區(qū)域是否有水分進(jìn)入。可以采用無(wú)損檢測(cè)方法檢查復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的分層損傷，也可以采用金屬鈴聲法檢查分層損傷。但是，用金屬鈴聲法確定損傷是不可靠的，應(yīng)盡可能采用無(wú)損檢測(cè)的方法檢查分層損傷。所以復(fù)合材料的損傷檢查方法主要有目視檢查法、敲擊檢查法、X射線檢查法以及渦流檢測(cè)等。工作實(shí)踐中，以目視檢查法和敲擊檢查方法結(jié)合為主，設(shè)備檢測(cè)主要在內(nèi)場(chǎng)維修實(shí)踐中應(yīng)用。

外場(chǎng)修理實(shí)踐中，敲擊檢查法是檢查分層、熱損傷和脫膠的常用方法，注意事項(xiàng)如下：（1）飛機(jī)結(jié)構(gòu)維修手冊(cè)（SRM）規(guī)定，敲擊檢查法不能檢查蜂窩結(jié)構(gòu)中面板層數(shù)小于、等于3層的分層和脫膠損傷。（2）如果有雷擊或其他熱損傷的跡象，敲擊檢查法可以用來(lái)檢查任何厚度的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。（3）可以使用以下工具進(jìn)行敲擊：金屬小片（如硬幣）、敲擊檢查專用工具（如小錘）等。（4）敲擊檢查整個(gè)區(qū)域時(shí)，兩次敲擊的間隔距離不能大于最大允許損傷尺寸，厚度上的變化（鋪層數(shù)的變化）可能導(dǎo)致敲擊聲改變，由此影響外部損傷檢查。所以在檢查前，先查閱檢查區(qū)域的鋪層數(shù)量和變化情況。（5）注意分辨（聽(tīng)）聲音的變化。非損傷區(qū)域的聲音清脆、尖銳；分層、脫膠區(qū)域聲音發(fā)鈍。

3 飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)典型損傷修理方法

復(fù)合材料典型修理方法的工藝步驟列舉如下（參考SRM51-70-03）。

（1）確定損傷等級(jí)。首先，目視檢查損傷等級(jí)，檢查部件損傷區(qū)域有無(wú)水分、潤(rùn)滑油、燃油或其他雜物。水分可以通過(guò)X射線法檢測(cè)到。檢查脫層區(qū)域的周邊，確定脫層損傷的具體尺寸。脫層損傷的檢查可以采用無(wú)損檢測(cè)方法。

（2）清理?yè)p傷鋪層。使用砂紙或者打磨器清除損傷鋪層，打磨或清理過(guò)程中應(yīng)避免出現(xiàn)火花或電弧，以防引起爆炸。打磨的粉塵不要吸入呼吸道，防止過(guò)敏或感染。化學(xué)除漆劑在復(fù)合材料表層是不允許使用的。

參考復(fù)合材料維修相關(guān)圖紙，用膠帶紙覆蓋修理區(qū)域四周，覆蓋區(qū)域應(yīng)當(dāng)比最大損傷區(qū)域超出1英寸。清除面板的損傷區(qū)域時(shí)，需使用180號(hào)或者更細(xì)的砂紙打磨圓形或橢圓形修補(bǔ)區(qū)。清除掉的鋪層數(shù)要做記錄。膠紙覆蓋區(qū)域內(nèi)部的損傷要清理干凈，并用240號(hào)或更細(xì)的砂紙打毛。未損傷區(qū)域要保護(hù)好。

如果損傷區(qū)域有無(wú)須去除的蜂窩芯，直接將蜂窩芯表層清理干凈即可。所用的砂紙為240號(hào)或者更細(xì)。如果蜂窩芯上有填充膠膜，可以不用清理掉。最后撕去粘貼的保護(hù)膠帶。

（3）徹底切除損傷的蜂窩芯（視需要而做）。蜂窩芯去除的大小要與蒙皮上挖的孔大小一致。不允許在清理中傷到另一側(cè)面板。確保所有的損傷去除徹底，對(duì)于厚度大于1英寸的蜂窩芯可以做部分厚度上的蜂窩芯切除，損傷深度不能大于0.5英寸，此時(shí)，可只移除0.5英寸厚度的蜂窩芯。檢查損傷清理是否徹底，并用無(wú)損檢測(cè)再次確認(rèn)。

（4）從蜂窩夾芯板結(jié)構(gòu)中清除水分。清除水分的面積要大于損傷部分在4英寸以上。

（5）從層合板結(jié)構(gòu)中清除水分。使用無(wú)油的真空泵或壓縮氣體帶走水分，同時(shí)對(duì)損傷區(qū)域用加熱毯加熱。

（6）再次用膠帶紙保護(hù)修理區(qū)域的周邊，方法同步驟（2）中所講。

（7）清理打磨。每一級(jí)階梯之間的搭接跨度為0.5英寸。打磨階梯后，用吸塵器清理灰塵，并用沾了丙酮的抹布清理打磨表面，直到無(wú)灰塵為止。

（8）切割新的蜂窩芯填回修理孔內(nèi)。蜂窩芯的參數(shù)可以在相應(yīng)的工程圖紙內(nèi)查到。確定蜂窩芯的彩帶（0度）方向，對(duì)于玻纖蜂窩芯、芳綸蜂窩芯和鋁蜂窩芯，先切割到合適的高度，要求比原切除的蜂窩芯高出1/16英寸左右（固化蜂窩芯和后續(xù)鋪層固化分兩步走），將新切割的蜂窩芯修成與原蜂窩芯一樣的輪廓和形狀。填塞的蜂窩芯與孔之間允許有0.025英寸的間隙，以便可以在蜂窩芯周邊纏繞泡沫膠帶。最后將孔周邊的毛刺清理干凈。如果回填的蜂窩芯不干凈，要先用恰當(dāng)?shù)脑噭┣逑锤蓛簟?/p>

（9）固化回填的蜂窩芯。將已經(jīng)回填蜂窩芯的修理區(qū)域用密封袋密封，并抽不小于22英寸汞柱的真空，在60～80℃下固化30min將蜂窩芯固定。

（10）再次打磨蜂窩芯，并清除灰塵。

（11）制作修補(bǔ)片預(yù)浸料。首先，將修補(bǔ)片可能覆蓋的所有的孔用摻有碎纖維的樹(shù)脂膠填充，每層打磨階梯都覆蓋一層修補(bǔ)片預(yù)浸料，上層修補(bǔ)片應(yīng)當(dāng)比相鄰的下層直徑大1英寸（與0.5英寸的階梯相對(duì)應(yīng)）。鋪層前需確認(rèn)原結(jié)構(gòu)件的鋪層方向和修補(bǔ)片的纖維方向，原則上修補(bǔ)片應(yīng)當(dāng)與原構(gòu)件的纖維方向一致。確定修補(bǔ)片的尺寸，剪切相應(yīng)面積的纖維布，將纖維布稱重后，調(diào)與纖維布一樣重量的樹(shù)脂膠。然后將調(diào)好的樹(shù)脂膠倒在纖維布上，上下覆蓋好分離膜后用刮膠板將膠刮勻。預(yù)浸料制作完畢后，應(yīng)立即使用或放置于-20℃的冰箱內(nèi)儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>

（12）剪切預(yù)浸料到所需要的形狀和尺寸。

（13）鋪層修理與固化。將剪切好的預(yù)浸料鋪到修理區(qū)（每個(gè)修理區(qū)的填平片不能多于四片）。首先，將最小的補(bǔ)片鋪設(shè)好，并依次鋪設(shè)上述的修補(bǔ)片，鋪設(shè)中需始終注意補(bǔ)片的方向。按照固化蜂窩芯的方法固化修補(bǔ)片。

（14）維修后的檢查。對(duì)于蜂窩芯修理區(qū)域可以用敲擊或其他NDT方法檢查是否仍存在損傷。檢查區(qū)域應(yīng)當(dāng)比加熱區(qū)域大2英寸以上。如果檢查結(jié)果不理想，需要重新進(jìn)行修復(fù)。

（15）后處理。將修補(bǔ)片周邊用砂紙打磨到與原來(lái)板件有順滑的過(guò)渡。原飛機(jī)構(gòu)件上如果有導(dǎo)電層、耐磨層、密封膠、包鋁或者其他表面漆層等，需要恢復(fù)原來(lái)的覆蓋層。

（16）如果修理的是飛機(jī)的操縱面，還需要進(jìn)行配平與稱重。裝回構(gòu)件要確保其工作正常。

（17）填充過(guò)的所有緊固件孔應(yīng)再次鉆孔和锪窩（參考SRM51-20-07）。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，隨著科技的發(fā)展，飛機(jī)復(fù)合材料維修技術(shù)不斷在改進(jìn)，維修經(jīng)驗(yàn)不斷在積累。在疫情影響和民航業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的大環(huán)境下，研究飛機(jī)復(fù)合材料的損傷和維修方法具有重要的意義。