飛機(jī)蒙皮表面的預(yù)處理及涂裝研究

劉俊文，張 凈，李 瓊，吳群英，陳東琛

飛機(jī)是民航事業(yè)快速發(fā)展下人們外出選擇的重要交通工具，而飛機(jī)蒙皮位于飛機(jī)的最外層，直接和外界環(huán)境接觸，是決定飛機(jī)能夠安全飛行的核心因素。飛機(jī)蒙皮的作用是確保飛機(jī)的外部形狀，不會(huì)因?yàn)轱w機(jī)的起飛或著陸等載荷因素的影響產(chǎn)生改變。對(duì)此飛機(jī)表面的蒙皮處理和涂裝工藝選擇將直接關(guān)系到飛機(jī)的使用性能，如何選擇具有裝飾性和保護(hù)性的涂層至關(guān)重要。

1 飛機(jī)蒙皮常見涂料

飛機(jī)發(fā)明之初，使用的蒙皮通常是紡織布：將布料包在飛機(jī)的木質(zhì)或金屬結(jié)構(gòu)上，再涂上防水隔氣的材料就算完成。這種簡(jiǎn)陋的蒙皮很容易被環(huán)境影響，所以在一戰(zhàn)期間，各國都將注意力集中到了金屬材料蒙皮的研發(fā)和應(yīng)用。到了二戰(zhàn)的時(shí)候，鋁合金蒙皮已經(jīng)成為了戰(zhàn)機(jī)的主流配置。蒙皮處理需要用到各式各樣的涂料，常見的有。

1.1 硝基涂料

硝基涂料的主要材料是硝化棉，這也是早期飛機(jī)布蒙皮經(jīng)常使用的涂料類型，涂層系統(tǒng)包括硝基清漆與各色硝基磁漆。當(dāng)飛機(jī)的框架上蒙上棉布或亞麻布之后，表面無法作為飛機(jī)蒙皮，不過在覆蓋涂布之后，則表面棉布收縮，整個(gè)框架相對(duì)繃緊形成光滑表面，滿足飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)性能要求，布的拉伸強(qiáng)度得到大幅提高。需要考慮的是，由于該涂層會(huì)在陽光的作用下容易出現(xiàn)變質(zhì)，所以會(huì)選擇涂硝基涂料保護(hù)層來延長蒙皮的使用周期。該涂層系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)在于大氣抗老化性能較差，且具有易燃性，可能對(duì)飛機(jī)產(chǎn)生安全隱患。

1.2 醇酸樹脂材料

醇酸樹脂材料包括多元醇、多元酸和脂肪酸等材料共同合成，脂肪酸組分可以劃分為兩種類型，一種是鋁蒙皮用醇酸涂料，其綜合性能比前文提到的硝基涂層效果更好，不過該涂層不適用于某些高速飛機(jī)。二是醇酸清漆，但該材料的使用頻率明顯下降，逐漸被聚氨酯涂料或丙烯酸涂料所取代。

1.3 丙烯酸

丙烯酸涂料的最大優(yōu)勢(shì)在于具有穩(wěn)定的保色性和保光性能，受到大氣當(dāng)中紫外線的影響程度較低，且分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不容易產(chǎn)生分解或氧化。另外其干燥速度較快且施工簡(jiǎn)單，維修過程當(dāng)中的脫漆比較容易，這種涂料仍然是當(dāng)前飛機(jī)蒙皮涂料的常見選擇。

1.4 環(huán)氧樹脂涂料

飛機(jī)表面的蒙皮涂層不僅可以作為裝飾材料，同時(shí)還是延長飛機(jī)使用周期的結(jié)構(gòu)材料，如果蒙皮涂層和機(jī)身的粘結(jié)力較差，就會(huì)因?yàn)闇囟茸兓驓饬鳑_擊導(dǎo)致涂層脫落。環(huán)氧樹脂涂料的附著力良好，且不會(huì)受到化學(xué)藥品或容器的腐蝕，作為底漆被廣泛應(yīng)用于當(dāng)前的飛機(jī)之上。早在20世紀(jì)70年代，美國公司就研制了飛機(jī)蒙皮涂料，并選擇環(huán)氧樹脂作為基體，與聚氨酯類面漆相互匹配形成蒙皮涂層，在各種環(huán)境下都不會(huì)產(chǎn)生破裂或起皮現(xiàn)象，解決了長期以來的粘接難題。雙組分環(huán)氧聚酰胺底漆的性能與瓷漆配套性更加出色，常溫條件下能完成固化，在航空工業(yè)領(lǐng)域可得到廣泛應(yīng)用。

2 飛機(jī)鋁蒙皮表面預(yù)處理

2.1 電化學(xué)陽極氧化法

鋁是一種比較活潑的銀白色光澤金屬，相對(duì)密度2.70。所以會(huì)在純鋁當(dāng)中加入某些其他金屬，讓其成為鋁合金之后提升機(jī)械強(qiáng)度，鋁合金在航空工業(yè)上也得到了比較普遍的應(yīng)用。具體來看，純鋁在常溫的空氣當(dāng)中會(huì)與氧氣發(fā)生作用，從而在表面生成一層薄薄的致密氧化膜，該氧化膜厚度較薄，但卻能夠隔絕氧氣和內(nèi)部鋁之間的互相作用，起到一定的保護(hù)功能。所以純鋁在空氣當(dāng)中的穩(wěn)定性和耐腐蝕性普遍良好，如果在其中加入銅或鋅等元素時(shí)，鋁合金的機(jī)械強(qiáng)度會(huì)有大幅提升。不過需注意的是，加入其他元素后，鋁合金本身的耐腐蝕性能會(huì)相對(duì)下降，需要對(duì)鋁合金表面進(jìn)行化學(xué)處理后，才能保障涂層接觸面積和抗腐蝕性能進(jìn)一步提升表面涂層的附著能力。這樣一來才能讓涂層牢固附著在鋁合金的蒙皮表面。

當(dāng)前比較常見的蒙皮表面處理方法當(dāng)中，電化學(xué)陽極氧化法是相對(duì)穩(wěn)定且應(yīng)用普遍的方法，其原理是將鋁板掛在陽極化槽中，接通陽極和陰極，讓電極產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，生成表面的氧化膜。氧化膜生成過程當(dāng)中一方面能夠生成三氧化二鋁，另一方面氧化膜本身會(huì)產(chǎn)生溶解，但只需氧化膜生成速度大于溶解速度，氧化膜就可以具有厚度。氧化環(huán)節(jié)當(dāng)中，氧化膜和電鍍鍍層存在一定的差異，從金屬表面向外生長，并且具有良好的吸附能力，與漆膜的附著非常穩(wěn)定。不過當(dāng)氧化膜的放置時(shí)間過長時(shí)，氧化膜本身存在的孔隙會(huì)被灰塵和其他污染物所堵塞，此時(shí)漆膜的附著力大幅下降。氧化膜作為不導(dǎo)電絕緣層和耐熱保護(hù)層，其導(dǎo)熱系數(shù)要低于金屬。常見的陽極氧化法電解液包括硫酸、磷酸等不同類型，并且會(huì)因?yàn)殡娊庖旱牟煌瑏韰^(qū)分陽極氧化法，例如硫酸陽極氧化法或磷酸陽極氧化氧化法等，整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段要考慮到電解液溫度或電流密度等相關(guān)參數(shù)對(duì)氧化膜質(zhì)量產(chǎn)生的影響。

2.2 化學(xué)氧化法

化學(xué)氧化法的直接優(yōu)勢(shì)在于工藝簡(jiǎn)單且成本較低，與電化學(xué)方法相比，并不需要通過電流來輔助。但該方法所生成的氧化膜的膜層厚度大約只有0.5μm～3μm左右，且膜層質(zhì)地較軟，耐磨性不足，在遇到比較嚴(yán)重的腐蝕或觸碰時(shí)無法單獨(dú)使用。不過化學(xué)氧化法所生成的氧化膜在物理吸附能力上非常出色，能夠作為良好的底涂層，對(duì)鋁合金材料的疲勞性影響較小，且操作更加簡(jiǎn)單，只需要在表面涂漆之后就能投入使用。陽極氧化法和化學(xué)氧化法方法的技術(shù)特性比較主要體現(xiàn)在初始附著力、腐蝕后附著力、耐潮后附著力以及脫漆性。陽極氧化法在初始附著力表現(xiàn)中磷酸陽極化法性能較好，硫酸陽極化法性能中等，腐蝕后附著力比較好，耐潮后附著力表現(xiàn)中磷酸陽極化法耐潮后附著力好，硫酸陽極化法耐潮后附著力較差；與之相比較的化學(xué)氧化法，這些表現(xiàn)都較好，在脫漆性這塊陽極氧化法和化學(xué)氧化法表現(xiàn)都比較差。

2.3 磷化底漆法

磷化底漆法的技術(shù)核心是在鋁合金表面涂上一層磷化底漆，形成漆膜，雖然磷化底漆本身不能起到底漆作用，但對(duì)于某些無法開展陽極化法或化學(xué)氧化法的設(shè)備工件而言，磷化底漆法的應(yīng)用效果更加穩(wěn)定。例如陽極氧化法只在陽極化槽中展開操作，所以只能對(duì)某些小工件進(jìn)行處理；而化學(xué)氧化法則可以采取噴淋或刷涂方法，在某些大工件甚至整架飛機(jī)的鋁蒙皮表面展開技術(shù)處理。在具體的操作階段，會(huì)讓磷酸和金屬鋁進(jìn)行結(jié)合，使得涂膜具有抗腐蝕能力。從磷化底漆和化學(xué)氧化膜本身的性能差異來看，兩者都具有良好的抗絲狀腐蝕性和對(duì)金屬附著能力，但化學(xué)處理膜的抗壓液油性非常出色，磷化底漆膜的抗液壓油性則相對(duì)較差。在脫漆性方面，化學(xué)處理膜性能較差，而磷化底漆膜脫漆性能良好。整個(gè)施工性能方面，磷化底漆法比化學(xué)氧化法更加穩(wěn)定，特別是在某些飛機(jī)需要返修時(shí)，很容易將舊涂層全部去除，節(jié)省維修時(shí)間。磷化底漆膜與化學(xué)處理膜工藝特性兩者有差異，施工時(shí)間上磷化底漆膜施工時(shí)間較短，化學(xué)處理膜施工時(shí)間就比較長。施工后磷化底漆膜需要利用溶劑簡(jiǎn)單擦拭，然后在空氣中干燥，而化學(xué)處理膜需清除表面存在的氧化物之后用水沖洗。磷化底漆膜不需要技術(shù)處理，化學(xué)處理膜需要廢水需回收循環(huán)。磷化底漆膜使用時(shí)需要干燥兩小時(shí)后可進(jìn)行噴漆，化學(xué)處理膜干燥時(shí)間約為24h。在脫漆性能方面，磷化底漆膜比較容易脫漆，而化學(xué)處理膜相對(duì)難脫漆。

3 飛機(jī)復(fù)合材料蒙皮表面處理

近年來我國航空事業(yè)的快速發(fā)展使得很多高性能的復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)的蒙皮過程當(dāng)中，例如無線電天線罩或復(fù)合機(jī)翼材料等，這些材料的性能優(yōu)秀，能夠耐高溫且耐腐蝕，強(qiáng)度非常高。好以碳纖維為例，碳纖維是由含碳量比較高，并且在熱處理過程當(dāng)中不產(chǎn)生明確熔融現(xiàn)象的人造化學(xué)纖維處理而成，這些材料的密度較小且強(qiáng)度穩(wěn)定，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料當(dāng)中被大規(guī)模應(yīng)用。但考慮到復(fù)合材料本身會(huì)有老化和屏蔽率降低的缺陷，復(fù)合材料表面的涂層體系和預(yù)處理非常重要，以機(jī)械打磨或手工打磨去除脫膜劑之后，利用溶劑清洗，最終形成表面保護(hù)層。

3.1 鋁蒙皮表面涂層

鋁蒙皮要想具有良好的抗腐蝕性能，就需要選擇合適的涂料，一般情況下國內(nèi)經(jīng)常使用的涂料類型包括環(huán)氧材料或聚氨酯材料。其中環(huán)氧聚酰胺底漆對(duì)于各種液體介質(zhì)的耐受性能良好，即便對(duì)于潮濕環(huán)境也有穩(wěn)定的抗腐蝕性能和機(jī)械性能，對(duì)不同類型的氧化膜具備良好的附著力。在相應(yīng)的大氣環(huán)境之下，聚氨酯底漆的性能可滿足相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在其他類型的材料當(dāng)中，環(huán)氧材料和丙烯酸材料也有涉及，在抗氧化性和耐磨性方面各有差異?，F(xiàn)階段世界范圍內(nèi)的飛機(jī)制造公司會(huì)根據(jù)實(shí)際要求來選擇不同的涂層體系，例如空客公司所選擇的涂層體系包括磷化底漆和聚氨酯面漆，波音公司則選擇了聚氨酯面漆和環(huán)氧聚酰胺底漆，典型的涂層體系：面漆、底漆、陽極氧化膜、鋁板。

其中氧化膜類型包括磷化底漆或陽極氧化膜，底漆類型包括環(huán)氧聚酰胺底漆或聚氨酯底漆，面漆則以聚氨酯面漆為主。不同的體系只是在所使用的原材料上有所區(qū)別，但只要能夠基于材料標(biāo)準(zhǔn)要求滿足飛機(jī)的使用特性，就可以發(fā)揮良好的保護(hù)性能。

3.2 復(fù)合材料涂層

復(fù)合材料表面的防護(hù)涂層相對(duì)而言比較特殊，因?yàn)榕c鋁合金蒙皮相比，表面并沒有金屬成分存在，因此并不用考慮金屬腐蝕問題。但是復(fù)合材料自身對(duì)水比較敏感，復(fù)合材料的強(qiáng)度在吸水之后會(huì)顯著下降，因此底漆層應(yīng)具有致密性和防水性，避免水分滲透。而飛機(jī)在飛行過程當(dāng)中受到輻射和溫度的影響比較明顯，高速飛行狀態(tài)下會(huì)遇到氣流沖擊，因此復(fù)合材料表面的涂層要有良好的耐磨性和耐溫性。例如我們經(jīng)常選擇交聯(lián)密度較高的聚氨酯底漆，然后在底漆表面涂上一層聚酯膩?zhàn)犹畛淇紫叮@層膩?zhàn)雍途郯滨サ灼岬母街Ψ浅：?，柔韌性和彈性形變，效果出眾，在復(fù)合材料表面的填充性穩(wěn)定，整體體系：面漆、底漆、彈性膩?zhàn)?、底漆、?fù)合材料。

4 飛機(jī)蒙皮損傷處理

我們?？吹降娘w機(jī)只是飛機(jī)的外表，也就是蒙皮機(jī)翼整流罩起落架等，而飛機(jī)內(nèi)部則是非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。而組成飛機(jī)機(jī)身和機(jī)翼還有安定面的飛機(jī)承力的結(jié)構(gòu)除了看得見的蒙皮之外，還有隔框，長桁，梁，各種支架等等…而這些結(jié)構(gòu)也只有在拆開客艙裝飾板或者打開貨倉地板等才能看到。飛機(jī)上一個(gè)刮痕，凹坑，凸起，掉漆，鼓包，裂紋等都要第一時(shí)間引起重視，會(huì)被各種檢查，測(cè)量，探傷，評(píng)估等對(duì)待。如何才能及時(shí)發(fā)現(xiàn)蒙皮損傷，需要用到一些檢測(cè)方法。

4.1 蒙皮損傷與檢測(cè)

飛機(jī)蒙皮損傷指的是飛機(jī)蒙皮受到機(jī)艙加壓過程當(dāng)中產(chǎn)生的張力或是機(jī)艙本身的重力影響產(chǎn)生無法避免的損傷和缺陷，此外制造飛機(jī)的金屬或其他復(fù)合材料也有可能產(chǎn)生冶金缺陷或加工工藝缺陷。例如因?yàn)椴僮鳝h(huán)境影響所導(dǎo)致的飛行疲勞損傷和結(jié)構(gòu)裂紋等都會(huì)讓飛機(jī)無法滿足預(yù)期的性能要求，不僅會(huì)影響到蒙皮結(jié)構(gòu)，甚至直接導(dǎo)致強(qiáng)度或剛度下降，影響飛機(jī)安全。按照蒙皮損傷的形成原因，可劃分為非正常使用或維護(hù)產(chǎn)生的損傷、交變載荷造成的損傷和環(huán)境損傷等方面。非正常使用產(chǎn)生的損傷，是指飛機(jī)在起飛和降落的過程當(dāng)中產(chǎn)生過大的使用載荷，引起結(jié)構(gòu)損傷；在使用期間產(chǎn)生的強(qiáng)度問題，大多是由于交變載荷引起的疲勞損傷；而飛行期間的特殊環(huán)境也是讓結(jié)構(gòu)腐蝕和零部件摩擦磨損產(chǎn)生損傷的主要原因。

以常見的裂紋為例，飛機(jī)蒙皮出現(xiàn)膨脹或收縮現(xiàn)象之后，重復(fù)的載荷會(huì)改變蒙皮原始受力狀態(tài)產(chǎn)生小裂紋，一旦蒙皮被劃傷，受到腐蝕的可能性較高。因?yàn)榭諝猱?dāng)中本身含有二氧化硫等氣體，使得飛機(jī)在飛行過程中會(huì)在電流作用下產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。對(duì)于復(fù)合材料而言，蒙皮和次級(jí)結(jié)構(gòu)之間會(huì)出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象，這種現(xiàn)象用肉眼很難觀察，會(huì)存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。蒙皮分層和壓力變化等因素也會(huì)讓結(jié)構(gòu)密封性受到損害。

當(dāng)前對(duì)于此類損害的主要技術(shù)措施是采取無損檢測(cè)方法，常見的無損檢測(cè)方法有：第一種超聲檢測(cè)，主要應(yīng)用于焊接件與非金屬材料，可以快速定位缺陷部位，但是檢測(cè)周期較長；第二種磁粉檢測(cè)，主要用于表面缺陷的材料，靈敏度出色且操作簡(jiǎn)便，結(jié)果穩(wěn)定，但是定量測(cè)定缺陷難度較大；第三種射線檢測(cè)，主要用于焊接件與非金屬材料、焊接件與非金屬材料，能快速定位缺陷部位，保留長期結(jié)果，但是射線具有一定的損傷性；第四種滲透檢測(cè)，主要應(yīng)用于表面開口缺陷的材料，靈敏度高，但是工藝程序相對(duì)復(fù)雜。

除去此類檢測(cè)方法之外，紅外檢測(cè)在近年來的蒙皮損傷和蒙皮預(yù)處理階段發(fā)揮了良好的作用，主要針對(duì)某些金屬材料或非金屬材料進(jìn)行大面積的檢測(cè)。例如使用紅外圖像采集飛機(jī)蒙皮的表面狀態(tài)，就可以確定后續(xù)工作當(dāng)中是否要重新進(jìn)行表面處理和涂裝。

4.2 紅外圖像采集

紅外圖像采集的主要原理是對(duì)被測(cè)物體的溫度進(jìn)行控制，如果被測(cè)物體溫度達(dá)到比絕對(duì)零度更高時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生熱輻射，這些熱輻射和轉(zhuǎn)換為圖像，將物體表面的溫度變化信息轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像信息，用以判斷物體產(chǎn)生的溫度變化和內(nèi)部特征狀態(tài)。目前的紅外檢測(cè)技術(shù)包括被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種類型，其中被動(dòng)式檢測(cè)主要通過對(duì)物體本身的溫度場(chǎng)變化進(jìn)行檢測(cè)來得到結(jié)果，但主動(dòng)式檢測(cè)技術(shù)能夠人為添加基地產(chǎn)生溫度場(chǎng)變化信息，用于檢測(cè)物體內(nèi)部狀態(tài)。綜合來看，紅外熱成像檢測(cè)是一種主動(dòng)式檢測(cè)技術(shù)，來讓內(nèi)部的缺陷和損傷，以表面溫度變化的形式來呈現(xiàn)，并且借助計(jì)算機(jī)軟件對(duì)圖像處理之后，實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體內(nèi)部缺陷的定位和分析，例如借助仿真手段和試驗(yàn)手段來對(duì)飛機(jī)蒙皮展開檢測(cè)后，可以對(duì)飛機(jī)蒙皮的紅外圖像信息進(jìn)行提取，準(zhǔn)確識(shí)別定位蒙皮損傷的特征基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

飛機(jī)蒙皮是指包圍在飛機(jī)骨架結(jié)構(gòu)外的維形部件，可以看作是飛機(jī)的“皮膚”，是飛機(jī)氣動(dòng)結(jié)構(gòu)的重要部分，飛機(jī)蒙皮表面處理之后，不僅能具有裝飾性能，同時(shí)擁有耐介質(zhì)性能與防護(hù)作用。為了確保飛機(jī)的安全飛行，避免飛機(jī)損傷，需要對(duì)蒙皮進(jìn)行綜合研究，并開展相應(yīng)的預(yù)處理、涂裝和檢測(cè)工作。隨著未來飛機(jī)品種和蒙皮材料的改變，飛機(jī)的蒙皮涂裝工作也將新的要求。各個(gè)材料在經(jīng)過檢測(cè)之后如果性能優(yōu)異，就能較好滿足飛機(jī)的蒙皮涂層需求，給飛機(jī)的安全運(yùn)行提供技術(shù)保障。飛機(jī)的蒙皮需時(shí)時(shí)注意損傷修理，蒙皮破損會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)良好的氣動(dòng)性能被破壞，損傷部位強(qiáng)度下降，以至于危及飛行安全。對(duì)于出現(xiàn)破損凹陷的蒙皮部位要及時(shí)更換修補(bǔ)。除此之外，飛機(jī)蒙皮還會(huì)受到腐蝕損傷，需要在外涂上保護(hù)層，必要時(shí)還會(huì)采用金屬涂鍍層、表面處理以及陰極保護(hù)等專業(yè)技術(shù)進(jìn)行腐蝕防護(hù)。