航空复合材料结构修补技术与应用

2015-02-24魏建义

橡塑技术与装备 2015年24期

关键词：补片复合材料航空

魏建义

（安阳职业技术学院，河南安阳 455000）

航空复合材料结构修补技术与应用

Aerospace composite structures repair technology and applications

魏建义

（安阳职业技术学院，河南安阳 455000）

航空复合材料的损坏主要来源于外界冲击以及腐蚀，由于材料的特殊性，修补也不能沿用传统的金属材料修补方法，而是应当采用特殊的设备及环境场合。而修补过程应当更加注重其效率，即能让材料结构尽快恢复到完整状态，同时又能保证经济性。而笔者将通过本文，就航空复合材料结构修补技术与应用方面，对几种常用的修补方法进行分析和探讨。

航空复合材料；结构修补技术；研究与应用；航空设备

随着科技的不断发展，我国各大行业也得到了相应的提升。而航空业就是其中之一，安全性一直都是其备受瞩目的一个方面。特别是在目前时代背景下，民众基本物质生活水平已经得到满足，从而将目标转变为生活的便捷化，而航空复合材料则是航空设备采用的一种特殊材料，具有更高的强度和可靠性，特别是对于低温和高温的耐受能力，都是一般金属材料所不具备的。但是随着时间的推移，材料依然会产生磨损，所以对其进行修补也是十分关键的。而对于目前来说，我国航空复合材料的修补已经有一些成功的案例，同时技术水平也已经逐步成熟，所以修补工作开展也具有一定的基础。

1 航空复合材料结构的修补原则

1.1 基本修补原则

航空复合材料的基本修补原则主要是侧重于修补的便捷性，经济性以及效果情况进行考虑，主要可以分为几个方面。其一，修补的强度和硬度满足要求，同时可以保证材料结构的承载和运用功能获得恢复，特别是在整体结构的恢复方面；其二，修补时整体结构会出现重量增加，所以修补需要控制好重量增加的范围；其三，需要保证原理材料结构的光洁度和完整性，如果材料用于航天，则需要保证其气动外形变化不大；其四，修补具有较强的操作性，同时不需要太多的器材和设备；其五，修补具有一定的经济性，可以保证成本投入在一定范围内[1]。

1.2 结构修补原则

对于修补人员而言，除了需要注意基本的修补原则以外，同样还需要注意结构修补的原则，也可以从五个方面进行入手。其一，修补时需要对修补的通道进行预留，以便于后期的检查和加工工作开展；其二，损坏比较频繁的位置可以进行重新设计，即如将位置的零件设计为可以拆卸或者替换的，诸如螺栓连接等；其三，考虑损伤位置的修补余量，即如扩孔余量等；其四，采用组合构件设计，可以降低修补的工作量以及难度性；其五，修补时需要保证整体构件需要拆卸的零件尽量少，避免安装消耗过多的时间。

2 航空复合材料结构的修补技术分类

2.1 机械连接类

这类修补技术主要是通过连接或者铆接以达到相应的目的。一般来说，即是在修补位置外表采用螺栓或铆钉进行固定补片修补，即可保证损坏位置的载荷传递路线又能够恢复其功能，而其优点也显而易见，即不存在复杂操作，避免修补过程的冷藏加热，所以设备功能要求较低，最后修补连接件位置处理不需要太多需求，同时施工更加快捷，修补性能十分可靠。但是修补缺点也是不可忽视的，即如连接孔处过于应力集中；此外，采用机械连接修补技术还需要解决几个关键问题：

（1）补片采用的材质（一般采用钦合金、铝合金、不锈钢等纤维复合材料）、厚薄以及形态；

（2）紧固件的材质（常用单面螺栓或抽芯铆钉）和类型；

（3）紧固件的位置排布（间距一般为4~5D，孔边距为3D，保持和铆钉孔的间距）；

（4）科学的打孔技术；

（5）打孔对于整体结构的效果；

（6）紧固件的安装、配置以及保存问题[2]。

2.2 胶接类

胶接类修补技术，故名思议即是对损坏位置外部以胶固定一个合适的补片，以达到功能的恢复。而且采用胶接法以后，损坏部位的也具有更强的调节性，诸如可以进行切除，同时对切除位置以填料胶或成形填补块进行填充。所以对于胶接类修补法，主要可以分为贴补、挖补等几类。

首先是贴补修补，其原理是通过胶接一些外部贴补片以完成结果的修补，但是贴补修补的使用范围比较窄，主要的运用范围进行在于一些平面位置的修补，同时是针对一些气动外形无关紧要的位置，而贴补补片的材料则可以选用钛、铝、不锈钢等材质的金属或者是碳/环氧、硼/环氧等类型的符合材料，而其中的胶接和共固化可以同步完成。最后，对于外贴补片的材料选择，优先选取与母体材质类似的预浸材料。

其次是固化完成的符合材料层板，钛、铝合金金属材料。胶接修补法可以降低修补的难度和操作时间，但是对于修补位置的气动外形并没有较大的修复效果；其次是挖补修补，主要是对于损伤部位的损坏处进行完全的清理，再采用新的材料进行填充，而根据填充的方式不同，又可以将其划分为两类，即斜接填充和阶梯填充，即如斜接法，主要是将损坏位置进行二次修整，保证其呈现斜面状，然后采用新的材料进行补充，而对于基于胶接面的剪切则可以保证其匀称性，同时避免载荷偏离、剥离应力过小的问题，所以修补效果更好，特别是关于厚层合板方面的修补完全可以忽略厚度因素，就可以保证修补位置表面恢复光洁。但是相对于贴补法而已，这种修补往往存在工艺难度性，同时需要花费较长的周期，因为需要特定的环境以及设备，所以一般在修补厂或生产厂家比较多见；再者是阶梯修补，与斜接修补类似，阶梯修补主要是将损坏位置修整为阶梯型，然后通过新的材料进行填充，而这种方法主要考验的是修补人员的水平，而且需要借助一些专业的器材，而修补的关键难度在于台阶的修整，需要技术和耐心并存，因为需要对于没有受损的材料进行清除，所以需要更多的风险，而阶梯修补在开始前首先需要对修补位置进行打磨，直到整个位置形成一个个宽度均匀的台阶，深达损坏位置即可[3]。

2.3 其他修补类

对于航空复合材料来说，由于运用的区域以及本身材质的特殊性，从而导致其损坏程度也与普通金属材料具有本质的差异性。所以无法将其与传统的修补方法相提并论，而笔者在前文已经重点介绍了一些目前常用的修补方法，即贴补修补和挖补修补。而基于这两种修补方法，目前工业还发展出更多新型的修补，即如电子束固化修补、光固化修补以及微波修复等等。而这些修复法则往往具有较快的修补效率，但是材料获得能量的方法存在差异性，例如微波修补，则主要采用的是一种特殊的“胶接”方法，即在损坏地方加入微波吸收剂，然后强化该位置的磁导率，然后以特定的微波施加设备对修补位置导入微波，最终使其在较短的周期产生全新的、高强度的修复面，最终完成损伤的修补。

3 航空复合材料结构的修补技术运用

复合材料结构的修补技术主要可以运用在航天领域，即如：某厂生产的直升机由于生产流程出现操作失误，进而导致材料受损，即材料蒙皮呈穿透裂伤，伤痕呈现梯形，长度约合16 mm，同时与两边距离为83 mm，如果根据受损问题以及特征，则可以选择胶接方法进行修复，而补片选择主要是要求其外观平坦，具有较强的粘结性，同时材料本身质量较小，所以采用3236/T300预浸料最为合适，即可保证对于复合材料结构的修复效果。另外，直升机本身对气动外形具有较高的要求，这些都需要通过修补流程的细化进行管控，诸如采用贴补法，就可以将这种不利的影响降至最低，详细的三个修补步骤如下。

首先，根据结构表面进行判断，找出损坏区域，同时标明切除的位置以及坐标，以金刚石掏芯，找出相应的盲孔，然后以图纸为标准算出相应的深度，最后再将计算的深入减去0.11~0.12 mm，得出实际的深度，另外如果掏盲孔存在一定难度，则可以采用掏芯钻头确定盲孔位置。另外，修补位置需要以金刚石作为切割材料完成扩孔打磨，最后在对其表面进行完整加工，即需要保证加工表面的倾斜程度符合要求；其次，是对损伤区域进行修补，可把胶膜、预浸料及其挡板放置于修补位置上，然后预浸圈根据损坏位置的特征进行调整，本次修补采用的补片直径为66 mm，纤维方向保持在-45°；最后是成型操作，即基于室温进行真空抽取，压强约为0.09 MPa左右，同时配合每分钟1.5 ℃的升温速率将温度提高至80 ℃，并且保留此温度1.5 h，最后再将温度提升至120 ℃保持2 h，再让其自然降温。

4 结语

根据本次修补流程分析，在该复合材料修补后，其承载能力较明显的提升，即如修补前的失稳载荷190 kN；破坏载荷246 kN；第一拐点载荷125 kN；而通过修补后，失稳、破坏和第一拐点的载荷分别为280 kN，391 kN及155 kN。由此可见，以上显著差异，即表明3236/T 300预浸料可以直接用于贴补贴补修补，同时能够保证结构的损坏得以恢复，同时通过其修补的材料强度甚至可以超过原材料结构的强度，材料的使用效果完全得到恢复[5]。

对航空行业来说，设备的可靠性和稳定性也是一个极其重要的特性。但也由于受到环境、工艺以及材质的影响，材料本身的损伤会随着使用周期的增加不断增大。而对于整个设备的安全性也无法保证甚至影响到行业的整体运作，所以需要通过相应的修补方法进行修补。而修补时除了在补片的选材以及修补的方法方面需要进行相应的筛选，同时还需要注意修补的操作以及流程都需要符合科学标准，同时修补采用的方法需要根据修补器械的运用环境以及功能进行考虑，即如飞机等需要考虑气动外形的完整性等，最终通过细致、有效的修补以达到相应的效果。

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