通用飞机复合材料结构损伤维修技术

文/龚伟明



通用飞机复合材料结构损伤维修技术

文/龚伟明

0　引言

复合材料由于具有比刚度高、比强度大和可设计性强等优点，在飞机主承力结构上获得了越来越广泛的应用，但是复合材料结构的抗冲击阻抗、抗冲击韧性低，在生产、使用和维护过程中，不可避免地会发生结构缺陷或损伤，必须进行及时修理以减少生产中部件的报废率，提高部件使用完好率，在保证安全的同时，降低复合材料使用成本。目前，国外对修理相关问题可以直接查询修理手册，现阶段的研究方向是如何高速、有效、低成本地完成结构修理，可见复合材料部件维修技术的重要性。

1　复材结构的缺陷和损伤形式

按产生损伤的原因，复合材料结构的损伤可分为制造缺陷、使用损伤及环境损伤。制造缺陷主要指机械损伤和非机械损伤：机械损伤指在机械加工过程中造成制件表面划痕、擦伤、工具坠落造成的冲击损伤等；非机械损伤是指在铺贴或固化过程中造成的制件内部孔隙过多、夹杂、铺层方向错误、贫富脂等。

使用损伤是指在使用过程中的冲击损伤或灼伤。冲击损伤包括鸟撞、碎片冲击、砂石飞溅、踩踏及撞击等。灼伤主要是指复合材料结构表面雷击防护不完备造成的雷击损伤，导致结构表面产生分层或被烧灼。

2　复合材料修理方法

复合材料结构缺陷、损伤修补方法主要包括贴补法、挖补法、注射胶接法、机械连接法等多种方法，从连接形式来分，一般可分为机械连接修理和胶接修理。考虑复合材料结构修补后的性能、重量等因素，包括空客、波音的飞机公司的复合材料结构修理通常采用贴补法、挖补法的修补工艺，对于承传载比较重要的部位，在贴补或挖补修理的基础上局部加机械螺栓或铆钉等进行紧固连接。

2.1胶接修理

胶接修理相比机械修理具有结构增重小、修理时间短、修理效率高、成形性能好及无损探伤简单等优点。具体包括贴补、挖补和注射法等。

（1）贴补法。

贴补法是采用胶接的方式将修补材料贴片贴在结构上，使之恢复强度和刚度的方法。贴片材料既可以是复合材料也可以是金属材料，一般规定金属材料可用于修补复合材料结构，但是复合材料不可用于修补金属结构。贴片的形式既可以是固化好的层合板也可以是未固化的预浸料，与被修补结构一起共固化。贴补法适用于曲率小且对气动表面要求不高的零部件。

贴补法的优点是补片制作简单，施工方便，但是需要注意的是补片端部与被修理结构的贴合角度，因为贴合区相当于单面搭接接头，容易造成应力集中，使修补失效。

（2）挖补法。

挖补法是将破损结构清除，采用新材料进行修补的方法，新材料填补可采用斜接法和阶梯法，这两种方法效果相当。该方法与贴补法相比，适用性广，效果明显，只是工艺复杂，对人员及设备要求都很高。

①斜接法，是指将结构破损部位按某一角度挖成倾斜表面，再在斜面上填补新的材料的一种方法。

该方法由于需要斜挖出角度，故适用于厚度比较大的层压板修补，由于胶接面分布均匀，故不会导致应力集中，因此，这种方法的修补效果很好，修补后结构的表面很光滑。缺点是修补施工困难，不适合外场快速维修。

②阶梯法，是将结构破损部位按某一角度加工成阶梯状，再填补新材料，这种方法较斜接法难度更大，对工艺要求更高，需要借助专业工具，但是修补后结构性能更好。

对台阶宽度的精确控制是阶梯法的关键，修理过程中，一般是从最上面一层开始，以12.5mm的宽度为台阶，从上之下，直到最内层损伤铺层。最后在打磨区域边缘再打磨出一个12.5mm宽的周边，以辅加铺层补片。

③夹层结构的挖补修理方法。蜂窝或泡沫夹层树脂基复合材料结构的挖补修理需要同时考虑面板和夹芯的切除，其中夹层结构面板的切除和修理方案类似层合板结构的修理，损伤或含缺陷部位的蜂窝/泡沫夹芯的切除一般采用全高度切除法。根据夹层补片的高度，夹层结构挖补修补方法有主要有2种形式，一种是将夹层面板和夹芯等孔距垂直面板切除，裁制蜂窝/泡沫补片高度为原蜂窝高度加面板高度的总高度，预浸料补片突出结构外形；另一种是只将夹芯垂直切除，面板类似层合板挖补修理方法，进行斜接法或阶梯法修理，裁制原高度夹芯蜂窝/泡沫补片。胶结过程中，在蜂窝侧面和底面放置胶膜，外部贴补片方法类似层板修理方案。

（3）注射树脂法。

注射树脂法一般用于修理复合材料小面积的脱胶和分层，这种方法是否有效，要看是制造产生的缺陷还是使用中的损伤。由于局部胶接压力不够或表面污染造成的制造缺陷，其表面的污染层必须去除，方能保证高的胶接强度。如果是内表面污染，则难修理，也难达到满意结果。与此相反，如果是使用中造成的损伤，且其表面还未受到燃油或液压油等的污染，也未吸收水分（水分用干燥法很容易去除），则可以进行有效的胶接。这种方法需要在结构上布置注胶孔和出胶孔，空的深度要达到缺陷所在位置，保证树脂注射在孔隙中。这种方法不用去除材料，只要将树脂注入分层区域，将树脂与纤维固化粘合即可。

（4）填充与灌注修理。

填充与灌注修理是将填料填充或灌注到损伤区以恢复其结构完整性的一种修理方法。一般用于蜂窝结构的损伤修补。在受载较小的蜂窝夹层板上采用填充、灌注修理可以稳定表板和密封损伤区，防止湿气的渗入以及损伤的进一步扩大。对连接孔的损伤，如孔变形成摩擦损伤，可以经过机械加工好的填充块修补。如果发生紧固件孔位置钻错，或者孔尺寸过大，则可以先采用此法修理，然后重新钻孔。

2.2机械连接修理

机械连接修理通常是指应用紧固件，将补片与被修理结构通过螺钉或铆钉连接在一起的方法。这种方法操作简单，不需要辅助的温控设备，特别适合于外场飞机修理。

复合材料的机械连接修理虽然工艺简单，但存在许多问题，如金属连接件对结构主体的破坏、连接件引起的应力集中、连接件和复材的电位腐蚀、连接件和复材间的配合控制及损伤、金属连接引起的增重效应等等。

3　结束语

目前，我国设计制造和投入使用的通用飞机已达数百架以上，其中不少飞机型号采用了大量的复合材料结构，而且随着我国低空空域开放，通用飞机的市场越来越大，通用飞机的数量将会急剧增加，复合材料的用量也会不断攀升。复合材料结构检测与修理技术将是直接影响通用飞机低成本制造和持续安全、提升通用飞机市场竞争力的核心支撑技术。

作者简介：龚伟明（1985-），男，工程师，硕士研究生，任职于中航通飞研究院有限公司，从事飞机复合材料结构强度设计工作。