浅析复合材料制造过程中的缺陷处理

何林锋　张鹏飞　李希岩

【摘 要】复合材料制造过程中，不可避免地出现缺陷，本文正是基于制造过程中出现的缺陷加以分析和总结，为后续处理相关问题提供一定的经验支持。

【关键词】飞机；复合材料；制造；超差处理

复合材料在飞机结构上的应用走过了一条由小到大、由次到主、由局部到整体、由结构到功能的发展道路[1]。复合材料具有比强度高、比刚度高、可设计性强以及比较好的疲劳断裂和耐磨腐蚀性等优点，使得零件的减重效果高达30%，然而复合材料制成的零构件要比金属材料制成的相同零构件成本高很多[2]。因此，在复合材料制造过程中出现的超差问题如何解决成为当务之急。这不仅需要考虑该超差是否影响结构功能的实现，而且还需要权衡后续的装配。

本文将探讨复合材料制造过程中的缺陷原因和处理方法。复合制造缺陷包括外形尺寸缺陷，外观质量缺陷和内部质量缺陷。

1 外形尺寸缺陷

外形尺寸缺陷包括厚度超差、轮廓度超差和轴线超差。

1.1 厚度超差

厚度超差的原因：1）零件偏薄：在零件固化过程中树脂流失过多；2）零件变厚：铺贴过程中预压实不够或者在R角区域固化过程中树脂容易堆积。

厚度超差对结构强度的影响较大，工程一般都会对厚度超差在20%以内的进行层合板弹性性能，强度性能和整体承载能力进行实验评估后再决定能否能继续使用。对于超差20%以上的一般都会采取报废或者增加特制件的方法。

1.2 轮廓度超差和轴线超差

轮廓度超差的原因：1）零件固化前后会回弹；2）复合材料和工装的热膨胀变形率不一致。

轴线超差一般出现在蒙皮与筋条共固化的时候，固化过程中由于工装与复合材料热膨胀变形率不一致。

轮廓度超差和轴线超差对结构强度的影响较小，但是对装配仍有可能出现干涉或者间隙，因此处理此类超差主要考虑与其他零件的装配。

2 外观质量缺陷

外观质量缺陷包括表面划伤、纤维褶皱、凹陷、凸起、翘曲和阶差。

2.1 表面划伤

表面划伤大多为人为失误造成。

表面划伤的处理基于划伤的深度，如果表面划伤深度可接受，则会采用材料相应的树脂来填平，而如果划伤深度不可接受则会考虑增加特制件或者報废。

2.2 纤维褶皱、凹陷和凸起

纤维褶皱，排除人为因素，一般是由于处于工装还不成熟阶段。

凹陷和凸起是因为压力垫软膜不够平整导致的。

纤维褶皱、凹陷和凸起对结构的剩余强度有一定的影响，可以通过图1[3]来评估，与此同时还需采用一定的方法阻止以上缺陷引起的分层。

2.3 翘曲

翘曲的原因比较特殊，是由于铺层不对称造成。

翘曲对强度有一定影响，可通过强度计算评估，但是对于装配却有着重大影响。翘曲严重而又不容易变形的零件在装配过程中无法纠正，会导致装配不能贴合或者影响结构功能正常使用。

2.4 阶差

阶差的原因是由于不同工装在对接处树脂在固化过程中流动，且封装时不同厚度处压力存在差异。

阶差的处理思路和纤维褶皱的类似，可参照处理。

3 内部质量缺陷

内部质量缺陷包括内部分层和孔隙率超差。

3.1 内部分层

内部分层通常以分层面积大小来评估对结构的影响，分层出现的原因大多为工人铺贴技艺不成熟。

内部分层对强度的影响较大，工程上一般通过增加紧固件来预防分层的扩展。

3.2 孔隙率超差

孔隙率超差的原因一般为工装配合不紧密，没有压实。

孔隙率对复合材料的层间强度影响较大，从而会引起结构的刚度折减，但对结构稳定性影响较小。需要评估折减后的刚度是否仍能满足当前结构的设计要求。

4 总结

复合材料在制造使用过程中难免会出现缺陷或者超差，但是研究复合材料更重要的是如何处理超差才能弥补超差带给整个装配结构的影响。本文仅给出了常用超差处理的方案研究，具体问题还需要具体分析。

【参考文献】

[1]岳珠峰，王富生，王佩艳，等.飞机复合材料结构分析与优化设计[M].北京：科学出版社，2011.

[2]牛春匀.Composite airframe structures[M].北京：航空工业出版社，2010.

[3]F.C.Campbell.Structural Composite Materials[M].ASM International，449-451.

[责任编辑：田吉捷]