民用飞机复材层压板分层缺陷修理方法研究

朱宇

【摘 要】简要介绍了国内外复合材料修理技术现状，主要对机体复合材料制造缺陷修理进行研究，有针对性地提出了复合材料无损检测方法，阐述了修理材料，修理方法以及固化方式等内容，并重点介绍了复合材料层压板分层缺陷修理技术。旨在为民用飞机复材修理工艺的实施提供参考和借鉴。

【关键词】复合材料;分层缺陷;修理

中图分类号： TD453 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）01-0022-002

先进复合材料由于比强度高、比刚度大、可设计性、耐疲劳性能和抗腐蚀性能良好等优点，采用复合材料已越来越被在飞机上大量使用。在具有众多优点的同时，复合材料结构也存在层间强度低、抗冲击能力差、对湿热环境和缺口敏感性强等缺点。因此，复合材料结构在制造过程中不可避免地会产生各种制造缺陷，典型的制造缺陷有孔隙，分层，脱胶，表面损伤，钻孔错误等。按照当前制造验收技术条件的要求，对于不可许用的缺陷，那么需要予以修理。国外民机进行了大量的分析和试验验证工作，对复合结构有明确的缺陷损伤评估与修理规定。总体来说，国外飞机的复合材料修理已经基本实现规范化。

1 复材修理简介

层压板的修理问题是复合材料结构修理问题中的基础性研究课题。层压板由两层或两层以上的浸有树脂的纤维层或组织物经一定顺序叠合、热压结合成的整体板。与金属结构相比，复合材料会以多种损伤形式相继交互出现，而且分散性大。复合材料的维修一般分为现场应急/快速修理以及在工厂进行的专业修理，维修的要求包括：满足结构强度，结构刚度要求，耐久性要求等。

修理方法有胶接和铆接两种，维修时根据部件的物理特性和维修要求进行选择。

1.1 胶结修理

胶结修理方法的适用范围很广，从简单的表面划痕，缺陷处理到承力结构件的修理都能够应用，这种方法的优点是引起的应力集中小，且对结构重量影响不大。主要分为挖补修理和注射修理两种，将在第4节中进行详细介绍。

1.2 铆接修理

铆接修理适用于较厚的整体壁板，通常是使用胶结方法难以满足强度要求的情况，其原理和胶结相同，只是把胶结变成了铆接一块补板，这样修理后部件强度高，但会有很大的应力集中，且会对重量影响很大。

2 缺陷检测

缺陷通常是生产制造过程中产生的问题，是制件先天的问题，如分层、脱胶、压陷、空隙、夹杂、富脂、贫脂、翘曲、铺层方向不对、角度不准、次序不对、厚度超差等。其来源于未严格遵守工艺规范，质保、质检措施不利等。有的缺陷能修，有的不能修。

在对结构进行损伤修复之前，应首先确定损伤或缺陷的类型，主要方法有目视、敲击、射线、超声和机械阻抗试验等。

2.1 目视检查

目视检查是使用最广泛的无损检测方法。通常可观察到的缺陷包括褪色（由过热引起）、外来物、裂痕、裂纹、划伤、砂眼、凹痕、起皮、凹坑、气泡、疏松、富脂和贫脂区以及表面起皱。

2.2 敲击法

敲击法利用从10 ～20 Hz的声波频率，常用“硬币敲击法”检查空隙或分层。当用硬币或其他合适的物体敲击时，敲击声响亮清晰表明胶接良好，而发闷的空声表明有空隙或分层。能连续发出稳定敲击频率和敲击力的自动声响设备可用于该检查方法。敲击的声音能显示零件表面三到四层空洞、分层或脱胶。

2.3 超声波

该方法是利用声波能量的衰减进行缺陷检查。分层、空穴、脱粘或其他结构变化均可引起衰减。这是最常用的首次检查方法，要求接触零件的两面。超声波发现变异的区域，但不能确定零件内部的位置深度，须使用另外方法来确定缺陷类型数量。超声技术有穿透传输和脉冲反射两种方法。常用的记录和显示方法有A扫描、B扫描和C扫描三种。

2.4 脉冲回波（PE）

脉冲回波检验用于层压板结构。超声波信号从后墙或层合板内不规则处反射，被表面传感器接收。通过信号位置和振幅的改变表征材料的状况。仅需接触零件的一面，但对多孔的零件不适用。

2.5 共振传感器胶粘测试仪

这种胶粘测试仪监测探头接触层压板结构材料后其共振频率发生变化。探头下面的材料因分层或空隙导致的厚度、质量和刚度降低，探测器的共振频率会变大。Bondascope 2100， Fokker Bondtester和Bondmaster是常用的仪器。适用于探测器下面有局部平坦区域的层压板的分层和空隙检查，对层压板孔隙率脉冲回波法不适用时尤其有效，只需零件一个表面即可进行测试。

3 修理准备

3.1 确定修理尺寸

根据工程图纸决定要去除的修理区域的每层铺层的材料（规格，类型，种类，级别和成型方法等）。铺层暴露面积是指为每层铺层提供拼接的区域。铺层暴露面积要求为：铝箔和聚氟乙烯为0英寸;玻璃纤维铺层，火焰喷涂和扩展箔约0.5英寸;碳纤维增强复合材料带或织物约0.5英寸。

3.2 去除损伤

使用需求铺层的锥形或阶梯状铺层错列排布，应用150目或更细的砂纸打磨。为了使铺层更容易去除，在开始打磨之前，可以先切割铺层大约0.5英寸，或者和在排布中每层铺层重叠的量相同的距离，在每一層铺层最终的错列排布位置使用锋利的刀具，限制打磨速度在20000转/分以内。剥落每一层使下面一层暴露出来。

3.3 除水

检查损伤区域是否有水进入，如图1所示。

4 修理方法

由于复合材料的损伤形式、材料性能等与金属结构显著不同，导致复合材料的修理与金属件有很大的区别，不能将传统的结构修理方法直接应用于复合材料结构，必须根据其具体的损伤特点（如损伤程度、损伤部位、可修理性、修理技术的可行性、有效性以及经济性等）采用不同的修理方法。层压板结构目前的修理方法主要有树脂注射修理和挖补修理。

4.1 挖补修理

挖补修理法通过去除损伤材料，并重新铺贴锯齿状补片，以达到修复内部缺陷的目的。实验证明，挖补修理法分为斜面补片修理法和台阶补片修理法，注意需要切割正确尺寸进行修补，补片太大容易形成褶皱，补片太小会形成间隙，影响外形和粘接效果。这种修理法的锯齿状补片可以防止铺层剥离，实验证明，这种修理方法可以全面恢复设计强度。

4.2 注射修理

树脂通过边缘或钻孔/紧固孔注入损伤区域，将损伤区域重新黏结。注射修理法是复合材料特有的修理方法，它不同于任何形式的金属修理，修理后對强度的影响可忽略。这种修理可以在场内，甚至外场设备条件下很方便的完成。由于是在常温下注入并固化，要求所使用的材料为低黏度树脂，确保树脂在缺陷中的流动性，以填充整个缺陷。

5 固化方式

在完成上述修理后，需对修理部位进行固化。固化前，需要先进行装袋;在固化完成后，还需要进行拆袋。

5.1 装袋方式

根据固化类型的不同，有如下三类装袋方式：

a）加热垫固化铺层的装袋;

b）热压罐或烘箱固化铺层的装袋;

c）室温固化或压实铺层的装袋复合材料修理采用的四个固化等级。

5.2 固化过程

在零件放入热压罐、烘箱或加热垫之前，一般需对装袋进行抽真空，真空环境需保持到固化结束。不同的基体和固化材料有不同的固化温度，在固化过程中，需要有热电偶实时监测温度，控制升温速率、降温速率和保温时间，典型固化曲线图2所示。

5.3 拆袋

a）零件固化完成后，需按以下步骤进行拆袋处理。

b）拆袋之前零件温度要在150F之下

c）去除装袋的材料和工装的过程中不应对零件造成损伤。可能产生如下危害：

-去密封胶带的时候，可能划伤或割伤零件表面;

-当强行分离零件和工装时，可能会造成修理层分层;

-在完全冷却前从工装中移出零件可能引起零件弯曲变形。

d）所有消耗材料的处置方法遵循相关处理方法。

6 结语

随着复合材料制造技术的发展和应用范围的不断扩大，复合材料修理技术也将在完善现有技术的基础上不断汲取新技术，向优质、高效和低成本化的方向发展，修理材料和固化方式上的技术突破，复合材料修理必将走向低成本化。