飞机复合材料损伤及修理技术浅析

郑志伟

航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江哈尔滨 150066

飞机所用复合材料如果出现脱胶、蜂窝夹芯板脱层、分层、表面氧化、表面鼓泡等损伤，会对飞机的正常飞行产生较大的影响，需要定期对复合材料部件进行检查，根据复合材料的结构损伤特点及裂纹特性，按照相关修理原则对损伤和缺项进行修复，才能确保飞机的运行安全。本文对飞机复合材料损伤及修理技术进行了分析探讨[1]。

1 复合材料的特点

复合材料是通过复合工艺将有机高分子、无机非金属或金属等几种不同材料组合而成的，既保留了原有组分材料的特性，又通过工艺组合将各组分材料的性能进行互补，获得比原组分材料更加优越的性能。

1.1 质量轻、强度高

飞机结构应用的碳纤维复合材料质量轻，强度高，相比金属材料不易腐蚀，能增长零部件的使用周期，减少零件更换的成本，并且利于整个飞机减重和省油，飞机一个零件使用复合材料能减重20%左右，而且不会产生金属疲劳，能提高运行的经济效益。另外，使用复合材料能有效的减少连接部件，并且具有高比强高比模的显著优点，成为和铝、钢、钛一样经常应用的航空材料。随着复合材料技术的不断发展，在航空器应用的越来越多。

1.2 抗疲劳性能高

对于拉伸或压缩构件，复合材料比强度高，比铝制件高出30%左右，可以更好的承载各方面的荷载力。比如飞机副翼上表面受承载呈压缩状态，下表面呈拉伸状态，在飞行中会出现承受拉力和压力的交替，极易出现受力疲劳。副翼采用复合材料合板制作，因为铺层铺放按照固定方向，这样的结构便于承受任何方向的荷载力，具有较高的抗疲劳性能。

1.3 减振性能高

复合材料具有较高的比摸量和自振频率，复合材料的受力结构自振频率与其结构材料比模量的平方根成正比，较高的自振频率也使复合材料的吸振能力较强，防止飞机材料结构在运行状态中出现共振，减少共振带来的破坏。另外复合材料中也包含了高韧性的组分基体材料，抗震的阻尼特性较强。

1.4 断裂安全性和耐高温性能高

纤维复合材料含有大量的纤维，纤维具有很强的韧性将不同组分的材料粘合到一起，成为一个坚固的整体结构，既使结构中存在少数纤维断裂，其他纤维也会承接载荷，从而使结构部件在短时间内不会出现断裂，断裂的安全性能较高。

另外，复合材料的耐高温性很强，能在飞机的燃烧室、燃烧室浮壁、涡轮外环、火焰稳定器等中应用。

2 复合材料结构损伤特点及裂纹特性

2.1 外部损伤

复合材料中基体材料性能极大影响了复合材料的工作性能，特别是当其处于潮湿或高温状态时，基体材料的面内压缩、面内剪切、对冲击损伤的阻抗和其它层间特性对复合材料的整体性能影响较大。特别是符合材料受到外物冲击会出现塑性变形，一定程度上吸收来自外界的冲击力，但通常会出现材料基体的表面损伤、擦伤、裂纹等，一般不会影响到结构的承载能力。

2.2 内部损伤

当复合材料的基体出现裂纹和纤维失效会产生分层，都是在复合材料铺层内部产生的，但是在外表面会显现锯齿状损伤，有的从外观看不到内部的分层是否收到损伤，但在在受冲击表面反侧会有基体裂纹。有的较重时出现裂纹断裂，受冲击的表面可以看到分层，当出现外部表面的裂纹时，有时结构内部的损伤要远远大于外部表面所显现的损伤。如果损伤再严重，当出现贯穿性的裂纹和穿孔时，符合材料的整个厚度都受到损害，其穿孔的边缘会呈现分层或较为尖锐的裂纹。

2.3 裂纹增长损伤

复合材料结构裂纹增长包含不增长、止裂增长和缓慢增长三种类型，三者损伤程度主要看止裂损伤尺寸的检查和修理间隔时间。因为复合材料损伤后裂纹扩展与金属结构不同，损伤后的剩余强度也不相同，只有科学及时的控制复合材料的应变，才能防止损伤出现扩展。另外，需要注意的是，复合材料损伤后承载能力会迅速下降，金属材料是随着裂纹扩展逐渐下降。所以一旦复合材料出现裂纹，必须及时进行修理。

3 飞机复合材料损伤修理的重要性

飞机飞行过程中受到天气以及气流等变化的影响较大，特别是飞机部件本身的稳定性直接影响其运行安全，飞行过程中零部件出现故障会直接威胁生命和财产安全。对飞机零部件特别是对零部件的制造材料进行定期检查和保养，出现故障或隐患时及时进行维修和保护，确保零部件始终处于一个良好的工作状态。所以对于飞机复合材料损伤要坚持安全第一和预防为主的维修原则，对有可能出现的安全隐患和故障都要积极排查和处理，加强飞机预防性维修与维护，规范飞机设备操作、使用，及时对飞机设备进行保养、维护和改进提升，确保最佳的运行状态，确保飞机运行安全。

4 加强飞机复合材料的修复的有效措施

飞机复合材料的可靠性与环境、工作条件、运行情况、维护保养以及自身的可靠性密切相关，因为飞机部件精度很高，有很复杂的制造工艺，必须在良好的工作环境中才能确保良好的可靠性。要采用先进的技术定期维护保养，最大程度的保证飞机运行的安全性。

4.1 利用先进的修复技术

一是使用机械连接修理，也就是将复合材料用连接物连接在受损部位，虽然能短时间内进行修复，但会破坏原有材料结构，加速结构破坏的程度。二是胶接修理法，当前较为先进，对复合材料破坏性小。三是贴补修理法，作为应急使用的一种方法，通过在材料受损部位补贴材料，暂时修复受损部分，但不会持续较长时间，时间允许时需要进行再次修复或更换新的材料[2]。

4.2 加强复合材料部件无损检测

要加强对复合材料部件的定期检测，及时发现损伤才能有针对性的修理，延长部件的寿命。当前常用的无损检测方法有目视检查法、敲击检查法、超声波检测法、X射线检测法等，随着无损检测技术的快速发展，超声、射线等传统检测技术也日益的改进和提升，探索应用了激光全息干涉、激光超声、红外、声发射、微波、磁记忆等诸多无损检测的新工艺，能快速准确的对复合材料受损部位进行检测，从而选择指定科学的修复方法。

5 结语

飞机复合材料经过长时间的飞行和磨损必然会受到不同程度的损伤，要根据复合材料的结构损伤特点及裂纹特性，按照相关修理原则进行修复，才能确保飞机的运行安全。今后要加强飞机复合材料维修技术的研究和探索，切实提高飞机材料维修的质量，改进材料损伤修理的有效措施，提升维修能力，为飞机的安全运行提供保障。