浅谈飞机复合材料结构损伤和检测维修方法

孔磊，邢瑞山

（广州民航职业技术学院飞机维修工程学院，广东 广州 510470）

飞机复合材料通常被称为先进复合材料（Advanced Composite Material，ACM），具有较高的比强度、比刚度，能有效减轻飞机结构重量，还具有抗腐蚀、破损安全性高等优点。飞机复合材料构件在使用过程中会出现各种类型的损伤，对于损伤的分析、检测和维修是至关重要的。

1 飞机复合材料结构常见损伤及损伤容限

飞机复合材料结构常见的损伤类型主要包括划伤、裂纹、凹槽（凿伤）、点蚀、凹坑、分层、脱胶以及雷击等损伤。

（1）划伤（Scratch）/凿伤（Gouge）：是一种线性损伤，通过检查破损长度和深度程度来区分。划伤是由于尖锐物体接触，而造成一定深度和长度的线性损伤；凿伤比划伤更宽，可能是更深的损伤。

（2）刻痕（Nick）/擦伤（Abrasion）：是一种小区域损伤，通过检查损伤处是否穿透表层来区分。

（3）分层（Delamination）/脱胶（Disbond）：通过检查复合材料结构内部分离破坏发生的位置来区分。分层是指在复合材料层合板结构中，不同纤维层之间的剥离破坏；脱胶是指复合材料构件中，纤维层和蜂窝之间的剥离破坏。

（4）凹坑（Nick）/穿孔（Penetration）：通过检查破坏发生的深度是否穿透复合材料板厚来区分。

（5）烧蚀、雷击（Burning，Lighting strike）：是复合材料遇明火或雷击而引起复合材料构件的烧蚀损伤。通过目视检查复合材料外表面就可以发现。

（6）凹坑（Dent）：分为低能量、中等能量和高能冲击。

损伤容限是指结构在未采取维修的规定使用周期内，抵抗由缺陷、裂纹或其他损伤而导致破坏的能力。主要包括：在规定的寿命增量内，结构能成功地遏制损伤而无损于飞行安全的能力；在遭受疲劳、腐蚀、意外或离散源引起的定量损伤后，在一定的使用期内，结构保持其剩余强度的能力。

复合材料在一定的损伤容限范围内是允许不经过维修继续使用的，下面以Boeing737-800型飞机的襟、副翼盖板为例来阐述复合材料损伤容限的具体要求，具体可参考飞机结构维修手册（Structural Repair Manual，SRM）57-51-01部分。

（1）蜂窝芯复合材料板的损伤容限：①点蚀、凹坑和划伤的损伤容限：未伤及到玻璃纤维的点蚀、凹坑和划伤损伤是允许存在的。有些伤及玻璃纤维的点蚀、凹坑和划伤损伤也是允许存在的。例如：损伤铺层数在总铺层的1/10（一般2层），损伤在长度方向小于2英寸，宽度小于0.25英寸，损伤区域到构件边缘的距离大于损伤区域直径1.5倍左右。②凹坑类损伤的损伤容限：凹坑直径小于等于0.5英寸直径；距离其他损伤，紧固件孔和材料边缘的距离大于等于2.5倍的损伤区域直径。③孔、击穿和脱层的损伤容限：损伤的直径小于等于0.25英寸；距离其他损伤，紧固件孔和材料边缘的距离大于等于2.5倍的损伤区域直径。④边缘损伤容限：边缘损伤满足深度小于等于0.1英寸，宽度小于等于0.5英寸，距离其他损伤，紧固件孔和材料边缘的距离大于等于2.5倍的损伤区域直径的在允许损伤范围内。边缘有两层损伤，或者边缘材料的去除在总厚度1/10以内的损伤是允许的。

（2）层合板复合材料的损伤容限：①点蚀、凹槽和划伤的损伤容限：未伤及玻璃纤维的点蚀、凹槽和划伤是允许的。有些伤及纤维的点蚀、凹槽和划伤也是允许的，例如：损伤的铺层数只有一层，损伤长度小于等于3英寸，损伤宽度小于等于0.25英寸，距离材料边缘、其他损伤或者紧固件孔的距离不小于0.5英寸。②凹坑、孔、脱层或者击穿损伤容限：损伤直径小于等于0.5英寸，距离其他损伤、紧固件孔或材料边缘距离不小于2.5倍的损伤区域直径。③边缘损伤容限：损伤深度不超过0.1英寸，损伤宽度小于0.5英寸，损伤距离其他损伤、紧固件孔或材料边缘距离不小于2.5倍的损伤区域直径。

其他区域的复合材料结构件损伤，应参考SRM手册的相应章节。超出损伤容限范围的情况，则需要制定相关的临时修理或永久性修理方案。

2 飞机复合材料结构损伤检查

在清除复合材料结构损伤之前，要确定损伤范围和程度，以便确定该损伤构件或部件是否可以通过修理恢复功能，对可修理损伤确定清除损伤的范围。

首先，通过目视检查初步确定损伤的范围和程度，然后再用无损检测方法确定损伤的确切范围和严重程度。应检查损伤区域及其附近有无水分、滑油、燃油、污物以及其他外来物浸入，并进行清除。通常采用X射线法检查损伤区域是否有水分进入。可以采用无损检测方法检查复合材料结构的分层损伤，也可以采用金属铃声法检查分层损伤。但是，用金属铃声法确定损伤是不可靠的，应尽可能采用无损检测的方法检查分层损伤。所以复合材料的损伤检查方法主要有目视检查法、敲击检查法、X射线检查法以及涡流检测等。工作实践中，以目视检查法和敲击检查方法结合为主，设备检测主要在内场维修实践中应用。

外场修理实践中，敲击检查法是检查分层、热损伤和脱胶的常用方法，注意事项如下：（1）飞机结构维修手册（SRM）规定，敲击检查法不能检查蜂窝结构中面板层数小于、等于3层的分层和脱胶损伤。（2）如果有雷击或其他热损伤的迹象，敲击检查法可以用来检查任何厚度的复合材料结构。（3）可以使用以下工具进行敲击：金属小片（如硬币）、敲击检查专用工具（如小锤）等。（4）敲击检查整个区域时，两次敲击的间隔距离不能大于最大允许损伤尺寸，厚度上的变化（铺层数的变化）可能导致敲击声改变，由此影响外部损伤检查。所以在检查前，先查阅检查区域的铺层数量和变化情况。（5）注意分辨（听）声音的变化。非损伤区域的声音清脆、尖锐；分层、脱胶区域声音发钝。

3 飞机复合材料结构典型损伤修理方法

复合材料典型修理方法的工艺步骤列举如下（参考SRM51-70-03）。

（1）确定损伤等级。首先，目视检查损伤等级，检查部件损伤区域有无水分、润滑油、燃油或其他杂物。水分可以通过X射线法检测到。检查脱层区域的周边，确定脱层损伤的具体尺寸。脱层损伤的检查可以采用无损检测方法。

（2）清理损伤铺层。使用砂纸或者打磨器清除损伤铺层，打磨或清理过程中应避免出现火花或电弧，以防引起爆炸。打磨的粉尘不要吸入呼吸道，防止过敏或感染。化学除漆剂在复合材料表层是不允许使用的。

参考复合材料维修相关图纸，用胶带纸覆盖修理区域四周，覆盖区域应当比最大损伤区域超出1英寸。清除面板的损伤区域时，需使用180号或者更细的砂纸打磨圆形或椭圆形修补区。清除掉的铺层数要做记录。胶纸覆盖区域内部的损伤要清理干净，并用240号或更细的砂纸打毛。未损伤区域要保护好。

如果损伤区域有无须去除的蜂窝芯，直接将蜂窝芯表层清理干净即可。所用的砂纸为240号或者更细。如果蜂窝芯上有填充胶膜，可以不用清理掉。最后撕去粘贴的保护胶带。

（3）彻底切除损伤的蜂窝芯（视需要而做）。蜂窝芯去除的大小要与蒙皮上挖的孔大小一致。不允许在清理中伤到另一侧面板。确保所有的损伤去除彻底，对于厚度大于1英寸的蜂窝芯可以做部分厚度上的蜂窝芯切除，损伤深度不能大于0.5英寸，此时，可只移除0.5英寸厚度的蜂窝芯。检查损伤清理是否彻底，并用无损检测再次确认。

（4）从蜂窝夹芯板结构中清除水分。清除水分的面积要大于损伤部分在4英寸以上。

（5）从层合板结构中清除水分。使用无油的真空泵或压缩气体带走水分，同时对损伤区域用加热毯加热。

（6）再次用胶带纸保护修理区域的周边，方法同步骤（2）中所讲。

（7）清理打磨。每一级阶梯之间的搭接跨度为0.5英寸。打磨阶梯后，用吸尘器清理灰尘，并用沾了丙酮的抹布清理打磨表面，直到无灰尘为止。

（8）切割新的蜂窝芯填回修理孔内。蜂窝芯的参数可以在相应的工程图纸内查到。确定蜂窝芯的彩带（0度）方向，对于玻纤蜂窝芯、芳纶蜂窝芯和铝蜂窝芯，先切割到合适的高度，要求比原切除的蜂窝芯高出1/16英寸左右（固化蜂窝芯和后续铺层固化分两步走），将新切割的蜂窝芯修成与原蜂窝芯一样的轮廓和形状。填塞的蜂窝芯与孔之间允许有0.025英寸的间隙，以便可以在蜂窝芯周边缠绕泡沫胶带。最后将孔周边的毛刺清理干净。如果回填的蜂窝芯不干净，要先用恰当的试剂清洗干净。

（9）固化回填的蜂窝芯。将已经回填蜂窝芯的修理区域用密封袋密封，并抽不小于22英寸汞柱的真空，在60～80℃下固化30min将蜂窝芯固定。

（10）再次打磨蜂窝芯，并清除灰尘。

（11）制作修补片预浸料。首先，将修补片可能覆盖的所有的孔用掺有碎纤维的树脂胶填充，每层打磨阶梯都覆盖一层修补片预浸料，上层修补片应当比相邻的下层直径大1英寸（与0.5英寸的阶梯相对应）。铺层前需确认原结构件的铺层方向和修补片的纤维方向，原则上修补片应当与原构件的纤维方向一致。确定修补片的尺寸，剪切相应面积的纤维布，将纤维布称重后，调与纤维布一样重量的树脂胶。然后将调好的树脂胶倒在纤维布上，上下覆盖好分离膜后用刮胶板将胶刮匀。预浸料制作完毕后，应立即使用或放置于-20℃的冰箱内储存备用。

（12）剪切预浸料到所需要的形状和尺寸。

（13）铺层修理与固化。将剪切好的预浸料铺到修理区（每个修理区的填平片不能多于四片）。首先，将最小的补片铺设好，并依次铺设上述的修补片，铺设中需始终注意补片的方向。按照固化蜂窝芯的方法固化修补片。

（14）维修后的检查。对于蜂窝芯修理区域可以用敲击或其他NDT方法检查是否仍存在损伤。检查区域应当比加热区域大2英寸以上。如果检查结果不理想，需要重新进行修复。

（15）后处理。将修补片周边用砂纸打磨到与原来板件有顺滑的过渡。原飞机构件上如果有导电层、耐磨层、密封胶、包铝或者其他表面漆层等，需要恢复原来的覆盖层。

（16）如果修理的是飞机的操纵面，还需要进行配平与称重。装回构件要确保其工作正常。

（17）填充过的所有紧固件孔应再次钻孔和锪窝（参考SRM51-20-07）。

4 结语

总之，随着科技的发展，飞机复合材料维修技术不断在改进，维修经验不断在积累。在疫情影响和民航业竞争的大环境下，研究飞机复合材料的损伤和维修方法具有重要的意义。