飞机蒙皮表面的预处理及涂装研究

刘俊文，张 净，李 琼，吴群英，陈东琛

飞机是民航事业快速发展下人们外出选择的重要交通工具，而飞机蒙皮位于飞机的最外层，直接和外界环境接触，是决定飞机能够安全飞行的核心因素。飞机蒙皮的作用是确保飞机的外部形状，不会因为飞机的起飞或着陆等载荷因素的影响产生改变。对此飞机表面的蒙皮处理和涂装工艺选择将直接关系到飞机的使用性能，如何选择具有装饰性和保护性的涂层至关重要。

1 飞机蒙皮常见涂料

飞机发明之初，使用的蒙皮通常是纺织布：将布料包在飞机的木质或金属结构上，再涂上防水隔气的材料就算完成。这种简陋的蒙皮很容易被环境影响，所以在一战期间，各国都将注意力集中到了金属材料蒙皮的研发和应用。到了二战的时候，铝合金蒙皮已经成为了战机的主流配置。蒙皮处理需要用到各式各样的涂料，常见的有。

1.1 硝基涂料

硝基涂料的主要材料是硝化棉，这也是早期飞机布蒙皮经常使用的涂料类型，涂层系统包括硝基清漆与各色硝基磁漆。当飞机的框架上蒙上棉布或亚麻布之后，表面无法作为飞机蒙皮，不过在覆盖涂布之后，则表面棉布收缩，整个框架相对绷紧形成光滑表面，满足飞机的空气动力学性能要求，布的拉伸强度得到大幅提高。需要考虑的是，由于该涂层会在阳光的作用下容易出现变质，所以会选择涂硝基涂料保护层来延长蒙皮的使用周期。该涂层系统的主要缺点在于大气抗老化性能较差，且具有易燃性，可能对飞机产生安全隐患。

1.2 醇酸树脂材料

醇酸树脂材料包括多元醇、多元酸和脂肪酸等材料共同合成，脂肪酸组分可以划分为两种类型，一种是铝蒙皮用醇酸涂料，其综合性能比前文提到的硝基涂层效果更好，不过该涂层不适用于某些高速飞机。二是醇酸清漆，但该材料的使用频率明显下降，逐渐被聚氨酯涂料或丙烯酸涂料所取代。

1.3 丙烯酸

丙烯酸涂料的最大优势在于具有稳定的保色性和保光性能，受到大气当中紫外线的影响程度较低，且分子结构稳定，不容易产生分解或氧化。另外其干燥速度较快且施工简单，维修过程当中的脱漆比较容易，这种涂料仍然是当前飞机蒙皮涂料的常见选择。

1.4 环氧树脂涂料

飞机表面的蒙皮涂层不仅可以作为装饰材料，同时还是延长飞机使用周期的结构材料，如果蒙皮涂层和机身的粘结力较差，就会因为温度变化或气流冲击导致涂层脱落。环氧树脂涂料的附着力良好，且不会受到化学药品或容器的腐蚀，作为底漆被广泛应用于当前的飞机之上。早在20世纪70年代，美国公司就研制了飞机蒙皮涂料，并选择环氧树脂作为基体，与聚氨酯类面漆相互匹配形成蒙皮涂层，在各种环境下都不会产生破裂或起皮现象，解决了长期以来的粘接难题。双组分环氧聚酰胺底漆的性能与瓷漆配套性更加出色，常温条件下能完成固化，在航空工业领域可得到广泛应用。

2 飞机铝蒙皮表面预处理

2.1 电化学阳极氧化法

铝是一种比较活泼的银白色光泽金属，相对密度2.70。所以会在纯铝当中加入某些其他金属，让其成为铝合金之后提升机械强度，铝合金在航空工业上也得到了比较普遍的应用。具体来看，纯铝在常温的空气当中会与氧气发生作用，从而在表面生成一层薄薄的致密氧化膜，该氧化膜厚度较薄，但却能够隔绝氧气和内部铝之间的互相作用，起到一定的保护功能。所以纯铝在空气当中的稳定性和耐腐蚀性普遍良好，如果在其中加入铜或锌等元素时，铝合金的机械强度会有大幅提升。不过需注意的是，加入其他元素后，铝合金本身的耐腐蚀性能会相对下降，需要对铝合金表面进行化学处理后，才能保障涂层接触面积和抗腐蚀性能进一步提升表面涂层的附着能力。这样一来才能让涂层牢固附着在铝合金的蒙皮表面。

当前比较常见的蒙皮表面处理方法当中，电化学阳极氧化法是相对稳定且应用普遍的方法，其原理是将铝板挂在阳极化槽中，接通阳极和阴极，让电极产生电化学反应，生成表面的氧化膜。氧化膜生成过程当中一方面能够生成三氧化二铝，另一方面氧化膜本身会产生溶解，但只需氧化膜生成速度大于溶解速度，氧化膜就可以具有厚度。氧化环节当中，氧化膜和电镀镀层存在一定的差异，从金属表面向外生长，并且具有良好的吸附能力，与漆膜的附着非常稳定。不过当氧化膜的放置时间过长时，氧化膜本身存在的孔隙会被灰尘和其他污染物所堵塞，此时漆膜的附着力大幅下降。氧化膜作为不导电绝缘层和耐热保护层，其导热系数要低于金属。常见的阳极氧化法电解液包括硫酸、磷酸等不同类型，并且会因为电解液的不同来区分阳极氧化法，例如硫酸阳极氧化法或磷酸阳极氧化氧化法等，整个实验阶段要考虑到电解液温度或电流密度等相关参数对氧化膜质量产生的影响。

2.2 化学氧化法

化学氧化法的直接优势在于工艺简单且成本较低，与电化学方法相比，并不需要通过电流来辅助。但该方法所生成的氧化膜的膜层厚度大约只有0.5μm～3μm左右，且膜层质地较软，耐磨性不足，在遇到比较严重的腐蚀或触碰时无法单独使用。不过化学氧化法所生成的氧化膜在物理吸附能力上非常出色，能够作为良好的底涂层，对铝合金材料的疲劳性影响较小，且操作更加简单，只需要在表面涂漆之后就能投入使用。阳极氧化法和化学氧化法方法的技术特性比较主要体现在初始附着力、腐蚀后附着力、耐潮后附着力以及脱漆性。阳极氧化法在初始附着力表现中磷酸阳极化法性能较好，硫酸阳极化法性能中等，腐蚀后附着力比较好，耐潮后附着力表现中磷酸阳极化法耐潮后附着力好，硫酸阳极化法耐潮后附着力较差；与之相比较的化学氧化法，这些表现都较好，在脱漆性这块阳极氧化法和化学氧化法表现都比较差。

2.3 磷化底漆法

磷化底漆法的技术核心是在铝合金表面涂上一层磷化底漆，形成漆膜，虽然磷化底漆本身不能起到底漆作用，但对于某些无法开展阳极化法或化学氧化法的设备工件而言，磷化底漆法的应用效果更加稳定。例如阳极氧化法只在阳极化槽中展开操作，所以只能对某些小工件进行处理；而化学氧化法则可以采取喷淋或刷涂方法，在某些大工件甚至整架飞机的铝蒙皮表面展开技术处理。在具体的操作阶段，会让磷酸和金属铝进行结合，使得涂膜具有抗腐蚀能力。从磷化底漆和化学氧化膜本身的性能差异来看，两者都具有良好的抗丝状腐蚀性和对金属附着能力，但化学处理膜的抗压液油性非常出色，磷化底漆膜的抗液压油性则相对较差。在脱漆性方面，化学处理膜性能较差，而磷化底漆膜脱漆性能良好。整个施工性能方面，磷化底漆法比化学氧化法更加稳定，特别是在某些飞机需要返修时，很容易将旧涂层全部去除，节省维修时间。磷化底漆膜与化学处理膜工艺特性两者有差异，施工时间上磷化底漆膜施工时间较短，化学处理膜施工时间就比较长。施工后磷化底漆膜需要利用溶剂简单擦拭，然后在空气中干燥，而化学处理膜需清除表面存在的氧化物之后用水冲洗。磷化底漆膜不需要技术处理，化学处理膜需要废水需回收循环。磷化底漆膜使用时需要干燥两小时后可进行喷漆，化学处理膜干燥时间约为24h。在脱漆性能方面，磷化底漆膜比较容易脱漆，而化学处理膜相对难脱漆。

3 飞机复合材料蒙皮表面处理

近年来我国航空事业的快速发展使得很多高性能的复合材料被广泛应用于飞机的蒙皮过程当中，例如无线电天线罩或复合机翼材料等，这些材料的性能优秀，能够耐高温且耐腐蚀，强度非常高。好以碳纤维为例，碳纤维是由含碳量比较高，并且在热处理过程当中不产生明确熔融现象的人造化学纤维处理而成，这些材料的密度较小且强度稳定，在飞机结构材料当中被大规模应用。但考虑到复合材料本身会有老化和屏蔽率降低的缺陷，复合材料表面的涂层体系和预处理非常重要，以机械打磨或手工打磨去除脱膜剂之后，利用溶剂清洗，最终形成表面保护层。

3.1 铝蒙皮表面涂层

铝蒙皮要想具有良好的抗腐蚀性能，就需要选择合适的涂料，一般情况下国内经常使用的涂料类型包括环氧材料或聚氨酯材料。其中环氧聚酰胺底漆对于各种液体介质的耐受性能良好，即便对于潮湿环境也有稳定的抗腐蚀性能和机械性能，对不同类型的氧化膜具备良好的附着力。在相应的大气环境之下，聚氨酯底漆的性能可满足相应的技术标准。在其他类型的材料当中，环氧材料和丙烯酸材料也有涉及，在抗氧化性和耐磨性方面各有差异。现阶段世界范围内的飞机制造公司会根据实际要求来选择不同的涂层体系，例如空客公司所选择的涂层体系包括磷化底漆和聚氨酯面漆，波音公司则选择了聚氨酯面漆和环氧聚酰胺底漆，典型的涂层体系：面漆、底漆、阳极氧化膜、铝板。

其中氧化膜类型包括磷化底漆或阳极氧化膜，底漆类型包括环氧聚酰胺底漆或聚氨酯底漆，面漆则以聚氨酯面漆为主。不同的体系只是在所使用的原材料上有所区别，但只要能够基于材料标准要求满足飞机的使用特性，就可以发挥良好的保护性能。

3.2 复合材料涂层

复合材料表面的防护涂层相对而言比较特殊，因为与铝合金蒙皮相比，表面并没有金属成分存在，因此并不用考虑金属腐蚀问题。但是复合材料自身对水比较敏感，复合材料的强度在吸水之后会显著下降，因此底漆层应具有致密性和防水性，避免水分渗透。而飞机在飞行过程当中受到辐射和温度的影响比较明显，高速飞行状态下会遇到气流冲击，因此复合材料表面的涂层要有良好的耐磨性和耐温性。例如我们经常选择交联密度较高的聚氨酯底漆，然后在底漆表面涂上一层聚酯腻子填充孔隙，这层腻子和聚氨酯底漆的附着力非常好，柔韧性和弹性形变，效果出众，在复合材料表面的填充性稳定，整体体系：面漆、底漆、弹性腻子、底漆、复合材料。

4 飞机蒙皮损伤处理

我们常看到的飞机只是飞机的外表，也就是蒙皮机翼整流罩起落架等，而飞机内部则是非常复杂的结构。而组成飞机机身和机翼还有安定面的飞机承力的结构除了看得见的蒙皮之外，还有隔框，长桁，梁，各种支架等等…而这些结构也只有在拆开客舱装饰板或者打开货仓地板等才能看到。飞机上一个刮痕，凹坑，凸起，掉漆，鼓包，裂纹等都要第一时间引起重视，会被各种检查，测量，探伤，评估等对待。如何才能及时发现蒙皮损伤，需要用到一些检测方法。

4.1 蒙皮损伤与检测

飞机蒙皮损伤指的是飞机蒙皮受到机舱加压过程当中产生的张力或是机舱本身的重力影响产生无法避免的损伤和缺陷，此外制造飞机的金属或其他复合材料也有可能产生冶金缺陷或加工工艺缺陷。例如因为操作环境影响所导致的飞行疲劳损伤和结构裂纹等都会让飞机无法满足预期的性能要求，不仅会影响到蒙皮结构，甚至直接导致强度或刚度下降，影响飞机安全。按照蒙皮损伤的形成原因，可划分为非正常使用或维护产生的损伤、交变载荷造成的损伤和环境损伤等方面。非正常使用产生的损伤，是指飞机在起飞和降落的过程当中产生过大的使用载荷，引起结构损伤；在使用期间产生的强度问题，大多是由于交变载荷引起的疲劳损伤；而飞行期间的特殊环境也是让结构腐蚀和零部件摩擦磨损产生损伤的主要原因。

以常见的裂纹为例，飞机蒙皮出现膨胀或收缩现象之后，重复的载荷会改变蒙皮原始受力状态产生小裂纹，一旦蒙皮被划伤，受到腐蚀的可能性较高。因为空气当中本身含有二氧化硫等气体，使得飞机在飞行过程中会在电流作用下产生化学反应。对于复合材料而言，蒙皮和次级结构之间会出现脱粘现象，这种现象用肉眼很难观察，会存在较大的风险。蒙皮分层和压力变化等因素也会让结构密封性受到损害。

当前对于此类损害的主要技术措施是采取无损检测方法，常见的无损检测方法有：第一种超声检测，主要应用于焊接件与非金属材料，可以快速定位缺陷部位，但是检测周期较长；第二种磁粉检测，主要用于表面缺陷的材料，灵敏度出色且操作简便，结果稳定，但是定量测定缺陷难度较大；第三种射线检测，主要用于焊接件与非金属材料、焊接件与非金属材料，能快速定位缺陷部位，保留长期结果，但是射线具有一定的损伤性；第四种渗透检测，主要应用于表面开口缺陷的材料，灵敏度高，但是工艺程序相对复杂。

除去此类检测方法之外，红外检测在近年来的蒙皮损伤和蒙皮预处理阶段发挥了良好的作用，主要针对某些金属材料或非金属材料进行大面积的检测。例如使用红外图像采集飞机蒙皮的表面状态，就可以确定后续工作当中是否要重新进行表面处理和涂装。

4.2 红外图像采集

红外图像采集的主要原理是对被测物体的温度进行控制，如果被测物体温度达到比绝对零度更高时，就会产生热辐射，这些热辐射和转换为图像，将物体表面的温度变化信息转变为图像信息，用以判断物体产生的温度变化和内部特征状态。目前的红外检测技术包括被动式和主动式两种类型，其中被动式检测主要通过对物体本身的温度场变化进行检测来得到结果，但主动式检测技术能够人为添加基地产生温度场变化信息，用于检测物体内部状态。综合来看，红外热成像检测是一种主动式检测技术，来让内部的缺陷和损伤，以表面温度变化的形式来呈现，并且借助计算机软件对图像处理之后，实现被测物体内部缺陷的定位和分析，例如借助仿真手段和试验手段来对飞机蒙皮展开检测后，可以对飞机蒙皮的红外图像信息进行提取，准确识别定位蒙皮损伤的特征基础。

5 结语

飞机蒙皮是指包围在飞机骨架结构外的维形部件，可以看作是飞机的“皮肤”，是飞机气动结构的重要部分，飞机蒙皮表面处理之后，不仅能具有装饰性能，同时拥有耐介质性能与防护作用。为了确保飞机的安全飞行，避免飞机损伤，需要对蒙皮进行综合研究，并开展相应的预处理、涂装和检测工作。随着未来飞机品种和蒙皮材料的改变，飞机的蒙皮涂装工作也将新的要求。各个材料在经过检测之后如果性能优异，就能较好满足飞机的蒙皮涂层需求，给飞机的安全运行提供技术保障。飞机的蒙皮需时时注意损伤修理，蒙皮破损会导致飞机良好的气动性能被破坏，损伤部位强度下降，以至于危及飞行安全。对于出现破损凹陷的蒙皮部位要及时更换修补。除此之外，飞机蒙皮还会受到腐蚀损伤，需要在外涂上保护层，必要时还会采用金属涂镀层、表面处理以及阴极保护等专业技术进行腐蚀防护。