对飞机复合材料结构修理技术的探究

摘 要：复合材料是飞机材料急需的理想性能，其比强度和比模量高，抗疲劳性能优良，刚度好和不易腐蚀等优点，以及独特的材料可设计性等，已被广泛应用于民用飞机的机翼、机身及发动机部件。由于复合材料已经成为现代飞机结构的重要组成部分，并且其损伤机理与金属损伤存在差异，对复合材料结构修理技术研究具有重要的现实意义。

关键词：飞机复合材料；技术分析；结构修理

目前我国民用飞机其选用材料将逐渐从全金属向混杂结构技术转化，可靠性、安全性、经济性及舒适性等是未来飞机运行时要的，因此，复合材料的高比刚度、耐高温、材质轻等性能优势将更为显著，能很好的满足民用飞机材料的要求，复合材料也开始应用于制造飞机的主要结构件且用量越来越多。复合材料在我国航空领域的应用取得了一定成效，而复合材料的使用要求也逐渐严格，但随着复合材料及其成形工艺技术的发展，对飞机复合材料结构修理技术方面的研究还有待于完善。

1 飞机复合材料结构及分析

1.1 复合材料结构的类型与特点

层压板、蜂窝夹芯结构和蜂窝壁板结构是飞机上使用的主要复合材料构件。单层板粘合面、不同材质单层板和不同纤维铺设方向上相同材质的各向异性单层板也可以构成复合材料层压板。致使层压板具有各向异性的特点是由于这些单层板在厚度方向的宏观非匀质性导致的。两块薄面板和中间胶接低密度的夹芯组成了蜂窝夹芯结构，夹芯材料有泡沫塑料和蜂窝夹芯，面板较薄，结构形式为层压板，主要材料有预浸单向碳纤维带或编织布、未预浸或预浸纤维玻璃布、芳纶白机纤维布等。蜂窝夹芯有铝箔蜂窝、芳纶纸蜂窝和玻璃布蜂窝。夹芯结构上，把剪切载荷传递到夹芯，或者从夹芯传递到其他相连结构上是面板和夹芯之间的胶层作用，下两块面板承受轴向、弯曲和面内剪切载荷。任何一个单元体从承受侧向载荷的蜂窝夹芯结构中取出，蜂窝夹芯则承受该单元体剪力的受力；弯矩通过上、下面板分别收拉威函、压威拘来承受，通过面板受轴力来承受，轴力也是由上、下面板承受的。还有较好的隔热性能、较高的结构阻尼、更高的比强度、较高的吸音和耐声振疲劳的性能、并具有光滑的气动外形都超过了常规的金属结构。

承力面和蜂窝夹芯组成了蜂窝壁板，铝合金、钦合金或不诱钢板材制成的承力面板之间是镶边、嵌件和尖端等骨架元件及蜂窝夹芯的位置。夹芯则由泡沫塑料、玻璃布蜂窝、金属蜂窝或金属波纹板制做。胶接、钎焊或点焊方法是骨架元件、承力面板和蜂窝夹芯之间采用的连接。在蜂窝壁板结构中，上下承力面板确定了整个结构的弯曲刚度，载荷守立力、压力、剪切力和横向弯矩是承力面板实际上承受的。即使在大载荷作用下，夹芯也能保持面板所需的气动外形，因为夹芯在结构弯曲时承受横向剪切力并与面板配合承力，提高了承力面板的局部刚度和蜂窝壁板结构的剪切刚度。骨架元件用于提高固定处的持久刚度，保证在集中力作用下结构的局部刚度。

1.2 飞机复合材料结构的损伤

在生产或者使用过程中，由于复合材料结构在材料组成和系统性能上的特殊性，容易发生各种结构损伤。因此，对复合材料的损伤特点进行分析，并根据其结构和材料的不同，掌握规律、做好修理的准备工作。高速冲击损伤与低速冲击损伤是主要是飞机复合材料损伤的两种冲击损伤。低速冲击损伤能量较低，会在结构内部引起严重的层间分离和集体裂纹，而结构表面不会有明显的损伤，结构剩余强度会因为损伤而明显降低。高速冲击损伤损伤情况较严重，能量高且集中、破坏较大，易见性损伤包括裂纹、破孔、结构断裂，造成层板凹坑、纤维断裂。而划痕、擦伤，分层，穿透孔，热损伤则是飞机复合材料层压板结构的损伤的主要类型。按照损伤产生的部位，两侧面板、芯子的穿透损伤、面板损伤、复合损伤及单侧面板和芯子的复合损伤是蜂窝夹层结构的损伤。

2 飞机复合材料结构修理技术

2.1 补片式修理技术

补片式的修理修复工艺较为复杂，由于飞机复合材料的使用在现代航空领域的应用较为广泛，由于损伤的存在，针对复合材料在进行实际的修补处理过程中具有良好的效果，而且复合材料的修补主要应用于较大型的损伤的修复。以下几种类型是针对修理工艺划分的几种方法：

2.1.1 外搭接补片胶接法

这种方法需要重视补片大小、补片厚度以及胶层的设计。在进行外搭接补片胶接法过程中，最佳的补片厚道的设计为母版厚度的二分之一，而且补片的厚度需要根据母版厚度进行分析与设定，搭接的长度考虑到国内胶黏剂的性能，与补片大小直接相关的参数是搭接长度通常为20-30毫米。通过具体的试验证明，过于刚硬的材料不能够起到良好的效果，具有软补片的胶接强度较低，在飞机复合材料的修理过程中经常出现相应问题。胶粘剂的具体强度影响胶接接口的强度，胶层设计过程中，胶接接头部分会产生比较高的局部应力，需要根据具体材料以及设计进行损伤处理。在外搭接补片胶接法当中，通过增加胶层厚度来降低该处较高的剪应力。

2.1.2 外搭接补片机械连接法

补片的材料的选择具有自主性特点，在进行具体修补的过程中并没有要求一定的严格标准，材料可以选择金属板或者是复合材料面板，保证在飞机出现复合材料问题时能够得到及时处理，需要通过抽钉等紧固件与母体结构机械进行连接，这种方法在进行外场补救的过程中被广泛应用。这-种方法在进行连接的过程中需要考虑腐蚀问题，因为缺乏相应的标准约束，对补片材料可能会使用铝合金等相关金属材料。

2.1.3 嵌入式补片修理法

该方法是一种水久性修理方法，是通过挖去部分的母体材料，之后与预浸料补片或者是预固化后再与母体材料胶接，补片铺层与母体斜坡或者是台阶相同或略多。此种方法不仅外形恢复较好，对消除外搭接补片修理引起的偏心弯矩有着良好的效果，在进行实际的复合材料的修补过程中具有重要作用。

2.2 非补片式修理技术

这种技术方法主要是针对小损伤进行修理，在进行外场修补的过程中较为便捷，在进行飞机符合材料修理的过程中操作方法较为简单。复合材料的非补片式修理技术主要为以下几种：

（1）涂层法。在航空领域的应用，复合材料表面出现问题的过程中，保证材料表面的安全性、材料外部稳定性，需要通过涂层法来修复表面密封层、防腐层以及导电层。

（2）注射法。注射法在进行实际的应用中实现对损伤区的处理具有较好的效果，特别是对于复合材料外层处理以及边缘分层处理。这种方法在针对损伤区进行修理的过程中，通过注射法填补修复，采用常温固化以及加热固化的形式将树脂注入损伤区，在进行实际的应用中能够实现对损伤区的处理。

（3）混合物填充法。在飞机复合材料的修理技术中，这种方式与注射法相似，主要的填充物为短切纤维一树脂混合物。但在实际的填充物方面两者具有明显的差异，此种方法能够修复复合材料中较小的损伤，在进行修复表面范围以及蜂窝夹层中的损伤修理具有较好效果。

（4）抽钉法。此种方法能够有效的控制复合材料小损伤的扩展，在具体的应用过程中是加强分层区域或者是脱胶区采用树脂注射法或混合物填充，保证恢复外界的传载能力，该法已广泛用于碳纤维复合材料的边缘分层修理，具有良好的应用效果，保证复合材料外部稳定性。 （下转第211页）

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3 总结

复合材料结构的维修维护工作随着飞机复合材料在航空领域当中越来越广泛的应用越来越显得重要，维修技术将是复合材料应用技术今后发展的一个重点方向，加快修理材料的研究和开发，加快复合材料修理标准和规范的基础性研究，在完善现有热补技术的基础上，实现易损修理工具和设备国产化，不断汲取新技术，开发复合材料修补软、硬件工具及修理设计、修理前后的无损探伤检测技术，向高质量、高效率、低成本化发展，不断完善和发展新型技术，建立数字化修理生产线，为航空领域安全使用复合材料奠定基础，尽决实现复合材料数字化修理，可极大地提高其使用效能，促进航空领域的可持续发展。

参考文献：

[1] 郭彦江，黄俊，蒙志君，何维. 复合材料层合板贴补修理稳定性研究[J]. 玻璃钢/复合材料，2013（02）.

[2] 王跃全. 飞机复合材料结构修理设计渐进损伤分析[D].南京航空航天大学，2010.

[3] 杜善义，关志东. 我国大型客机先进复合材料技术应对策略思考[J]. 复合材料学报，2008（01）.

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