复合材料修补技术的研究

Ｂ 填充修理 钻 孔 除 去 蜂 窝 被 破 坏 区 域 。用 填 料 或 蜂 窝 填 充 。用 与 原 蒙 皮 相同层数的加强布修补。 Ｃ 贴补修理 如果不超过一层布划伤，刮胶，胶固化后打磨平整。 划伤大于一层且小于两层，Ｄ Ｉ 的方法选用取决于缺陷的类型和零件的结构。指 出预见的损伤或非常规修理，允许持证的 Ｎ Ｄ Ｉ 员工选择适当的 检测方法。 警告：Ｔ Ｔ Ｕ 、Ｐ Ｅ 和共振变频的检测方法可能需要使用试片， 可能会污染损伤的零件。在检测期间，确保给零件做好防护。 有 ４ 类固化方法可以使用在复合材料的修理上。它 们 是 加 热 毯、固化炉、热压罐、和 室 温 固 化 。根 据 要 求 修 理 材 料 的 状 态 和 实际情况，在不同的条件下使用不同的固化方法。 修 理 过 程 中 通 常 需 要 考 虑 的 事 项 包 括 损 坏 零 件 的 位 置 、 修理 设 计 、装 配 、存 在 看 不 见 的 缺 陷 的 可 能 性 、设 备 限 制 、附近材料 等因素。 ２ ． ３ 材料要求 修 补 过 程 中 采 用 的 主 要 材 料 如 预 浸 碳 布 、 预 浸 玻 璃 布 、干玻 璃 布 、干碳布、环氧胶、带 载 体 的 胶 膜 、 带 载 体 的 胶 膜 等 ，要根 据实际要求修理的技术要求进行选用。采用的辅助材料如真空 袋、脱模薄膜、密封条、透气毡、吸胶材料等。 ２ ． ４ 设备与工具 修补过程中采用的主要设备和工具包括：固化炉、热压罐、 真空泵、热电偶等等。 ２ ． ５ 环境要求 各 种 材 料 的 贮 存 环 境 必 须 满 足 材 料 本 身 的 要 求 条 件 ，根 据 具 体单位的库房、工 作 现 场 条 件 不 同 ，应该遵守适度从严的原则。 有铺层操作的工序尽量在净化间内操作，按 Ｈ Ｂ 、Ｇ Ｊ Ｂ 相关标准 执 行 。其 它 操 作 应 在 干 净 的 环 境 中 进 行 。建 议 环 境 温 度 １ ５ ℃～ ３ ０ ℃，相对湿度不大于 ７ ０ ％。 ２ ． ６ 修补方法 Ａ 挖补修理 切割开胶蒙皮。用与切割蒙皮层数的加强布铺层。 Ｇ 机械方法修补 利 用 胶 液 或 胶 膜 ，把 处 理 好 的 金 属 加 强 件 和 复 合 材 料 零 件 胶 接，然后用螺栓或铆钉连接。
生产一线
复合材料修补技术的研究
文⊙ 付立华 （沈阳航空器适航审定中心 辽宁沈阳）
摘要： 复合材料制件的在制造和使用过程中不可避免地会存 在缺陷和损伤，某些部位或部件的复合材料会发展成结构损伤， 必须对复合材料的缺陷和损伤进行修补。本文主要介绍了复合材 料 制 件 修 理 流 程 、确 定 修 理 方 案 需 要 考 虑 的 各 类 问 题 、修理使用 材 料 的 基 本 要 求 、介 绍 了 使 用 设 备 与 工 具 的 基 本 性 能 要 求 ， 特别 是典型的修补方法。 关 键 词： 复合材料； 修补； 流程； 要求 １ 概述 １ ． １ 复合材料制件的特点 树 脂 基 复 合 材 料 具 有 比 强 度 和 比 刚 度 高， 可 设 计 性 强 ， 抗疲 劳 性 能 好 ，电 磁 性 能 优 异 ， 耐 腐 蚀 性 能 好 ， 容 易 整 体 成 型 等 独 特 优 点 。在 航 空 航 天 领 域 ，为 了 减 轻 结 构 质 量 ，提 高 飞 行 器 性 能 和 降 低 燃 油 消 耗 ， 树 脂 基 复 合 材 料 得 到 大 量 使 用 ，已 经 迅 速 发 展 为 继 铝 、钢、钛 之 后 的 又 一 航 空 结 构 材 料 。复 合 材 料 在 飞 机 上 的 用 量及其性能水平已成为飞机先进性的重要标志之一。 复合材料在制造和使用过程中不可避免地会存在缺陷和损 伤，如 果 不 对 这 些 缺 陷 或 损 伤 进 行 修 补 ，某 些 部 位 或 部 件 的 复 合 材 料 会 发 展 成 结 构 损 伤 ，严 重 的 损 伤 会 危 及 飞 行 安 全 ，因 此 ，必 须对复合材料的缺陷和损伤进行修补。 复 合 材 料 的 制 造 缺 陷 通 常 可 以 分 为 两 类：一 类 是 铺 贴 和 固 化 成 形 过 程 中 产 生 的 ，例 如 孔 隙 率 、分 层 、脱 胶 、夹 杂 、贫脂或富 脂、树脂固化不完全、纤维方向偏离（或纤维弯曲） 铺层顺序 、 错 误 、纤 维 间 有 空 隙 等 ；另 一 类 是 在 机 械 加 工 、 装 配 和 运 输 过 程 时 产 生 的 ，例 如 刻 痕 、擦 伤 、钻 孔 不 当 、拧 紧 力 矩 过 大 及 冲 击 损 伤等。 复合材料的使用损伤主要是在使用过程中出现的高能量或低 能量的冲击损伤。高能量冲击（一般也是高速冲击）——子弹、 非 包 容 发 动 机 碎 片 、鸟 撞 等 外 来 物 冲 击 通 常 产 生 穿 透 损 伤 ，同时 伴 随 有 一 定 范 围 的 分 层 。雷 击 也 可 能 击 穿 结 构 蒙 皮 ， 产 生 深 度 分 层 和 烧 灼 。这 些 损 伤 均 目 视 易 检 。 低 能 量 冲 击（ 其 中 多 数 是 低 速 冲 击 ）— — 生 产 或 维 护 用 工 具 的 掉 落 ，叉 车 、卡 车 和 工 作 平 台 这 一类维护设施的撞击，操作人员无意中发生的粗暴踩踏，起飞或 着 陆 时 从 跑 道 上 卷 起 的 石 头 、螺 钉 、轮 胎 碎 片 的 撞 击 ，以及地面 停放或空中飞行时冰雹的撞击等。 随 着 复 合 材 料 技 术 的 发 展 ，为 复 合 材 料 的 缺 陷 和 损 伤 修 补 新 技 术 — — 复 合 材 料 胶 接 修 补 技 术 提 供 了 可 能 性 。复 合 材 料 胶 接 修 补是指用高性能纤维增强复合材料，如硼 ／ 环氧和碳 ／ 环氧复 合 材 料 胶 接 于 缺 陷 或 损 伤 结 构 表 面 ，以 加 强 缺 陷 区 域 或 使 受 损 伤 构 件 的 功 能 和 传 递 载 荷 特 性 得 以 最 大 限 度 地 恢 复 ，以 达 到 延 长 结 构使用寿命的目的。 复 合 材 料 用 于 飞 机 结 构 胶 接 修 补 从 修 补 对 象 分 为 两 类：一类 是 复 合 材 料 损 伤 后 ，采 用 复 合 材 料 或 金 属 材 料 修 补；另 一 类 是 大 量现役的金属飞机损伤后的复合材料修补。 从 修 补 方 法 又 可 分 为：小 缺 陷 和 小 损 伤 的 非 补 强 修 补 ，非补 强 修 补 方 法 主 要 有 注 射 树 脂 和 填 充 或 灌 注 修 补 ；较 大 损 伤 的 补 强 修 补 ，补 强 修 补 方 法 一 般 用 于 主 要 受 力 构 件 的 重 要 损 伤 形 式 ，这 种方法是将复合材料制成补强板，粘接到原结构的损伤部位，使 损 伤 结 构 遭 到 破 坏 的 载 荷 传 递 线 路 得 以 重 新 恢 复 。修 补 形 式 包 括 单面或双面粘接。 从修补后材料的性能恢复情况可分永久性修补和临时性修 补。永 久 性 修 补 是 指 受 损 的 复 合 材 料 经 修 补 后 ，材 料 的 性 能 恢 复 到损伤前的性能，并可满足复合材料结构剩余使用寿命的要求。 临时性修补是指在特定的条件下，受损的复合材料经修补后，材 料 的 性 能 能 够 临 时 性 恢 复 材 料 的 性 能 ，满 足 复 合 材 料 结 构 临 时 使 用要求。复 合 材 料 的 临 时 性 修 补 在 条 件 许 可 的 情 况 下 应 转 换 为 永 久性修补。 对 复 合 材 料 结 构 提 出 的 修 补 要 求 主 要 有： （１ ）足 够 的 强 度 、 刚 度 要 求 ，恢 复 结 构 的 承 载 能 力 和 使 用 功 能 ， 即 恢 复 结 构 的 完 整 性； ）对因修补而带来的增重要有一定的限制，即增重小； ） （２ （３ 尽 量 保 证 原 结 构 光 滑 完 整 。 对 飞 行 器 类 构 件 的 外 形 修 补 ，气 动 外 形变化要小； （４ ）修补所用时间要针对不同的情况限定在一定的 范围内，即时间要短； ）修补中使用的设备与工具要少，要轻， （５ 即可操作性要好。 １ ． ２ 国外研究现状 飞 机 结 构 的 复 合 材 料 修 补 设 计 和 可 行 性 评 价 开 始 于 ２ ０ 世纪 ７０ 年代初期。澳大利亚航空和海运研究室（ Ａ Ｍ Ｒ Ｌ ） 的 Ａ ｌ ａ ｎ Ｂ ａ ｋ ｅ ｒ 博士等，对 复 合 材 料 修 复 金 属 飞 机 的 技 术 进 行 了 开 创 性 研 究 ， 并 用碳纤维复合材料（ Ｃ Ｆ Ｒ Ｐ ） 和硼纤维复合材料（ Ｂ Ｆ Ｒ Ｐ ） 为澳大利 亚皇家空军（ Ｒ Ａ Ａ Ｆ ） 修补了大力神 Ｃ — １ ３ ０ 、幻影、Ｆ — １ １ １ 、 麦卡奇等飞机。根据不完全统计，到 ２ ０ ０ ５ 年，复合材料用于各 类飞机结构件以及复合材料本身的损伤修复已经超过 ２ ０ ０ ０ ０ 例。 由 此 可 见 ，采 用 高 强 度 复 合 材 料 胶 接 修 补 受 损 伤 飞 机 在 国 外 已 经 引起高度重视，并已进入实用阶段。 １ ． ３ 国内研究现状 随着我国飞机数量的增加和换代速度的加快，例如苏 － ２ ７ 飞 机 的 机 头 雷 达 罩 、垂 尾 前 缘 与 翼 尖 、前 舱 仪 表 保 护 罩 、前 起 落 架 撑 杆 整 流 罩 、 中 央 翼 舱 盖 以 及 平 尾 传 动 整 流 罩 等 零 部 件 ，就是 用玻璃纤维增强复合材料和碳纤维有机织物 Ｃ Ｂ Ｍ 增强的复合材 料 等 制 作 的 。由 于 疲 劳 开 裂 、 热老化、磨 损 、外 来 物 撞 击 和 战 争 等原因， 飞机复合材料构件在使用中会出现各种不同的损伤， 因而 也就带来了飞机复合材料损伤修复的许多问题。 目 前 ，对 于 飞 机 复 合 材 料 结 构 的 修 补 主 要 分 为 外 场 修 补 和 厂 内修补。外 场 修 补 主 要 是 指 携 带 修 补 材 料 、 修 补 设 备 到 机 场 针 对 复 合 材 料 结 构 在 使 用 过 程 中 受 到 的 损 伤 进 行 修 补 。由 于 外 场 修 补 受到的条件制约，所采用的修补材料大多为复合材料修补贴片， 修 补 操 作 比 较 简 便；修 补 设 备 为 便 携 式 修 补 仪 ， 对 修 补 部 位 施 加 的压力最大为 １ 个大气压，与复合材料成型过程中所受到的 ４ — ５ 个大气压相差较大，对修补后复合材料性能的恢复有一定影 响。外 场 修 补 可 进 行 临 时 性 修 补 和 永 久 性 修 补 。厂 内 修 补 是 指 在 生 产 车 间 ，利 用 复 合 材 料 的 生 产 或 修 补 设 备 对 复 合 材 料 在 制 造 或 使用过程中存在的缺陷或损伤进行修补。厂内修补可充分利用现 场 材 料 和 设 备 优 势 ，完 全 按 照 生 产 条 件 对 复 合 材 料 进 行 修 补 。 修 补后的复合材料可最大程度恢复材料性能。 ２ ． 复合材料的修理 ２ ． １ 修理流程 修理前准备 － － 修理区域表面准备 － － 调胶与浸胶 － － 铺层 － － 固化 － － 清理 － － 机械加工 － － 检验 － － 包装 － － 交付。 ２ ． ２ 确认和给出修理方法 修理是为了恢复零件的完整性以达到结构上的可接受的水 平。它是针对具体的缺陷和材料，而不是针对具体零件。 质量保证部门应对损伤进行评估和描述。可能要求对损伤进 行 Ｎ Ｄ Ｉ 评估。当要求进行 Ｎ Ｄ Ｉ 时，应该指出预见的损伤或非常 规修理，应该给 Ｎ Ｄ Ｉ 员工留下合适的可选检测方法。 常见仪器的 Ｎ Ｄ Ｉ 方法检测方法包括 Ｔ Ｔ Ｕ 、脉冲回波（Ｐ Ｅ ） 、 共振变频胶接检测仪、Ｓ ｏ ｎ ｄ ｉ ｃ ａ ｔ ｏ ｒ Ｔ Ｍ 、敲击测试、放射照相检测 等。