汤海龙 雷社昌 闫华伟

(国营四达机械制造公司 陕西咸阳 712203)

现代化战争对飞机性能的要求日益增高，作战飞机所应用的材料也相应发生改变，复合材料应用部位也由最初的非承力件逐渐向承力件转变，例如在飞机的垂直尾翼[1]、尾翼、机身等承力部位得到了极大的应用。目前，国际上最先进的民用飞机空客A380和波音B787 中，复合材料的应用重量占比已经超过50%[2]。此外复合材料在军用飞机应用也在相应增加，在F-22、F-35 等新型军用飞机上，复合材料用量比率高达30%～50%。

复合材料结构件的大量应用也给维修企业带来了巨大的挑战。作战飞机在起飞或者飞机滑行过程中，经常会受到不同尺寸、不同质量的飞石交叉冲击，导致结构件强度出现降低[3]，复合材料结构件在制造过程中的质量缺陷进一步加深了复合材料结构件损伤产生概率。国内外的研究学者都逐渐开展针对复合材料的修复技术研究。梁凤飞等人[4]对国内外复合材料的修理技术现状进行介绍；赵志斌等人[5]等通过仿真软件建立有限元模型，研究蜂窝结构渐进性损伤方法以及对应的挖补损伤的修理效果；LI WP等人[6]通过建立逆向建模验证复合材料冲击损伤后压缩性能的变化；关志东等人[7]试验研究了半穿透损伤层合板挖补修理后的拉伸性能。在上述学者研究中，针对复合材料的损伤研究都是基于理论研究的层面，未对实际的损伤故障进行详细描述。

该文主要通过结合飞机维修过程中遇到的复合材料损伤加以介绍，并按照损伤的类型介绍相应修复的方法，最终对复合材料结构的未来修复方法进行展望。

1 复合材料故障分析及修复

在针对复合材料维修之前需要通过专业的手段对待修结构件进行检测，目前针对复合材料的故障检测方式主要有目视、敲击、无损检测等方式[8-9]，这些检测方式的介绍在一些论文中已经进行了详细的介绍，这里就不再进行叙述。该文主要结合复合材料结构件维修过程对常见的损伤进行介绍，通过对其一部分故障及维修方法、注意事项等问题结合实际的损伤案例进行分析。

1.1 表面划伤故障

划伤在复合材料结构件的常见故障中占比较多，对于这类故障处理不及时，在飞机后续的服役飞行过程中，划伤可能由于应力集中等因素演变成裂纹、分层等严重故障，在进行这类损伤的修复时，需要判定划伤故障的深度和类型，如果划伤较轻且没损伤到增强纤维层，只需要使用树脂进行涂覆、固化修补，当纤维层遭到破坏时，修补时需要增加增强层，增强层层数需按照纤维损伤的具体层数，待修补固化完全后，进行固化区打磨圆滑过渡。某型结构的划伤损伤及其修复结果参照图1。

图1 划伤缺陷的修复全貌

1.2 层合板分层故障

复合材料层合板由于其优良的力学性能在飞机结构上应用较多，在这些结构中经常会出现分层故障，产生这种故障的原因主要由以下几个方面造成：一是飞机在频繁执行飞行任务时，会受到雨雪等恶劣天气的变载荷冲击；二是在飞机在不同的外界环境下飞行时，受到长期温度循环载荷，由于纤维和树脂的热膨胀系数不同，在受到外力时，会进一步增加分层故障产生概率；三是在进行零部件运输、装配中，外界硬物对零部件产生的碰撞等因素。在开展分层损伤的故障处理时，首先需要根据复合材料产生分层的区域面积来制定相应的修理模式，针对工艺允许小范围内的损伤，可通注胶、铺浸编制纤维布、加压等方式进行修理。在进行注胶修复的过程中需注意几项影响修复质量的因素：注胶孔的直径、距离、数量、固化压力等。

1.3 夹芯结构脱胶

未来飞机的研制方向主要向机动性、隐身性等靠近，能够实现这类现代化性能的主要方法之一是应用高强度复合材料以降低飞机的本身重量。在一些对飞机透波性要求较高的部位，需要使用蜂窝夹芯结构，例如飞机机载火控雷达罩、电子对抗天线罩、整流罩等结构，这些零部件常常处于飞机的迎风处，复合材料结构件常常会出现蜂窝和外蒙皮脱胶，某类夹芯结构损伤局部出现松软现象，具体形貌如图2 所示。其故障原因可能由以下原因造成：一是处于飞机下部迎风面，该部位会经常受到飞机起飞/降落过程中飞起碎石的交变冲击，外界力导致层合板和蜂窝之间胶黏力下降，出现脱粘故障；二是成型过程中的固化压力大小、固化温度、预浸料等控制因素和标准之间的偏差也会导致蜂窝结构和层合板之间的结合力下降。针对蜂窝脱胶故障的修复可通过以下步骤来进行。

图2 夹芯结构脱胶故障形貌

确定脱胶的面积和部位，如果脱胶的部位位于蜂窝结构的非透波区，在保证整体质量的情况下，可在损伤区域通过注胶方式修理，除了注意蒙皮分层修理时的注意事项外，还需注意以下几个方面：一是注射孔的直径应小于蜂窝晶格的尺寸；二是在进行注胶过程注意晶格内部杂质、湿气排除；三是注胶的型号应与原整流罩类型相同。当脱胶区位于透波区，应避免采用注胶修复的方式，可采用挖补的方式进行修复，蒙皮修复打磨形状主要阶梯状、斜坡状等，其中阶梯型修复方式如图3 所示。在进行铺设预浸料时，保证每层预浸料周边外扩20～30 mm，并在修补层外增加补强层，最后进行外修轮廓的修整和整体透波性检测。

图3 夹芯结构蒙皮修理示意图

1.4 蜂窝故障

蜂窝失稳是夹芯结构中故障相对比较严重现象，具体的情况如图4所示。照片是蒙皮剥开后蜂窝的状态的对应的蜂窝损伤尺寸，内部蜂窝径向方向已经出现松软现象，很难再起到承受载荷的作用。产生这种故障的原因主要是由于该部位与鸟类发生碰撞，两者之间产生的瞬间冲击力超过蜂窝的承受载荷，导致整体结构性能达不到使用标准。

图4 机载雷达罩复合材料损伤缺陷

针对蜂窝出现塌陷的故障，首先按照图5 的修理流程进行逐步修理。在新旧蜂窝之间使用胶膜填充，并使用铝合金模具板进行定型。在飞机蒙皮固化成型过程中，旧蒙皮与蜂窝之间的阶差应小于相对应的技术标准。此外，外蒙皮的修补工艺及注意事项参照复合材料脱胶时蒙皮的修补。

图5 蜂窝损伤修理工艺流程图

1.5 复合材料穿透性损伤

复合材料结构件的穿透性损伤主要由于飞机在快速飞行时，遭遇到鸟撞击、雷击等超过结构件的载荷承受能力，这种损伤的产生对飞机和飞机员的飞行安全是致命的。相对于以上的损伤修复，这类损伤的修复技术标准更加严格。一些研究者针对复合材料的穿透损伤，通过建立不同的损伤的模型理论上进行介绍[9-12]。在实际修复过程中，首先需要结合复合结构穿透损伤的位置和面积大小采用合适的修复方式，当损伤穿透面积超过工艺标准时，需进行换新以保证整体性能的安全性。

1.6 其他类型损伤

除了以上常见的损伤外，在飞机服役过程中，复合材料结构也可能出现以下损伤：漆层故障。漆层损伤一方面是主要由于飞机起飞、降落过程中遭受较小程度且密集的冲击而导致的表面漆层损伤，如图6所示，针对这类的损伤修复需首先判定损伤程度；漆层出现的另外一种故障常出现处于飞机下部的复合材料结构的漏水孔附近，该部位常常会出现漆层起包，在进行这类故障的修复过程中需要注意排水、除潮、干燥过程。

图6 蒙皮漆层故障

2 结语

复合材料的优异性能决定着复合材料未来的应用趋势，对维修企业而言，随之而来的是复合材料维修量、损伤维修类型等方面的增加。国内针对复合材料的修复主要采用铆接、挖补、注胶等方式，这类修理模式也常常面临整体结构性能下降的风险，对于飞机的飞行安全产生严重的威胁，因此亟须寻找一种既方便又安全的修理模式。目前，一些研究者研究了金属和复合材料粘接后再经受恶劣环境的性能改变，为今后的飞机金属蒙皮维修提供了一种新的方向。另外，一些学者提出了使用“铆+粘”新的修理模式。随着复合材料的应用增加，在未来的复合材料的修复技术将会最小程度地降低复合材料的修复性能参数。