复合材料缺陷修补技术

2015-01-06王莹

粘接 2015年6期

关键词：铺层结构件碳纤维

王莹

（中航飞机西安飞机分公司复合材料厂，陕西西安 710089）

复合材料缺陷修补技术

王莹

（中航飞机西安飞机分公司复合材料厂，陕西西安 710089）

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。复合材料在生产使用过程中会产生各种缺陷。本文介绍了复合材料的修复技术。

复合材料；缺陷；修补

1 概述

随着对飞机性能要求的不断提高，复合材料零件将更加广泛地应用于飞机的各个结构中。但是复合材料零件加工制造过程不同于金属零件，是通过树脂基体以及树脂与纤维之间的界面在成形模具内经过加热、加压，发生物理、化学等变化，固化而成的，其在成形过程中易受到固化温度、以及化学放热等影响，从而产生各种成形缺陷，如零件变形、分层和孔隙率过大等。由于复合材料制造过程较难对各种工艺参数进行精确控制，造成复合材料质量不稳定，离散性大。在生产实践中，即使是经过研究和试验制定的合理工艺，在结构件的制造过程中还可能产生缺陷，引起质量问题，严重时还会导致整个结构件的报废。因此，研究复合材料，尤其是国产碳纤维复合材料结构件的缺陷分类及维修方法是目前迫切需要解决的问题。

1.1 国外研究现状

飞机复合材料结构的维护/维修开始于20世纪70年代初期，澳大利亚航空和海运研究室（AMRL）的Alan Baker博士等，对飞机复合材料修复技术进行了开创性研究，并用碳纤维复合材料（CFRP）和硼纤维复合材料（BFRP）为澳大利亚皇家空军（RAAF）修补了大力神C-130、幻影、F-111、麦卡奇等飞机。根据不完全统计，到2010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80 000例。目前，国外复合材料结构的维护/维修技术达到了很高的技术水平，已进入实用阶段。

1.2 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CBM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。目前，对于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。由于外场修补受到条件的制约，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。因为是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。

1.3 主要差距

国外复合材料维护/维修技术方面采用高强度复合材料胶接修补受损伤飞机已经进入实用阶段。而目前国内只能进行进口碳纤维复合材料损伤缺陷的修补。国产碳纤维复合材料损伤缺陷修补还处于实验室研究阶段。

2 碳纤维修补技术

国产碳纤维结构件缺陷分类及维修方法主要包括损伤检测、损伤判定和损伤修复技术。根据不同部位的受力情况、损伤破坏情况及其对结构完整性的影响进行分析，并根据损伤的类型、损伤程度以及剩余强度，制定适宜的修理方案。主要有实体层压板、蜂窝夹层件、复合材料部件装配中引起的缺陷返修及典型缺陷修补方法。

1）实体层压板的修补技术：皱折、波纹或凹陷、外来杂质损伤、切痕或槽痕损伤、缺胶损伤、打磨过分或伤及纤维的损伤、边缘分层损伤等的修补方法。

2）针对复合材料蜂窝夹层件的修补技术：芯子挤压的返修、芯子上及其斜面边缘的凹陷的返修、透过芯子穿孔的返修、灌封区空腔的返修、芯子与蒙皮分层的返修等。

3）针对复合材料部件装配中引起的缺陷返修技术：零件分层的返修、空隙、疏松、贫胶等的返修；制孔缺陷、锪窝缺陷、铰孔缺陷（主要是表面分层，层数较少）的返修；铆接时缺陷、螺接时缺陷的返修、扭曲/变形的返修。

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；（2）对因修补而带来的增重有一定的限制，即增重小；（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；（5）修补中使用的设备与工具要少，要轻，即可操作性要好。

复合材料的修补过程主要包括以下环节：

1）修补流程

修理前准备—修理区域表面准备—配胶与浸胶—铺层—固化—清理—机械加工—检验—包装—交付。

2）确认和给出修补方法

修补是为了恢复零件的完整性以达到结构上可接受的水平。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。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、烘箱、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。

3）修补材料：采用的主要材料如预浸碳布、预浸玻璃布、干玻璃布、环氧胶、胶膜等，要根据实际要求进行选用。采用的辅助材料如真空袋、隔离膜、密封胶带、透气毡、吸胶材料等。

4）修补设备与工具：修补仪、热压罐、烘箱等等。

5）修补环境要求：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HB、GJB相关标准执行。其他操作应在干净的环境中进行。建议环境温度15～30℃，相对湿度不大干70%。

6）缺陷修补方法：现有复合材料包括层压板和夹层结构的修补技术并无统一标准可循，修补方案均见诸于各个公司的内部技术资料中或处于在研之列，虽然有挖补修理、填充修理、贴补修理、注胶修补、封边修补、挖补和机械方法修补等类型，但从实用上分析依然是注胶法和挖补法比较切合实际。表1至表5列出了本项目拟采用的5种具体修补实施方案。

3 结语

目前复合材料的典型性损伤与典型性修补方法已基本定型，但是如何恢复修补后零件的完整性，如何使零件修补后增重较低，还需要进一步研究与探索。

On techniques of repairing defects of composite parts

WANG Ying
(Composites Factory of AVIC Xi'an Aircraft Branch, Xi'an, Shaanxi 710089,China)

The polymer matrix composites have been widely used in the aeronautics and astronautics fields to reduce the weight, enhance the performance and decrease the fuel consumption, and considered as the new generation of aeronautical structural materials after aluminium, steel and titanium. The polymer matrix composites can produce various defects during their manufacture and use, this paper introduced the techniques of repairing the defects of the polymer composites parts.

polymer matrix composite;defects;repair

表1 表面缺陷的消除、填充和整形修理Tab.1 Removing，filling and shape repairing of surface defects

表2 空腔和分层的注胶修理Tab.2 Injection repairing of voids and delaminations

表3 损伤孔/埋头孔的修理Tab.3 Repairing of damaged holes and counterbores

表4 损伤蜂窝芯的去除Tab.4 Removing of damaged honeycomb cores

6 7 8 9 1 0修补蜂窝芯。预浸料修理铺层铺贴比最大修理铺层至少大1.59 mm的胶层（湿法铺贴修理不需要胶粘剂）。保持零件形状和提供修理铺层平滑过渡的垫片层。用修理铺层替换掉所有除去的结构铺层，且方向与原铺层一致（蒙皮和加强件）。一个与最近的修理层材料形同，方向相同的额外结构（加一层）铺层。结构修理的铺层在其替代和插入的原来铺层的上方应搭接大约12.70 mm。固化：根据预浸料的固化参数。无损检查：对零件进行100%缺陷检查。总检：检查零件表面质量。