王 瑩

（中航飛機(jī)西安飛機(jī)分公司復(fù)合材料廠，陜西 西安 710089）

復(fù)合材料缺陷修補(bǔ)技術(shù)

王 瑩

（中航飛機(jī)西安飛機(jī)分公司復(fù)合材料廠，陜西 西安 710089）

在航空航天領(lǐng)域，為了減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高飛行器性能和降低燃油消耗，樹脂基復(fù)合材料得到大量使用，已經(jīng)迅速發(fā)展為繼鋁、鋼、鈦之后的又一航空結(jié)構(gòu)材料。復(fù)合材料在生產(chǎn)使用過程中會(huì)產(chǎn)生各種缺陷。本文介紹了復(fù)合材料的修復(fù)技術(shù)。

復(fù)合材料；缺陷；修補(bǔ)

1 概述

隨著對(duì)飛機(jī)性能要求的不斷提高，復(fù)合材料零件將更加廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)的各個(gè)結(jié)構(gòu)中。但是復(fù)合材料零件加工制造過程不同于金屬零件，是通過樹脂基體以及樹脂與纖維之間的界面在成形模具內(nèi)經(jīng)過加熱、加壓，發(fā)生物理、化學(xué)等變化，固化而成的，其在成形過程中易受到固化溫度、以及化學(xué)放熱等影響，從而產(chǎn)生各種成形缺陷，如零件變形、分層和孔隙率過大等。由于復(fù)合材料制造過程較難對(duì)各種工藝參數(shù)進(jìn)行精確控制，造成復(fù)合材料質(zhì)量不穩(wěn)定，離散性大。在生產(chǎn)實(shí)踐中，即使是經(jīng)過研究和試驗(yàn)制定的合理工藝，在結(jié)構(gòu)件的制造過程中還可能產(chǎn)生缺陷，引起質(zhì)量問題，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)件的報(bào)廢。因此，研究復(fù)合材料，尤其是國(guó)產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的缺陷分類及維修方法是目前迫切需要解決的問題。

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的維護(hù)/維修開始于20世紀(jì)70年代初期，澳大利亞航空和海運(yùn)研究室（AMRL）的Alan Baker博士等，對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了開創(chuàng)性研究，并用碳纖維復(fù)合材料（CFRP）和硼纖維復(fù)合材料（BFRP）為澳大利亞皇家空軍（RAAF）修補(bǔ)了大力神C-130、幻影、F-111、麥卡奇等飛機(jī)。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到2010年，復(fù)合材料用于各類飛機(jī)結(jié)構(gòu)件以及復(fù)合材料本身的損傷修復(fù)已經(jīng)超過80 000例。目前，國(guó)外復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的維護(hù)/維修技術(shù)達(dá)到了很高的技術(shù)水平，已進(jìn)入實(shí)用階段。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

隨著我國(guó)飛機(jī)數(shù)量的增加和換代速度的加快，例如垂尾前緣與翼尖、前艙儀表保護(hù)罩、前起落架撐桿整流罩、中央翼艙蓋以及平尾傳動(dòng)整流罩等零部件，就是用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和碳纖維有機(jī)織物CBM增強(qiáng)的復(fù)合材料等制作的。由于疲勞開裂、熱老化、磨損、外來物撞擊等原因，飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件在使用中會(huì)出現(xiàn)各種不同的損傷。目前，對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)主要分為外場(chǎng)修補(bǔ)和廠內(nèi)修補(bǔ)。外場(chǎng)修補(bǔ)主要是指攜帶修補(bǔ)材料、修補(bǔ)設(shè)備到機(jī)場(chǎng)針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在使用過程中受到的損傷進(jìn)行修補(bǔ)。由于外場(chǎng)修補(bǔ)受到條件的制約，所采用的修補(bǔ)材料大多為復(fù)合材料修補(bǔ)貼片，修補(bǔ)操作比較簡(jiǎn)便；修補(bǔ)設(shè)備為便攜式修補(bǔ)儀，對(duì)修補(bǔ)部位施加的壓力最大為1個(gè)大氣壓，與復(fù)合材料成型過程中所受到的4～5個(gè)大氣壓相差較大，對(duì)修補(bǔ)后復(fù)合材料性能的恢復(fù)有一定影響。外場(chǎng)修補(bǔ)可進(jìn)行臨時(shí)性修補(bǔ)和永久性修補(bǔ)。廠內(nèi)修補(bǔ)是指在生產(chǎn)車間，利用復(fù)合材料的生產(chǎn)或修補(bǔ)設(shè)備對(duì)復(fù)合材料在制造或使用過程中存在的缺陷或損傷進(jìn)行修補(bǔ)。因?yàn)槭峭耆凑丈a(chǎn)條件對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行修補(bǔ)，修補(bǔ)后的復(fù)合材料可最大程度恢復(fù)材料性能。

1.3 主要差距

國(guó)外復(fù)合材料維護(hù)/維修技術(shù)方面采用高強(qiáng)度復(fù)合材料膠接修補(bǔ)受損傷飛機(jī)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段。而目前國(guó)內(nèi)只能進(jìn)行進(jìn)口碳纖維復(fù)合材料損傷缺陷的修補(bǔ)。國(guó)產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料損傷缺陷修補(bǔ)還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

2 碳纖維修補(bǔ)技術(shù)

國(guó)產(chǎn)碳纖維結(jié)構(gòu)件缺陷分類及維修方法主要包括損傷檢測(cè)、損傷判定和損傷修復(fù)技術(shù)。根據(jù)不同部位的受力情況、損傷破壞情況及其對(duì)結(jié)構(gòu)完整性的影響進(jìn)行分析，并根據(jù)損傷的類型、損傷程度以及剩余強(qiáng)度，制定適宜的修理方案。主要有實(shí)體層壓板、蜂窩夾層件、復(fù)合材料部件裝配中引起的缺陷返修及典型缺陷修補(bǔ)方法。

1）實(shí)體層壓板的修補(bǔ)技術(shù)：皺折、波紋或凹陷、外來雜質(zhì)損傷、切痕或槽痕損傷、缺膠損傷、打磨過分或傷及纖維的損傷、邊緣分層損傷等的修補(bǔ)方法。

2）針對(duì)復(fù)合材料蜂窩夾層件的修補(bǔ)技術(shù)：芯子擠壓的返修、芯子上及其斜面邊緣的凹陷的返修、透過芯子穿孔的返修、灌封區(qū)空腔的返修、芯子與蒙皮分層的返修等。

3）針對(duì)復(fù)合材料部件裝配中引起的缺陷返修技術(shù)：零件分層的返修、空隙、疏松、貧膠等的返修；制孔缺陷、锪窩缺陷、鉸孔缺陷（主要是表面分層，層數(shù)較少）的返修；鉚接時(shí)缺陷、螺接時(shí)缺陷的返修、扭曲/變形的返修。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)提出的修補(bǔ)要求主要有：（1）足夠的強(qiáng)度、剛度要求，恢復(fù)結(jié)構(gòu)的承載能力和使用功能，即恢復(fù)結(jié)構(gòu)的完整性；（2）對(duì)因修補(bǔ)而帶來的增重有一定的限制，即增重??；（3）盡量保證原結(jié)構(gòu)光滑完整。對(duì)飛行器類構(gòu)件的外形修補(bǔ)，氣動(dòng)外形變化要小；（4）修補(bǔ)所用時(shí)間要針對(duì)不同的情況限定在一定的范圍內(nèi)，即時(shí)間要短；（5）修補(bǔ)中使用的設(shè)備與工具要少，要輕，即可操作性要好。

復(fù)合材料的修補(bǔ)過程主要包括以下環(huán)節(jié)：

1）修補(bǔ)流程

修理前準(zhǔn)備—修理區(qū)域表面準(zhǔn)備—配膠與浸膠—鋪層—固化—清理—機(jī)械加工—檢驗(yàn)—包裝—交付。

2）確認(rèn)和給出修補(bǔ)方法

修補(bǔ)是為了恢復(fù)零件的完整性以達(dá)到結(jié)構(gòu)上可接受的水平。它是針對(duì)具體的缺陷和材料，而不是針對(duì)具體零件。質(zhì)量保證部門應(yīng)對(duì)損傷進(jìn)行評(píng)估和描述。有4 類固化方法可以使用在復(fù)合材料的修理上。它們是加熱毯、烘箱、熱壓罐和室溫固化。根據(jù)要求修理材料的狀態(tài)和實(shí)際情況，在不同的條件下使用不同的固化方法。修理過程中通常需要考慮的事項(xiàng)包括損壞零件的位置、修理設(shè)計(jì)、裝配、存在看不見的缺陷的可能性、設(shè)備限制、附近材料等因素。

3）修補(bǔ)材料：采用的主要材料如預(yù)浸碳布、預(yù)浸玻璃布、干玻璃布、環(huán)氧膠、膠膜等，要根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行選用。采用的輔助材料如真空袋、隔離膜、密封膠帶、透氣氈、吸膠材料等。

4）修補(bǔ)設(shè)備與工具：修補(bǔ)儀、熱壓罐、烘箱等等。

5）修補(bǔ)環(huán)境要求：根據(jù)具體單位的庫(kù)房、工作現(xiàn)場(chǎng)條件不同，應(yīng)該遵守適度從嚴(yán)的原則。有鋪層操作的工序盡量在凈化間內(nèi)操作，按HB、GJB相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。其他操作應(yīng)在干凈的環(huán)境中進(jìn)行。建議環(huán)境溫度15～30℃，相對(duì)濕度不大干70%。

6）缺陷修補(bǔ)方法：現(xiàn)有復(fù)合材料包括層壓板和夾層結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)技術(shù)并無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)可循，修補(bǔ)方案均見諸于各個(gè)公司的內(nèi)部技術(shù)資料中或處于在研之列，雖然有挖補(bǔ)修理、填充修理、貼補(bǔ)修理、注膠修補(bǔ)、封邊修補(bǔ)、挖補(bǔ)和機(jī)械方法修補(bǔ)等類型，但從實(shí)用上分析依然是注膠法和挖補(bǔ)法比較切合實(shí)際。表1至表5列出了本項(xiàng)目擬采用的5種具體修補(bǔ)實(shí)施方案。

3 結(jié)語(yǔ)

目前復(fù)合材料的典型性損傷與典型性修補(bǔ)方法已基本定型，但是如何恢復(fù)修補(bǔ)后零件的完整性，如何使零件修補(bǔ)后增重較低，還需要進(jìn)一步研究與探索。

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 空腔和分層的注膠修理Tab.2 Injection repairing of voids and delaminations

表3 損傷孔/埋頭孔的修理Tab.3 Repairing of damaged holes and counterbores

表4 損傷蜂窩芯的去除Tab.4 Removing of damaged honeycomb cores

6 7 8 9 1 0修補(bǔ)蜂窩芯。預(yù)浸料修理鋪層鋪貼比最大修理鋪層至少大1.59 mm的膠層（濕法鋪貼修理不需要膠粘劑）。保持零件形狀和提供修理鋪層平滑過渡的墊片層。用修理鋪層替換掉所有除去的結(jié)構(gòu)鋪層，且方向與原鋪層一致（蒙皮和加強(qiáng)件）。一個(gè)與最近的修理層材料形同，方向相同的額外結(jié)構(gòu)（加一層）鋪層。結(jié)構(gòu)修理的鋪層在其替代和插入的原來鋪層的上方應(yīng)搭接大約12.70 mm。固化：根據(jù)預(yù)浸料的固化參數(shù)。無損檢查：對(duì)零件進(jìn)行100%缺陷檢查?？倷z：檢查零件表面質(zhì)量。

表5 鋪層的去除Tab.5 Removing and laying up plies

TG494

A

1001-5922（2015）06-0083-04

2014-06-28

王瑩（1985-），女，主要從事復(fù)合材料零件制造技術(shù)的研究。E-mail：448173648@qq.com。