黃振宇

（東方航空技術(shù)有限公司，上海 200050）

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是由至少2 種異形、異質(zhì)、異性材料復(fù)合而成的新型材料結(jié)構(gòu)，能夠匯集多種材料的優(yōu)點(diǎn)，獲得輕質(zhì)、抗腐、隔熱、減振等多重特性，且結(jié)構(gòu)加工有一定靈活性，在航空領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但受飛鳥、雷電、飛石等多種因素的影響，航空飛行器上的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)將發(fā)生多種故障，需要得到合理維修才能保證航空器安全、穩(wěn)定運(yùn)行。因此，應(yīng)加強(qiáng)航空領(lǐng)域復(fù)合材料結(jié)構(gòu)故障及維修研究，確保結(jié)構(gòu)價(jià)值得以充分發(fā)揮。

1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用情況

在航空領(lǐng)域，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)大致可以劃分為復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)兩類，多采用碳纖維和蜂窩結(jié)構(gòu)材料制成。其中，夾芯結(jié)構(gòu)由上、下蒙皮和芯子固化膠結(jié)構(gòu)成，蒙皮為薄面板，多采用樹脂基碳纖維、玻璃纖維等增強(qiáng)復(fù)合材料制成，芯子多采用蜂窩芯或泡沫芯。該類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)多用于飛機(jī)整流罩、方向舵、副翼等次承力部位，也常用于制作無人機(jī)等飛行器的機(jī)身，日常容易發(fā)生蒙皮分層、脫芯等故障，給結(jié)構(gòu)帶來較大危害。而層壓結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)設(shè)計(jì)性，能夠采用多種工藝方法制作各種結(jié)構(gòu)形式，在飛機(jī)等結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛，如機(jī)身、機(jī)翼等多采用該類結(jié)構(gòu)。層壓結(jié)構(gòu)主要使用碳纖維增強(qiáng)材料制成，容易發(fā)生分層、脫膠、表面損傷、穿孔等故障。

2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在航空領(lǐng)域的故障及維修

在航空領(lǐng)域，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)發(fā)生故障后能否維修，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)損傷程度確認(rèn)，只有故障位于非關(guān)鍵性位置且不嚴(yán)重的情況下才能實(shí)施維修，一旦故障發(fā)生造成整體結(jié)構(gòu)完整性被破壞，則需更換零部件。因此，在故障維修前，應(yīng)通過目視、X 射線法、超聲波技術(shù)等多種方法完成損傷區(qū)檢查，確認(rèn)故障范圍、損傷程度后，對(duì)照復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷容限范圍判斷能否通過修理恢復(fù)部件或構(gòu)件功能。結(jié)合故障維修實(shí)踐可知，主要可以將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)故障劃分為表面損傷、結(jié)構(gòu)分層、夾芯損傷、結(jié)構(gòu)穿透等類型，在完成故障評(píng)判的基礎(chǔ)上制定科學(xué)維修方案。

2.1 表面損傷故障及維修

表面損傷為常見故障，與航空器使用時(shí)操作不規(guī)范引發(fā)的飛機(jī)碰撞等原因有關(guān)，多發(fā)生在機(jī)身、機(jī)翼和艙門等位置，要求人員日常及時(shí)檢查和維修，避免損傷持續(xù)加大，導(dǎo)致復(fù)合材料結(jié)構(gòu)因應(yīng)力集中發(fā)生裂紋、分層等故障。表面損傷故障以劃傷、點(diǎn)蝕、凹坑等為主，屬于小區(qū)域故障，需要根據(jù)破損形式和長、深區(qū)分，要求未穿透結(jié)構(gòu)表層。通過目視初步判斷故障范圍和嚴(yán)重程度后，檢查是否存在水分、燃油等物質(zhì)浸入，清除后使用X 射線法確定損傷是否傷及玻璃纖維等深層區(qū)域。

在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面發(fā)生輕微損傷的情況下，可以通過涂覆樹脂方法完成結(jié)構(gòu)固化修補(bǔ)。如圖1 所示，為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)防磨帶結(jié)構(gòu)發(fā)生的表面損傷故障，由于長期受到氣流沖刷，該部位為最易磨損的復(fù)合材料零部件，需要定期檢修，發(fā)現(xiàn)磨損需填充耐磨環(huán)氧樹脂填料，并通過砂紙打磨將氣動(dòng)表面恢復(fù)。飛機(jī)機(jī)身等位置由于經(jīng)常受到小顆粒砂石等外來物沖擊，容易發(fā)生輕微擦傷、凹槽等損傷，可以通過涂覆環(huán)氧樹脂方法修補(bǔ)。具體來講，就是先用砂紙或打磨器將損傷區(qū)打磨干凈，期間禁止出現(xiàn)電火花，以防引發(fā)爆炸。參考維修圖紙，使用膠帶紙覆蓋修理區(qū)域四周，覆蓋范圍比損傷區(qū)大1 英寸。將損傷清理干凈后使用砂紙打毛后，用吸塵器除塵，使用抹布沾丙酮清理損傷區(qū)表面，確認(rèn)無灰塵后均勻涂覆樹脂，確認(rèn)固化后噴涂底漆和面漆，如果存在耐磨層、導(dǎo)電層等覆蓋層，應(yīng)按照原本結(jié)構(gòu)恢復(fù)表層。

圖1 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)防磨帶表面故障

表面發(fā)生劃傷、凹坑等故障傷及玻璃纖維的情況下，應(yīng)確認(rèn)夾芯結(jié)構(gòu)損傷鋪層數(shù)不超總數(shù)1/10，損傷長比2英寸小，寬小于0.25 英寸，且距離構(gòu)件邊緣比損傷區(qū)直徑1.5 倍大。針對(duì)層壓復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，要求損傷鋪層僅1 層，且損傷長不超3 英寸，寬不超0.25 英寸，損傷位置距離邊緣、緊固件孔等區(qū)域至少保持0.5 英寸距離。在結(jié)構(gòu)維修時(shí)，需根據(jù)損傷鋪層增加相同數(shù)量的增強(qiáng)層，具體可以采用膠結(jié)方法將修補(bǔ)貼片黏貼在結(jié)構(gòu)上，確保結(jié)構(gòu)恢復(fù)原本強(qiáng)度或剛度。貼片可以選擇金屬材料或復(fù)合材料，可以為固化的層合板或?yàn)楣袒念A(yù)浸料，需與損傷結(jié)構(gòu)一同固化。在保護(hù)好為損傷區(qū)域后，使用180 號(hào)細(xì)砂紙打磨修補(bǔ)區(qū)，去除損傷鋪層，并記錄清除的鋪層數(shù)。將修補(bǔ)片可能覆蓋孔使用碎纖維樹脂膠填充，將各打磨階梯覆蓋一層預(yù)浸料，并按照比相鄰下層大1英寸的尺寸制作上層修補(bǔ)片。完成與修補(bǔ)片同面積的纖維布剪切后，按照相同重量調(diào)樹脂膠，倒至纖維布上，上下覆蓋分離膜后將膠刮勻。制作的修補(bǔ)片應(yīng)立即使用，黏貼時(shí)保證修補(bǔ)片纖維方向和原結(jié)構(gòu)鋪層方向相同，確認(rèn)各故障區(qū)填鋪數(shù)量不能超過4 片。完成最小片貼鋪后，依次貼鋪上層修補(bǔ)片，然后使用密封袋密封修補(bǔ)區(qū)域，抽真空后等待修補(bǔ)片固化。檢查確認(rèn)修補(bǔ)效果合格后，使用砂紙打磨周邊，確認(rèn)損傷區(qū)與原本板件之間過渡順滑，并恢復(fù)構(gòu)件原本覆蓋層。

2.2 結(jié)構(gòu)分層故障及維修

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)發(fā)生分層故障，一方面,可能與結(jié)構(gòu)本身存在的制造缺陷有關(guān)。如材料制備時(shí)因操作不當(dāng)造成鋪層方向錯(cuò)誤、內(nèi)部空隙過多等問題發(fā)生，將引發(fā)材料性能缺陷。而在零部件裝配時(shí)發(fā)生碰撞，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)缺陷的產(chǎn)生，繼而造成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)經(jīng)過長時(shí)間使用后出現(xiàn)分層現(xiàn)象。另一方面，可能與航空器使用過程中長時(shí)間遭受惡劣天氣變載荷沖擊、溫度循環(huán)載荷作用等因素有關(guān)。因?yàn)閺?fù)合材料結(jié)構(gòu)由纖維、樹脂等不同材料結(jié)構(gòu)，熱膨脹系數(shù)存在差異，經(jīng)過長時(shí)間使用后受外力作用，容易發(fā)生分層情況。發(fā)生分層故障后，需要采用無損檢測法或敲擊法等方法確定損傷情況，通過檢查損傷區(qū)鋪層數(shù)量及變化，確定脫層具體尺寸，才能判斷是否可以維修。

在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)僅發(fā)生小面積分層故障時(shí)，可以通過注膠方法修補(bǔ)。在完成前期打磨、清理等操作后，可以直接在故障位置鉆設(shè)透氣孔和注膠孔，前者用于放置損傷部位處于真空狀態(tài)，后者用于填充膠材。在通過注膠孔注膠時(shí)，需使用壓力槍等工具，確保將膠孔注滿，消除內(nèi)部空隙，直至膠液從透氣孔中溢出。通過向修理部位加壓、加熱，能夠使填充物和修復(fù)結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合。通過向分層區(qū)域注膠，無須去除其他材料，可以利用樹脂固化修復(fù)纖維層結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定表板和密封損傷區(qū)，防止潮氣滲入和損傷持續(xù)擴(kuò)大。

在結(jié)構(gòu)分層面積稍大或故障由制造缺陷引發(fā)的情況下，首先應(yīng)確定夾芯結(jié)構(gòu)損傷直徑不超0.25 英寸，與其他損傷、邊緣區(qū)域距離至少達(dá)到損傷直徑2.5 倍。如果為層壓結(jié)構(gòu)，要求損傷直徑不超0.5英寸，與其他損傷、邊緣等區(qū)域距離同樣不小于損傷直徑2.5 倍。在結(jié)構(gòu)維修方面，針對(duì)厚度小的層合板，可以直接在外部增設(shè)補(bǔ)片，在膠接面分布均勻的情況下，不會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中問題，能夠使修補(bǔ)后的表面較為光滑。但結(jié)構(gòu)厚度較大，需在內(nèi)部增設(shè)補(bǔ)片。針對(duì)分層區(qū)域?qū)嵤┩谘a(bǔ)，鋪浸編制纖維布。從最上層開始鋪貼12.5mm 寬調(diào)節(jié)，從上至下完成最內(nèi)層鋪貼，在打磨邊緣打磨12.5mm 寬周邊加鋪層補(bǔ)片，可以保證修補(bǔ)后的結(jié)構(gòu)整體性能良好。

2.3 夾芯脫膠故障及維修

蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)多用于航空器透波性高的區(qū)域，如天線罩、雷達(dá)罩等，大多布置在迎風(fēng)區(qū)域，導(dǎo)致復(fù)合材料結(jié)構(gòu)長期受到碎石交變沖擊等各種外力作用的同時(shí)，受風(fēng)雨雷電等惡劣天氣影響，容易發(fā)生層合板與蜂窩間膠黏粒下降的問題，導(dǎo)致夾芯局部松軟。此外，結(jié)構(gòu)成型加工期間，未能做好固化溫度、壓力等參數(shù)控制，也將導(dǎo)致蜂窩和層合板間脫膠。在夾芯脫膠故障維修方面，應(yīng)根據(jù)故障大小和位置合理維修。

通過超聲波檢測等方法確定夾芯脫膠面積和部位后，確認(rèn)面積不超容限，且脫膠部位在非透波位置，可以通過注膠方式修理。在方法應(yīng)用過程中，應(yīng)保證注膠孔的直徑比蜂窩晶格尺寸小，同時(shí)注膠時(shí)應(yīng)將內(nèi)部濕氣、雜質(zhì)等去除，最后確保注膠型號(hào)和原本結(jié)構(gòu)相同。采用X 射線法進(jìn)行檢測，能夠確定蜂窩夾芯中是否含有水分。確認(rèn)含水后，應(yīng)在鉆孔后采用電熱毯和無油壓縮空氣去除蜂窩夾芯板內(nèi)的水分，如圖2 所示，確認(rèn)清除水分面積比損傷部位至少大4 英寸，確保后續(xù)取得理想注膠加固效果。

圖2 蜂窩夾芯水分去除方法

如果脫膠故障在透波區(qū)，需采用挖補(bǔ)法修理，采用全高度切除法將含缺陷的蜂窩夾芯去除。在切除夾層面板時(shí)，可以與夾芯進(jìn)行等孔距垂直切除，制作高度為原蜂窩和面板總高的補(bǔ)片，形成突出預(yù)浸料結(jié)構(gòu)。此外，也可以只垂直切除夾芯，層合板通過斜接法或階梯法局部切除，制作補(bǔ)片高與原本夾芯高相同。在填充夾芯時(shí)，確認(rèn)與孔保持0.025 英寸間隙，方便在周邊纏繞泡沫膠帶。清理毛刺和清潔后，將回填?yuàn)A芯區(qū)域密封和抽真空，完成夾芯固定，然后按照修補(bǔ)片方式處理層合板。

2.4 結(jié)構(gòu)穿透故障及維修

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)受強(qiáng)大瞬間沖擊力作用，可能發(fā)生穿透性損傷，如遇到鳥撞擊、雷擊等，結(jié)構(gòu)承受荷載將超出限值，給結(jié)構(gòu)帶來致命性損傷。穿透性損傷容限和脫層相同，如果超限需要更換新零部件，在限值內(nèi)可以通過更換夾芯結(jié)構(gòu)和補(bǔ)修層合板方式處理。

在故障維修過程中，需使用180 目砂紙打磨去除損傷區(qū)域，漏出夾芯后去除表面膠層，覆蓋纖維布、熱電偶等去除水分。對(duì)損傷區(qū)域進(jìn)行切除，形成圓滑輪廓后，按照切割線去除蜂窩芯體，偏移應(yīng)不超0.5in，防止未受損材料被切傷。期間，應(yīng)注意不暴露非楔形表面纖維，去除損傷部位后打磨楔形，層間尺寸為0.5in。完成表面清潔后，修整芯塊時(shí)應(yīng)留有一定余量，防止固化過程中發(fā)生塌陷。蜂窩條帶和原蜂窩芯方向一致，更換夾芯應(yīng)比去除部分小0.05in，方便纏繞發(fā)泡膠。將制作好的夾芯浸入丙酮溶液不超60s，確認(rèn)浸泡不超4 次，使用丙酮將污染區(qū)清洗干凈。安裝芯塊時(shí)，在孔內(nèi)未受損蒙皮內(nèi)側(cè)鑲嵌膠膜，壁孔大0.1in，然后將邊緣纏繞膠膜的芯塊填入，方向與原本相同，如圖3 所示，一次放置真空袋、鋪層材料、分離膜、熱電偶等進(jìn)行固化黏結(jié)，通過連接設(shè)備加壓固化至少120min。完成鋪層修理固化后，需開展成型質(zhì)量檢測，保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量合格。

圖3 蜂窩芯固化封裝

3 結(jié)語

在開展航空器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)故障維修工作時(shí)，首先應(yīng)通過做好前期檢查確認(rèn)結(jié)構(gòu)損傷程度，確保針對(duì)不同故障采取恰當(dāng)?shù)木S修方案。發(fā)生表面損傷、結(jié)構(gòu)分層等故障，在損傷較輕的情況下，可以通過涂覆樹脂、注膠等方式修補(bǔ)，損傷較重但未超限可以通過補(bǔ)片法修復(fù)。發(fā)生夾芯脫膠故障，根據(jù)故障區(qū)域采取注膠或挖補(bǔ)方式修補(bǔ)。針對(duì)結(jié)構(gòu)穿透故障，未超工藝標(biāo)準(zhǔn)可通過更換芯體修補(bǔ)，否則，需更換新的零部件。通過合理運(yùn)用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)故障維修技術(shù)，保證結(jié)構(gòu)修復(fù)效果良好，才能為航空器正常運(yùn)行保駕護(hù)航。