飞机复合材料修补技术的研究

摘要：随着通用飞机复合材料市场需求的扩大，所需的修补技术也日益受到广泛关注。本文主要介绍了通用飞机复合材料的损伤形式、复合材料修补的原则、修补方法及修补技术在复合材料中典型应用，为后续通用飞机复合材料修补技术奠定了理论基础。

关键词：复合材料；修补原则；修补方法

近年随着复合材料技术的成熟以及复合材料质轻、高强、结构功能一体化、设计制造一体化以及易于成大型制品等优点，使其复合材 料在通用飞机上的用量也大幅攀升，这已成为通用飞机先进性的重要技术指标之一。通用飞机用结构复合材料制品尺寸大、成本高，在生 产、运输和服役期间难免会产生缺陷或损伤，若不能及时有效的修补， 恢复原结构的使用性能，则只能降级使用甚至报废。因此，探索复合 材料的修补技术尤为重要。 一、复合材料的损伤形式

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。常见的损伤形式有：

（1）表面损伤：这种损伤主要伤及材料的表面或近表面，如擦伤、划伤、凹陷、气泡和分层等。

（2）冲击损伤：冲击损伤又分为高能量冲击和低能量冲击，子弹、发动机碎片、鸟撞等外来物冲击以及雷击等属于高能量冲击，通常产生穿透损伤，这些损伤均目视易检；维护设施的撞击，踩踏，螺钉、轮胎碎片以及冰雹的撞击等属于低能量冲击，这类冲击造成的损伤目视不一定能够检测到。

（3）分层：如层压板分层，面板与蜂窝芯分层等。

（4）脱胶：如胶接面脱胶，层压板脱胶及面板与蜂窝芯之间脱 胶等。 （5）慢性长期损伤：如疲劳裂纹等。

（6）渗水、吸潮损伤等。每个部件按其结构重要性不同分成不同的区域，根据不同区域的应力水平、由结构试验确定的安全系数以及结构的设计类型和几何形状，确定部件损伤的可接受水平：许可损伤、 可修补损伤、不可修补损伤。损伤评估一般按损伤程度确定、损伤结果评估、可接受损伤水平的确定等几个步骤进行。 二、通用飞机用复合材料修补的原则

2.1 根据受力及影响飞机安全的严重程度，分析损伤容限及剩余强度，确定是否修补或报废；2.2 修复后零件的完整性达到结构可接受的水平，可满足结构设计和强度设计的要求。2.3 可操作性强，对环境及设备的使用要求尽可能低；2.4 尽可能小范围修补，拆卸零件尽可能少，维持飞机的原气动外形；2.5 因修补产生的增重要尽可能小；2.6修补周期尽可能短；2.7 修补费用尽可能低。 三、复合材料结构修补技术

先进复合材料结构损伤的修补可用多种方法，大致可以分为用于小损伤的非补片技术和用于较大损伤需要修复传载路径的补片技术。补片可以用胶黏剂粘贴或者用机械紧固的铆接或螺接来安装。 3.1非补片修补技术

用于小损伤的非补片修理方法主要包括：树脂注射、灌注或填充、 熔接、表面涂覆等。1）树脂注射：主要用于连接部位的小空隙、小的分层、小的脱粘等轻微小损伤；这种方法无须去除损伤区域的材料， 只需将流动性和渗透性好的低黏度树脂直接注入分层和脱粘区域，使之固化粘合。2）灌注或填充：主要用于小的压陷、蜂窝板的蒙皮损伤、 蜂窝板的芯子更换、紧固件孔伸长等；3）熔接：主要用于热塑性基体复合材料内分层；4）表面涂覆：主要用于蜂窝板的密封、装饰性修理 （如小凹坑、划痕、脱漆等）。 3.2补片修补技术

补片修补技术主要包括：粘接补片、挖补嵌接补片、螺接补片、

（1）粘接补片：普通的外部粘接补片通常局限于薄蒙皮情况（例如， 最多为 16 层约 2mm 厚的碳 / 环氧树脂），当复合材料的厚度超过简单外部补片的修理能力时，则采用斜削的粘接补片。粘接补片无需钻孔， 对结构二次损失小，但是操作复杂、维修时间长，且需要提前对复合材料进行干燥处理，所以通常情况下粘贴补片法不会被用于修复主承力结构件或关键件上。（2）挖补嵌接补片：因为挖补嵌接补片修理具

有强度恢复率高、修理表面光顺等优点，所以是飞机蒙皮、壁板等复 合材料夹芯结构的首选维修方式 [13]，但是其对场地设备及人员熟练程度要求较高，操作复杂度高，工艺难度较大。（3）螺接补片：螺接 补片比较适合于厚层压板（3mm 以上）的外场修理，但是不适用于蜂窝结构，使用螺接补片的主要原因是对于外补片修理的应力要求超过 了胶黏剂的能力，虽然这种螺接补片修理操作简单，修理快速，无需 干燥，但是对结构损伤也较大，所以也将螺接和粘接结合起来使用来 达到优异的修理效果。 3.3微波快速修复

复合材料微波修复技术是指将微波引入复合材料修补领域，在修 复区注入微波吸收剂，以提高修复区材料的导电磁率，同时用特殊设 计的微波施加器对修复区施加微波能，使之在数十秒内形成新的、更 强的界面，将损伤或缺陷修复、连接固化。这种特殊设计可以使热量 直接加在修复区而不加热整个结构，这一方法在提供良好胶接的同时， 具有较高的效率，比较适用于现役飞机在各种环境下的现场快速修复。 3.4紫外线固化修复技术

由于紫外线固化技术是指在紫外光的作用下，其树脂体系中的光敏物质通过光化学反应产生活性粒子或基团，从而引发体系中的活性树脂进行交联聚合，使具有反应活性的液体物质快速转变为固态，是一种节能环保型新技术。由于其具有固化速度快、污染小、贮存时间长、 能在室温及低温下固化以及可以选择区域固化等优点，尤其适合复合材料外场修复，具有广阔的发展前景。如魏东等采用光固化复合材料补片作为修补材料，针对飞机蒙皮的修补进行了研究，结果表明该方法可以明显的延缓疲劳裂纹的起始扩展，增加试样的疲劳寿命。 3.5电子束固化树脂修理技术

电子束固化技术是一种新型辐射固化技术，其原理就是使用电子 束照射需要固化部位，使先进复合材料中的树脂基发生交联反应，进 而达到使材料固化的目的。电子束固化技术不需要较高温度、固化时 间较短、可适用于尺寸较大零件的修补固化、可精确选择固化区域、 树脂的存储期长、绿色环保。但是电子束固化与传统的复合材料固化 方式相比树脂品种较少。目前可以进行电子束固化并得到广泛工业应 用的环氧树脂品种主要包括：DOW 化学公司的低粘度双酚A 环氧树脂Tactix123，壳牌的双酚 F 型环氧树脂 Epon862，我国的双酚 A 型环氧618 和酚醛型环氧 648 等。 四、结束语

修补技术虽在通用飞机复材制件上具有一定的发展，但修理技术仍相对单一，技术含量仍具有局限性，在许多方面仍无法满足通用飞机快速高效修补的需要，同时目前修理成本较高，如何降低修理成本仍是后续需研究的重点。针对通用飞机的不同损伤形式，探索更为合理、 经济、高效的修补方式仍是后期亟待解决的问题。 参考文献

[1]孙雨辰 , 季佳佳 , 冯蕴雯 . 航空复合材料结构修理进展研究 [J]. 航空制造技术,2013(17). [2]陶义建 , 覃朗 , 朱志坤 . 飞机复合材料快速修补技术研究 [C]// 航空装备维修技术及应用研讨会.523-530.

[3]孙雨辰 , 季佳佳 , 冯蕴雯 . 航空复合材料结构修理方法 [J]. 航空制造技术,2015,490(20):96-100.

[4]李兆远．复合材料层合板挖补修理强度分析 [D]．南京：南京航空航天大学，2008. [5]徐 磊 . 飞 机 复 合 材 料 结 构 修 理 技 术 [J]. 科 技 视 界， 2015(15):2095-2457. [6]邹国发 , 马军．树脂基复合材料层压板结构挖补修理技术．洪都科技,2000． [7]陈绍杰. 复合材料修理指南．北京：航空工业出版社,2001．