复合材料的维修

复合材料的维修凌云集团技术处杨宗邦第一章复合材料修理的预备知识第一节概述复合材料飞机结构在使用中经常出现损伤，损伤的原因很多，而且很难避免，这就要求飞机复合材料结构设计人员在设计中要充分考虑复合材料结构的可修复性，并提供优质、高效、低成本的修理技术。大多数修理都是在飞机定期检查（定检）时进行的，但也有特殊紧急情况。为此，可将修理分为两种类型：临时性修理和永久性修理临时性修理也叫外厂紧急修理，这种情况切实可行的办法是采用金属补片机械连接。永久性修理业叫返厂修理（或内厂修理），一般在飞机定检时进行，当损伤比较严重时，应将可拆卸的部件送到复合材料维修中心进行修理。第二节修理复合材料结构的设计原则所有复合材料结构，特别是易受到损伤的部件，在设计时就应考虑到可修理性、修理技术的可行性、有效性和经济性。同时，应使修理后的结构强度和刚度恢复尽可能的高，重量增加尽可能的小，还应恢复原结构的功能，保持原结构的光滑完整。为此，设计中应考虑下列修理的设计原则：（1）易损部位应留有修理通道，即提供足够的检查空间和使用钻孔、铆接工具的空间。（2）易损部位复合材料结构的连接尽可能采用螺接，以便受损后易于拆卸修理和更换（3）易损部位应考虑修理余量，以保证修理时扩孔、加开连接螺栓孔后仍有足够的强度。（4）复合材料结构上安装金属接头等其他零件时应尽可能采用螺接，而不采用胶接，以利于拆卸，方便维修。（5）组合结构构件的修理一般比整体结构构件要容易得多，因此在满足结构设计原则的前提下，复合材料构件尽可能采用组合结构形式，如图1-1所示。（6）应按各部位刚度和强度的重要性，将部件划分若干个区域。图1-1整体件与组合件第三节复合材料的损伤及分类复合材料在使用过程中始终保持完好无损、性能不变是不可能的，很多人为因素和自然因素都会造成复合材料的各种损伤。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：大到与跑道上的车辆、设施相撞，小到与跑道上飞起的石子、砂砾，空中飞来的冰雹、小鸟及工作人员失落的工具等相撞所造成的损伤（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。（7）制造过程产生的损伤，如气孔等。根据损伤的程度和损伤的部位的重要性，可将复合材料飞机结构的损伤分为三大类：许可（允许）的损伤可修理的损伤不可修理的损伤第四节修理区域的划分和修理容限的规定一、修理区域的划分飞机结构各部分对强度和刚度要求的重要程度是不同的，对可修理性及修理方法的要求自然也不相同。设计人员应在设计阶段根据结构的特点、强度和刚度的要求，对结构部件进行分区，各分区应具有不同的可以接受的损伤程度及相应的修理技术。目前国内设计人员还缺乏这方面的知识，可参考国外的经验。现举一例供参考：图1-2是空客公司A310飞机碳纤维复合材料减速板修理区域的划分图。该图将减速板分为6个区域，每个区域采用不同的修理方法。图1-3提供了每个区域可接收的损伤程度和可采用的修理方法，并给出了各种修理方法下的寿命。（本例虽是减速板肋间损伤修理实例，但其原则对其他部件也适用）二、修理容限的规定修理容限是指修与不修、能修与不能修的界限。影响其修理容限的因素很多，如不同的结构形式、不同的材料体系、不同类型的飞机都有不同的规定。首先要根据缺陷和损伤的类型，检测出其大小和范围，根据指定的生产和使用中允许的缺陷和损伤标准，来确定修与不修的界限。这里的关键是缺陷和损伤许用标准的确定。通常，每种结构都有其自身特有的损伤包容能力。如F-18的修理指南规定：压痕深度小于0.4mm分层直径小于13.0mm开胶直径小于19.0mm可不修理，照常使用。经验表明，大多数复合材料结构都能包容损伤当量直径小于20mm的各类损伤。当缺陷和损伤大大超过了一定得量值时，结构修理难于达到标准要求或在经济上已不合算，只好报更换构件。如波音公司规定：缺陷和损伤的范围大于构件面积的15%时报废不再修理。F-18规定蜂窝结构分层直径大于50mm，开胶直径75mm，层压板分层直径大于75mm时，报废不再修理。对于重要的复合材料构件，有专门的技术文件控制损伤的大小，该文件与设计图纸配套使用，以保证产品的质量。但一般还是由《结构修理手册》提供。第五节复合材料修理的分类从不同的角度，复合材料的修理方法不同，主要有如下几种分类方法：1.根据修理区域加不加补片分为两类（1）非补片式修理在修理区域不加任何补片材料，主要用于修理小的损伤和缺陷，修理工艺简单，一般都能在外场条件下短时间内完成修理工作。该修理方法主要有下列几种情况：•树脂注射法该方法主要用于修理层压板中小的分层、脱胶及结构连接处的空隙等。将配置好的树脂在一定压力下注入损伤部位，并给损伤部位加热固化。如果损伤部位不在结构的边缘，还需开注射孔。•混合物填充法该法与树脂注射法类似，用树脂与短切纤维的混合物取代树脂。这种方法可修理蜂窝蒙皮和芯子的损伤，还可修理连接孔的磨损及扩张。•热处理法本方法主要用于除湿、干燥剂及去除蜂窝结构中的潮气。•表面涂层法表面涂层法是密封、恢复表面保护层，起装饰、防雷击、防静电等作用，主要用于表面损伤的修理。•抽钉法采用抽钉铆接并加密封剂密封的方法，主要用于修理层压板内部的分层、脱胶。（2）补片式修理方法本方法适用于修理较大的损伤和缺陷，修理工艺比较复杂。根据补片材料、补片的结构形式及修理工艺，又可将补片修理分为以下几类：•外搭接补片胶接法该法可以修理2mm厚的较薄层压板或蒙皮，在外场条件下这种方法较容易实现，且强度可恢复到70%～100%，故该方法应用比较广泛。▲补片的材料有如下几种：——复合材料单向带，一般与母体材料铺层相同；——复合材料织物；——金属材料，一般为钛或铝板，用胶粘剂粘贴在一起。▲胶接工艺有以下几种：——预固化：先将补片预固化，后再与母体材料胶接；——共固化：即湿铺贴或预浸料热胶接法。湿铺贴是在母体材料（被修理件）上进行铺贴，为了弥补修理层固化压力偏低给强度带来的损失，在修理层的最外面通常要覆盖面1～4层附加铺层。预浸料热胶接法与湿铺贴法基本相同，所不同的是在铺贴预浸料之前先铺一层胶膜，且要求加热固化，修理后的部件强度恢复要比湿法铺贴高得多。•外搭接补片螺接法本方法适用于厚层压板（8～25mm）的修理，补片材料一般为金属材料，如钛、铝等，修理工艺简单，不需要特别的专业人员和太多的修理设备，故非常适用于外场紧急修理。•嵌入式补片修理（不含蜂窝芯修补）该方法适用于修理含穿透性或半穿透性损伤较厚的零部件。修理时需要去掉一部分母体材料，便制成斜面或台阶面，工艺较复杂，耗时较多，一般在永久性修理时采用，效果较好。接头形式有两种：斜削式和阶梯式。补片材料一般为复合材料单向带，铺层结构与母体相同，固化形式也有两种：预固化和共固化。2.根据损伤程度和性能要求分为四种类型（1）临时性修理（暂时性修理）这种修理主要针对许可损伤或有时间限制的许可损伤进行修理或实施保护性措施。可用结构性材料或非结构性材料，能满足强度要求，并含有装饰性的目的，但受时间和飞行起落次数的限制，在修理时限结束时，这种修理必须被去除和代替。这种修理也叫“C级临时性修理”。（2）过渡性修理这种修理主要针对有时间限制的许可损伤和可修理的损伤，因不具备永久性修理的条件而进行的过渡性修理。该修理要求恢复部件的强度，但不能恢复部件的耐久性，它有不同于原始部件的检查间隔和检查方法，最终也要被永久性修理所取代。这种修理也叫“B级过渡性修理”。（3）永久性修理该修理能在飞机寿命期限内，恢复并保持飞机结构完整性（即要求强度也要求耐久性）的修理方法。一般可在飞机“C”检完成，其检查时间和检查间隔与原始部件相同，这种修理也叫“A级损伤允限修理”。（4）更换部件损伤严重，无法用修理来恢复其结构的完整性，即使能修理，但经济不合算，故更换零部件是唯一的办法。第二章修理程序虽说复合材料的修理分类很多，但其具体修理方法主要就是湿铺贴法和预浸料法（其中有少量的机械法，如铆接、螺接等）其修理的大体程序基本相似。第一节修理程序具有代表性的较全面的修理程序如下：——材料识别——标明损伤区域——切除损伤材料（如蒙皮、蜂窝芯等）——切口（坡形或台阶形）打磨或去除表面层——干燥修理区域——清洁修理区域——安装新蜂窝芯（如果损坏了）——固化蜂窝芯（如果损坏了）——铺贴修理层——检查修理结果——封严修理区域——重新喷涂面漆此外，除去上述主要程序外还有一些附加作用，如对于湿铺层修理有：▲调配树脂胶▲发泡胶带粘接蜂窝芯▲浸布对于预浸料修理有：▲使用发泡胶胶条▲用胶膜粘接铺层第三章各种损伤的修理第一节表面损伤的修理常见的表面损伤包括表面1.5mm左右深的凹陷、起皱、划伤、气泡或分层，其中以表面划伤最为常见。表面划伤对部件强度的影响见图3-1所示。表面损伤的修理方法：——用树脂填充划伤、刻痕，固化后磨平、涂漆；——用混合物（相当于腻子）填充吹沙后的损伤区；图3-1表面划伤对拉伸强度的影响——用清洁剂清洗凹陷区，后用胶黏剂填充，固化后去除多余物，如需补漆再涂刷底漆面漆；——将冷树脂注射到气泡或分层区，室温固化。该法只适用于﹤25mm的损伤区。固化时可用重物或夹紧法对构件施加压力。第二节分层的修理构件边缘是最易出现损伤的区域。边缘开胶和分层可采用树脂注射法或混合物填充法进行修理，固化时要施加压力。该法已广泛用于碳纤维复合材料的边缘分层修理。层压板内的分层可采用抽钉法修理。见图3-2图3-2分层修理第三节冲击损伤的临时性修理临时性修理大多在外场进行，需要的设备、条件简单，并可在短时间内完成。这种修理一般寿命较短，应在其限定寿命内由永久性修理取代。图3-3是不同部位和不同程度的蒙皮损伤修理，该修理只能保证1000fh寿命。临时性修理也可使用胶接方法修理，但有相关尺寸的要求，如图3-4所示。图3-3蒙皮损伤的临时性修理（a）仅用于蒙皮损伤修理图3-3蒙皮损伤的临时性修理（b）肋缘条蒙皮损伤修理图3-4碳纤维复合材料蒙皮临时性胶接修理第四节冲击损伤的永久性修理永久性修理的目标是恢复复合材料构件的结构完整性。可采用外搭接补片胶接或螺接法，也可采用嵌入式修理方法。具体要根据损伤的部位、程度及构件的类型来决定。一、蒙皮/肋结构的修理1.一般采用外搭接复合材料补片胶接或螺接方法。典型的修理方案如图3-5和图3-6。如在两肋之间出现较大面积损伤，补片除胶接外还应使用埋头抽钉铆接，进一步强化修理强度。见图3-6。图3-5小面积蒙皮的永久性修理图3-6大面积蒙皮损伤永久性修理2.胶粘剂填充或填充加补片•蒙皮损伤不超过一个铺层的厚度采用胶粘剂填充固化，打磨平整，再涂漆的方法。如图3-7所示。图3-7不超过一个铺层深度蒙皮损伤永久性修理•蒙皮损伤不超过三个铺层的厚度这种情况，除用胶粘剂填充固化外，还。需在表面覆盖一外铺层，再恢复表面涂层。见图3-8。图3-8不超过三个铺层厚度的永久性修理•蒙皮损伤超过三个铺层厚度的埋头修理这种情况可用室温固化湿铺层或预浸料热补的方法。详见图3-9。图3-9湿铺层或热补法埋头永久性修理二、蜂窝夹层结构的修理蜂窝夹层结构是容易出现损伤的构件。由于该结构的面板较薄与蜂窝夹层有明显的胶接界面，故常易发生面板分层、板芯脱胶及面板损伤和蜂窝塌陷等毛病。1.面板中发生分层时，可采用抽钉铆接修理，如图3-10。面板和芯子出现脱胶时，可用注入胶粘剂固化的方法修理，如图3-11。图3-10蜂窝夹层板的分层损伤修理图3-11蜂窝夹层板的板芯脱胶修理2.蒙皮及蜂窝芯体有损伤的平直表面或蒙皮与芯体开胶大于30mm修理方法该方法是用预固化的复合材料内外加强件、空隙填充胶粘剂和胶粘剂进行修补，但要去掉少许芯体。详见图3-12。3.带有上蒙皮及蜂窝芯体损伤的平面或曲面可采用湿铺层或预浸料热补法该法适用于一般芯体损伤大于25mm的零部件。切除损坏的芯体。损坏蒙皮可湿铺法，也可预浸料热补法。如图3-13所示。（热补法芯体厚度不能