复合材料在飞机上的应用与修理

仇思 邓迪 仇恩

摘要：中国在飞机结构方面的研制水平不断提高，复合材料凭借其结构简单、维护便利、重量轻、使用寿命长、可靠性高的优势普遍应用于现代飞机结构，为飞机的有效载荷提高和起飞重量增加提供必要条件。由于飞机结构的复杂性，复合材料飞机结构的维修是摆在飞机结构从业人员面前的难题。

关键词：复合材料;飞机;应用;修理

复合材料是指有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的复合材料，它既能保留原有组分材料的特色，又通过材料设计使各组分的性能相互补充并彼此关联与协同，从而获得原组分材料无法比拟的优越性能。复合材料特别是先进的复合材料在民航飞机结构上应用越来越多，飞机复合材料结构在使用中经常会出现损伤，损伤原因、种类繁多且难以避免，下面笔者就飞机复合材料的修理谈谈自己的看法。

1 我国先进复合材料的发展现状

自20世纪70年代开始，复合材料的研究就已经在我国起步，经过近50年的发展，我国复合材料的技术水平得了巨大的提升，并且取得了显著的应用成效。现阶段，复合材料在飞机、火箭以及宇航器等领域的应用，正逐渐从次承力构件向主承力构件转变，在民机、军机、航空发动机、宇航器以及火箭等领域得到了广泛应用，即先进复合材料已经进入了实践应用阶段。与此同时，我们也要清醒地看到，与欧美等发达国家相比，我国的先进复合材料无论是在技术的发展上还是在研究成果上都存在一定差距，尤其是在先进复合材料的设计理念和应用规模上呈现出明显落后的局面。以军用战斗机为例，我国战斗机上的先进复合材料的运用比例普遍低于国外的先进战斗机，仅少数型号战机上运用的先进复合材料的比例超过20%，即使我国最先进的歼20战机，其先进复合材料的运用比例也只达到了27%。

2 复合材料在飞机上的应用

2.1 旋翼桨叶上的应用

通过对复合材料的早期使用，发现了复合材料的突出优点。其优良的抗疲劳性能、多通道加载的慢速传播和相对简单的成型过程都十分契合旋翼桨叶制造和使用。该材料的应用不仅提高了飞机运行的安全性，而且延长了叶片的使用寿命，降低了维护成本，提高了航空公司的经济效益。通过专业人员对新型旋翼桨叶的研究，研制了一系列新型飞机桨叶叶片。其主要特点是叶型从对称到完全弯曲，不对称;桨叶顶端的形状由矩形变为掠型和尖形，提高了叶片的载荷分布、振动、桨涡干扰和噪声特性，提高了转子的工作效率。该设计还实现了叶片性能的优化和减振降噪，在使用过程中取得了显著的效果。

2.2 机体结构上的应用

机体是典型的对重量敏感的结构，外形复杂且零件尺寸较大，适合复合材料在机体结构上的应用，提高机体的损伤容限，使飞机的操作更加安全可靠，满足飞机的碰撞吸收能量和隐身结构的设计要求。早期复合材料主要用于天线罩，副翼，襟翼等次承力结构。而随着复合材料技术的发展，飞机的机翼，尾翼，机身的主承力结构上复合材料的用量也大大增加。复合材料构件和铝合金构件相比，在重量、可靠性、生产成本和维护方面都有良好的效益。如复合材料在阀体和尾鳍和尾梁构件中的应用，能够有效的减轻重量和方便成型。

3 复合材料的损伤

复合材料在使用中始终保持完好无损、性能不变是不可能的，很多自然因素和人为因素都会造成复合材料的各种损伤，一般来讲，其常见的损伤形式有如下几种：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。制造过程中产生的损伤，如气孔等。

4 复合材料修理

4.1 非补片修理

在修理区域不加任何补片材料，主要用于修理比较小的缺陷和损伤，修理工序比较简单，在外场比较短的时间内即可完成修理工作。该修理方法主要有下列几种情况：

（1）注射法。层压板中脱胶、小分层及结构连接处缝隙等适用该方法进行修理。注射法在进行小损伤修理时具有较好的效果。具体方法是将配好的树脂注入损伤部位，并给损伤部位加热进行固化，通过注射树脂来修复填补损伤。

（2）混合物填充法。该法在复合材料维修中与注射法类似，用树脂-短切纤维混合物替代树脂。这种方法在蜂窝夹层中进行损伤修理以及表面范围修复工作中具有良好的修复效果，可以修复飞机复合材料结构中较小的缺陷和损伤。

4.2 非补片式修理技术

根据补片的结构形式、补片材料及修理工艺的不同，可将补片修理分为以下几种方法：

（1）外搭接补片胶接法。此法可修理蒙皮或2mm厚的较薄层压板，在外场容易实现，且材料强度可恢复到70～100%，故该方法應用比较广泛。

（2）外搭接补片螺接法。本方法适用于修理厚层压板（8～25mm），一般补片为金属材料，如吕、钛等，修理较为简便，适用于外场紧急修理。

4.3 注意事项

1）树脂与纤维层之间的重量比例要按照手册要求保证准备。

2）确保每一层纤维布安装方向与修理区域对应手册标示的纤维层方向一致，以保证面板正确的强度。

3）使用锋利的剪刀裁剪纤维布，标记纤维方向;确保纤维丝没有断裂或损坏，纤维布没有任何损坏或污染。

4）检查损坏的区域时，特别注意检查相邻的结构状况。

5）复合材料修理完成后，应根据手册要求对飞机进行称重，并确保飞机重心在限制范围以内。

6）完成操纵舵面复合材料修理后，应严格执行舵面称重、配平工作。

7）完成修理后，确保所有漏水孔、通气孔应无堵塞。

8）禁止皮肤接触到树脂、固化剂、清洁溶剂等，以免造成损伤。

9）任何复合材料修理必须严格按照手册对应程序执行。

综上所述，航空技术是一个国家工业水平先进与否的判定标准。航空技术发展程度越高，需要的航空材料性能越强，航空复合材料的出现对于推动航空领域的发展具有举足轻重的意义。国际航空发达国家占据了复合材料研发的先机，我国航空领域的进步必须完成复合材料发展的后来居上。我们必须认清复合材料的重要意义，利用后发优势，多方位营造复合材料的研发环境，缩小与国际先进水平的差距，实现我国航空技术的超越。

参考文献

[1]宋吉.基于高分子复合材料的飞机结构件研究进展[J].塑料工业，2018，46（10）：17-21.

[2]张伟，赵荃.民用飞机复合材料平尾翼根整流罩设计与验证[J].机械设计与制造工程，2018，47（09）：80-85.

[3]胡师锋. 复合材料层合板贴补修理的研究[D].暨南大学，2018.