浅谈复合材料在飞机上的应用与修理

黎鼎锋

【摘 要】近年来，我国在飞机结构方面的研制水平越来越高，在这个过程中，复合材料凭借着简单的结构、较轻的重量、较长的使用寿命等优势开始被广泛应用在飞机结构上，给飞机的有效载荷提高与起飞重量增加提供了必要基础条件。基于此，本文将主要分析复合材料在飞机上的应用与修理的相关内容。

【关键词】复合材料；飞机；应用；修理

一、复合材料概述

1.基本分类

复合材料在本质上是一种混合物，近年来，它在各个领域都得到了广泛应用，取代了很多传统材料。一般来说，按照组成材料可以将其划分成金属和金属复合材料、非金属和金属复合材料、非金属和非金属复合材料。按照它的结构特点又能够分为以下几种：第一，纤维增强复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。第二，夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。第三，细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。第四，混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。

2.成型方法

复合材料的成型方法按基体材料不同各异。树脂基复合材料的成型方法较多，有手糊成型、喷射成型、纤维缠绕成型、模压成型、拉挤成型、RTM成型、热压罐成型、隔膜成型、迁移成型、反应注射成型、软膜膨胀成型、冲压成型等。金属基复合材料成型方法分为固相成型法和液相成型法。前者是在低于基体熔点温度下，通过施加压力实现成型，包括扩散焊接、粉末冶金、热轧、热拔、热等静压和爆炸焊接等。后者是将基体熔化后，充填到增强体材料中，包括传统铸造、真空吸铸、真空反压铸造、挤压铸造及喷铸等、陶瓷基复合材料的成型方法主要有固相烧结、化学气相浸渗成型、化学气相沉积成型等。

二、复合材料在飞机上的应用

1.在机体结构的应用

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。

2.在旋翼桨叶的应用

通过早期对复合材料的尝试性使用，发现了复合材料的突出优点，其优异的抗疲劳性、多路传载缓慢的裂纹扩展、简易的模压成形工艺都在旋翼桨叶上得到了体现。符合材料的应用不仅提高了飞机运行的安全，还降低了桨叶的使用寿命，降低维修成本，增加了航空公司的经济效益。通过专业人员对新翼型的研究，今年来我国研发了一系列新型飞机桨叶翼型。主要的特点是，翼型从对称型变成了全弯曲、非对称；桨尖形状从矩形变成了后掠、尖削，改善了桨叶的载荷分布、振动、桨涡干扰和噪声特性，并提高了旋翼的工作效率。设计人员还实现了桨叶性能和减振降噪的优化，并在运行过程中取得了显著成效。

3.在桨毂的应用

桨毂的复合材料应用相对桨叶来说更加的困难。纤维缠绕环套式桨毂，能够减轻桨毂的重量，提高安全性和可靠性。纤维缠绕内、外环式桨毂盘能够进行多路传载，不仅美观还安全。球柔性铰接式桨毂结构简单紧凑，需要定期进行维护，成本低。整体式的桨毂/旋翼轴组件能较少飞机的当量废阻面积和耗油量，新型复合材料桨毂的柔性梁变形桨叶的挥舞、变矩运动、摆振的无轴承桨毂结构，是旋翼技术领域的重大突破。

三、飞机复合材料结构修理

1.非补片式修理技术

（1）混合物填充法

混合填充法和注入法非常相似。主要的填料是树脂混合物。然而，他们之间有很大的不同。该方法可修复小伤，可用于表面积和蜂窝夹层的修复。

（2）注射法

通常，当我们修复复合材料的小面积的脱胶和分层时，我们可以使用注入树脂的方法。但是这种方法是否有效取决于在制造过程中还是在使用过程中产生缺陷。如果局部粘附压力

造成的缺陷不够，则必须去除表面的污染层，以保证一定程度的粘结强度。如果内部表面被污染，将很难修复，修复后的结果也不理想。但与上述不同的是，如果损坏是由于使用损坏造成的，它的表面没有受到污染，也没有吸水，那么就可以有效地进行粘结。但是，这种方法需要在注射孔的结构和孔外进行适当的排列。空气的深度必须位于缺陷的位置，这样就可以成功地将树脂注入孔中。但这种方法的优点是，只要树脂和纤维在树脂层中固化，材料就不会被去除。

（3）抽钉法

抽钉法能有效的控制小损伤的扩大，在使用过程中加强分层区域或脱胶区的树脂注射法和混合物填充，来保证外界传载力的修复，目前已被广泛运用到碳纤维的边缘分层修理，并取得了良好效果。

（4）涂层法

当复合材料的表面显现出问题时，为了保证材料的安全性和材料外部的稳定性，飞机研发人员会运用涂层法对表面密封层、防腐层、导电层进行修复。

2.补片式修理技术

选择与母板材料相同的补片，外部一圈贴片焊接。最好的補片厚度应该是母板厚度的一半，在修复过程中，应根据粘结的方法对补片的厚度进行设置和调整，具体试验表明，针对刚性材料的修理不能取得良好的效果，补片的粘结强度较低，因此在飞机运行和维护过程中经常出现问题。而胶粘剂的强度会影响胶粘剂界面的强度，应根据材料的性质选择合适的胶粘剂进行修复。

（1）外搭接补片机械连接法

对于补片材料的选择时具有很大的自主性的，在修补过程中并没有严格的标准要求，可以选择金属板，也可以选择一些复合材料面板，只要确保飞机材料中的问题得到有效解决即可。但是，在使用这种方法的时候应该充分考虑腐蚀问题。

（2）外搭接补片胶接法

在通过外搭接补片胶接法进行修复的过程中，最佳补片厚度应为母版厚度的一半，并根据母版厚度进行设定和调整，搭接长度要考虑到我国胶黏剂的使用性能。具体试验表明，刚硬材料不能够起到很好的效果，软补片胶接强度低，在飞机运行维修过程中经常出现问题。胶粘剂的强度会影响胶接口的强度，要根据使用材料的性质进行修复。

（3）嵌入式补片修理法

这种方法是永久性的修理方法，在修理的过程中，挖去部分母体材料，并在预浸料补片后与母体材料再次胶接。在修复过程中使用这种方法，能够避免因维修对机体产生影响，因此目前这种方法已经得到了大范围的应用。

四、结束语

总之，在飞机制造的过程中，复合材料是一种非常理想的材料，近年来，其已经被广泛使用在机翼、机身以及发动机部件中，逐渐成了现代机体结构中的重要组成部分。此外，各种程度和形式的损伤所需采用的维修护理技术是不完全一样的，因此，相关人员应该加大对复合材料维修技术的研究力度。

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