粘接技术在飞机复合材料修理中的运用

◎张应南

飞机行驶的过程中其外部结构会受到多方面因素的影响产生破损问题，此外，在维护操作不当的情况下，也可能引发严重的损伤问题，主要受损表现为分层、裂缝、破孔和断裂等。此种损伤问题的产生不仅会影响飞机结构的承载性能，还有可能危及行驶安全。考虑到机械修理方式对飞机结构的性能影响较大，应优先选择粘接技术进行复合材料结构修理。对其主要修理方法和粘接技术的内容展开探讨也具有重要的意义。

一、飞机复合材料的主要粘接修理方法

针对飞机材料结构的修理工作中所采取的粘接修理方法根据修补工艺的不同，可以被细分为贴补修理和挖补修理两种。其中的贴补修理方式指的是，在损伤部位的外部直接使用贴片修补损伤，并且借助贴片保障飞机复合材料的结构质量与强度，使其性能与最初设计的刚度需求和强度相符。此种粘接方式即可采用预浸贴片，又可采用胶粘剂将已经固化处理后的贴片使用胶粘剂直接贴于损伤处。此种修理方式的操作较为便捷，无需过多的修理工序，且修理效率较高，在操作得当的情况下，往往可以使修补部位的强度达到原有强度的80%左右，在一些损失较小，且对外形气动要求偏低的结构修理中较为常用。

挖补修理指的是，在粘接之前，使用专用的铣切工具将受损伤的部位挖除，并且使其形成阶梯式的粘接面，之后使用填充物填补损伤部位，对其进行固化处理，做好表面平整操作，尽量使其表面与原有的结构呈现相同的流线关系，使其结构的气动外形得到有效修复。采用该种方式进行修复的结构剪应力分布均匀，不存在偏心荷载的影响问题，相对来说修理效果较好，基本可以达到原有结构的性能要求。但此种修理方式的作业工序较为复杂，在维修时需要消耗大量的时间，对于结构形式较大，且受损部位突出的情况并不适用。

二、粘接修理技术在飞机复合材料修理中的运用

1.热补仪修理技术。

以往进行复合材料结构修理是采用复合材料制造的工序，致使修理过程中所使用的设备设施较多，且修理工艺较为复杂，虽然修复后的效果较好，但会造成大量的成本投入，在进行外场修理时，此种方法难以适用。为了改善上述修理技术的局限性，相关人员研发出了便携式的热补仪修理设备，同时具备除尘、干燥、加压和加热等功能，在实际修理工作中，发挥了重要的作用。一些知名的航空公司已经逐步应用该技术进行复合材料结构的修理工作，并且取得了较好的应用效果。

2.电子束固化修理技术。

电子束固化修理实际上就是借助树脂类的复合材料进行修复的方法，该种电子束树脂材料不具备热敏特征，无需加热便可完成固化处理。实际进行修理时，是借助电子加速器对此类材料进行冲击，使其形成树脂变化，该种固化修理方式对温度的要求不高，在常温内便可进行固化操作，同时具备固化效率高的特点。采用该种修理方式进行复合材料修复时，可以有效避免温度因素对复合材料结构内部粘接质量的影响，且因其固化时的温度与室温相同，无需考虑到在温度影响下的流动性问题和膨胀系数等。另外，也为由于其自身对热量不敏感，在储存时的难度较低，在常规室温下保存即可。该技术最初起源于复合材料的制造领域，后续发展中，部分技术人员为了降低修理工作对飞机结构性能的影响在其中应用了电子束固化技术，实践应用中的效果良好。

3.微波修理技术。

由于大部分复合材料和胶粘剂是热不良导体，传热速度慢、温度梯度大，用传统加热方法固化时会直接导致胶层固化不均匀和固化速率低，在修补区域会产生较大的“热应力”，大大降低修理的质量。为此，研究人员开发出了微波修理技术。微波加热不同于一般的外部热源由表及里的传导式加热，是被加热物体在电磁场中由于介质损耗引起“体积加热”。因此微波修理具有传热均匀、加热效率高、固化速度快、易于控制等优点。微波修复技术应用的关键是便携式的微波修复机和微波结构胶粘剂的研制。许陆文等和空军第一航空学院合作，成功地研制开发了便携式微波修复机(频率为2.45GHz、功率为200W)和数种微波施加器。利用这种设备，以短纤维／环氧胶作修复胶，修复了带孔碳纤维／环氧和玻纤／环氧复合材料，固化时问仅为20s～24s。固化修复后，复合材料构什拉伸强度可达原构件的80%以上。经试验证实，该技术对金属复合材料粘接修理和复合材料结构的粘接修理，都具有优异的效果。

4.光固化修理技术。

光固化复合材料粘接修理技术是以光敏胶作基体树脂，用纤维作为增强材料，预先制备成预浸料修理补片，在光线的辐照下迅速固化，以达到快速修复的目的。从理论上讲，各种波长的光段都可以引发固化反应，但臼前主要以紫外周化修理为主。该技术使用便携式的紫外光源(或光同化修复机)辐照光敏胶的修复区引发快速固化。与电子柬固化相同的是，紫外固化也可在室温和低温下固化，且固化速度也很快．紫外固化修理更为简便，对设备的要求也最低。但紫外固化目前还存在如下2个缺点：一是目前所使用的紫外固化胶剪切强度偏低(普遍低于20MPa)，只能适用于一些轻微损伤的修理；二是对粘接体系的颜色及透光性要求较高，大部分设备的辐照深度不足2mm。只能用于表层处理。因此开发出高强度的紫外光敏胶和提高紫外固化辐射深度将是该技术研究的方向。

三、结语

在飞机制造领域中，复合材料的应用已经逐渐趋于大型化，在使用时难免出现破损问题，在一些非承力结构的部位，发生小的损伤时，也需要采取适当的修理方法，以免对各个结构的性能造成影响。而对于飞机外部结构和重点结构部位的损伤问题则应适当选取粘接修理技术，以期尽快修复复合材料的结构性能，保障飞机的行驶安全。