航空复合材料的损伤与维修措施探讨

潘兴军

摘要：航空复合材料通过不同材料的组合获得良好的综合性能，但材料特性也决定了其在使用过程中容易产生各类缺陷或损伤。合理进行复合材料损伤评估，能够根据损伤情况确定结构能够恢复到与周围结构相匹配的刚度、强度等，从而采取科学维修措施保证，通过去损、铺设修理层等操作实现材料结构胶接处理，使材料的经济性和安全性得到增强。

关键词：航空复合材料;损伤评估;维修措施

引言

复合材料带有强度高、比刚度大、质量轻、耐腐蚀等多重优势，所以在航空领域得到了广泛运用，如民航飞机的尾翼，雷达罩，机身盖板等部件都大量使用了复合材料。但长时间在各类环境下使用，不可避免的造成复合材料受损。为保证结构完整性和功能得到恢复，还要做到科学维修，保证材料在使用寿命期内能够维持良好性能。

一、航空复合材料的损伤评估

航空复合材料的损伤带有一定周期性，需要由经过特殊培训的人员进行损伤检查和评估，分析对材料造成损伤的因素给材料带来的影响，并对损伤程度和范围进行确认，从而确定合理的修理方法，使构件保持良好性能状态。从损伤形式上来看，包含分层、起皱、凹坑、划伤等多种，非关键部位且程度较轻的损伤不会给结构完整性和强度带来显著影响，如轻微凹坑、划伤等，属于允许损伤，可以通过及时修理取得较好修复效果[1]。除此以外的损伤则会造成结构强度与刚度低于允许水平，从经济性、安全性等角度考量不合理則需要换件处理。对损伤进行评估，主要采用目视检测法和仪器检测法。目视确定损伤部位、面积等情况后，确认是否存在水分、燃油等外来物进入。可以配合敲击方法对损伤程度进行判断，通过轻轻敲打判别声音实现脱层探测。采用仪器检测法则要对损伤部位进行无损检测。按照规定，评估前不能用退漆剂对漆层进行处理，以免造成树脂部位被破坏。为保证评估结果可靠性，一般需利用超声波检测仪确定材料结构是否存在分层，并利用X射线探伤机确定结构内是否存在水分或其他物质。

二、航空复合材料的维修措施

在对航空复合材料进行修复时，通常采用胶接措施。在对损伤位置进行修复前，还要对损伤部位进行打磨去除，做好胶接准备。在蜂窝发生损伤的情况下，则要进行芯塞更换，然后进行修理层铺贴，最后通过加热固化使结构得到修复。

（一）胶接准备

在胶接准备阶段，需要先对损伤进行去除。将构件损坏的蒙皮铺层去除后，进行芯层打磨。在胶黏剂去除后，可以在暴露芯层上布置金属物，在其中心布置热电偶，然后铺设玻璃纤维吸胶布。利用胶带对结构进行固定，然后在边沿布置真空软管，采用真空设备将积存水分去除。对损伤区进行去除，还应将损坏层压板修整光滑。蜂窝发生损坏，去除范围应达到损坏界限至少0.5in，并修整到与蒙皮保持相同形状。期间应避免切入未损坏蒙皮。在纤维层去除上，保护区允许各替换铺层实现0.5或1.0in叠层。对板内表面和非关键启动表面，可以采用No.240级别以上打磨碟或砂纸将油漆饰层或Tedlar膜层去除，各层至少0.5或1.0in。损伤深度较大，需要填充至与表面齐平状态。对外表面进行打磨，应对周围锥面进行清理、打磨，确保现有铺层锥面达到0.5或1.0in距离。利用真空清洁机将打磨尘埃去除后，利用溶剂对表面进行擦拭。

（二）蜂窝处理

对蜂窝芯塞进行更换，需要按照工艺卡进行正确构件选取，保证与原始芯层类型、等级等相符。安装芯塞时，应保证与原本芯层齐平，条带方向一致，使芯层充分搭界，以便与周围芯格壁接触。经过修整，能够使安装的芯塞达到原始深度。期间，应考虑芯塞固化收缩问题，综合分析铺层厚和各层间胶粘剂影响。对芯塞进行清洗，应注意通风和保护，远离火源、热源等。为避免芯层材料受损，被污染芯层在溶剂内浸泡时间不超60s，禁止将零件浸在溶剂中或使零件表面滞留溶剂。完成局部洗涤后，确认芯层干燥、无痕才能进行芯塞安装。

（三）铺设修理层

对修理层进行铺设，需要根据评估后编制的维修方案确定修理层材料，目前主要采用玻璃纤维和碳纤维[2]。根据工艺卡对材料进行辨识后，确认纤维编号、方向等信息后，可以按照铺层铺设工艺要求进行作业。切割的铺层尺寸应满足切割数目要求，即满足补片需求层数要求。在浸树脂过程中，需要完成两块分隔膜切割，周边尺寸比织物大3.0in。在分隔膜上进行一块织物铺设后，调胶后均匀涂抹，然后覆盖第二块分隔膜。利用滚轮对表面进行挤压，将结构内部空气去除，并将多余树脂赶至边沿。

（四）加热固化

在结构加热固化阶段，需要将厚1mil有孔FEP分隔膜铺设在修理部位表面，边缘比补丁边缘大3in。在周围均匀布置热电偶，并在记录器上紧固。在多孔FEP上铺设Style 120玻璃纤维，用于表面吸胶，边缘比分隔膜大2in。在其上覆盖无孔FEP隔离膜，厚度达到2mil，边缘与有孔分隔膜齐平。在无孔隔离膜上，需要铺设玻璃纤维，边缘与吸胶布齐平。在表面边缘位置固定真空软管后，可以进行固化加热。加热源可以采用电热毯、红外线加热等等工具，根据边缘热电偶最低读数对固化温度进行确认，时间为零件达到固化稳定后的周期。在循环固化期间，应使22in泵柱保持真空状态。如采用加热毯固化，应在表面铺设加热毯，确保超出铺层边缘2in，热电偶位于中心位置。加热毯上铺设4-6层玻璃纤维织物，达到绝热效果，避免真空袋受损。外围6in范围利用密封胶带密封，确认真空袋无泄漏问题后，可以将其抽真空。固化后，可以将真空袋和分隔膜取消，确认是否存在凹陷、气泡等缺陷。确认无问题后，需要对表面进行重新处理，对最底层边缘进行轻轻打磨，避免损伤纤维的同时，得到光滑表面。按照工艺要求，可以涂刷一层Tedlar膜进行密封处理，然后固化。复杂构件形状不规则，固化时容易受热不均，还要加强保温和监管。在表面漆层遭到去除的情况下，则要重新喷漆。

结论

在对材质为航空复合材料的飞机构件进行维修，还要做好材料损伤评估，根据损伤状态确定能否维修和完成维修方案的科学编制，保证结构完整性和功能恢复到要求状态。在实践维修工作中，还要做好胶接准备、蜂窝处理、铺设修理层等各环节的处理，从而取得良好维修效果，为飞机的飞行安全提供保障。

参考文献：

[1]戴京涛，孙志娟.复合材料修复飞机损伤孔有限元分析[J].装备制造技术，2020（03）：139-142.

[2]沈怡.探讨飞机复合材料维修中非常规固化技术的有效运用[J].科技经济导刊，2019，27（06）：85.

作者单位：山东太古飞机工程有限公司