小型通用航空飞机复合材料修理技术探究

[摘 要] 复合材料的修理一般采用胶接（粘接）修理技术，在对胶接修理类型、特点和修补效果进行论述的基础上，从胶粘剂、复合材料补片、被修理结构的表面处理和修理固化工艺等方面对胶接修补进行了分析，同时分析了胶接修补技术的核心―胶粘剂的固化技术。最后介绍了几种主要的通用航空飞机复合材料及其修理技术。

[关键词] 复合材料； 胶接修理； 补片； 固化技术

0 引言

复合材料是由两种或两种以上不同材料通过某种方式结合而成的新材料，其中各组分材料仍保持其原有特性，但是组成新材料的性能优于各单独组分材料。将复合材料中构成连续相的组分称为基体，非连续相的组分称为增强材料。而材料性能对飞机的设计和制造起关键作用。20世纪60年代中期，以碳纤维为增强体的复合材料问世，70年代初即开始应用机结构。复合材料飞机结构技术可以提高飞机性能，其质量可相应减轻20%-30%。

飞机复合材料结构在鸟撞、雷击、弹伤以及维护或操作不当等情况下，非常容易发生以冲击损伤为主的各种结构破坏，如分层、裂纹、缺口、破孔和断裂等[1]。这些损伤会显著降低复合材料的静、动态承载性能，严重时会直接威胁飞机的飞行安全。

1 飞机复合材料的应用

复合材料具有质量轻、高比强度、比模量、良好的抗疲劳损伤等优良特性，使其能有效的提高飞机及其装备的使用效率和寿命，同时在隐身、智能、结构等方面具有巨大潜力，对飞机结构轻质化、小型化和高性能化起重要作用。复合材料还具有可设计性强、抗疲劳性能好、耐腐蚀、便于大面积整体成型等优点。

在民用飞机中，空客A320、A330等机型大量采用了复合材料，用量占结构总质量的15%左右，A340的复合材料用量占结构总质量的13%，A380更是达到了22%。波音777的垂尾、平尾、后气密框、客舱地板梁、襟翼、副翼、发动机整流罩和各种舱门等均使用了复合材料，总质量达9. 9t，占结构总重的25%[2]。

可以看出首飞时间在1986年以后的军机，复合材料在飞机结构中应用比例的不断增加，最低是F-22飞机使用25%复合材料，而X-45B则使用了高达90%的复合材料。复合材料结构的维护和修理工作愈发显得重要，需要加快修理材料的研究和开发。对于金属飞机零件和复合材料飞机零件的损伤，修补技术需进行更加全面和深入的研究，包括损伤容限、修理容限、修补设计和智能修补、工艺和可靠性等各个方面问题。复合材料修补方法可对复合材料的应用提供保障。

2 通用飞机复合材料修理概述

通用飞机结构修理技术一般包括铆接修理技术、焊接修理技术和胶接修理技术。而复合材料结构的加工制造过程和损伤特性与金属结构有明显不同，所以采用的修理方法也有区别。复合材料的修理方法可分为机械修理和胶接（粘接）修理两大类。复合材料胶接修补与传统的机械修补方法（铆接、焊接、螺接）相比，具有可设计性强、贴覆性好、增重小、时间短、成本低等优点。

通用飞机复合材料粘接修理可分为贴补和挖补两种基本的修理方法[3]。贴补修理是在损伤结构的外部粘贴补片以恢复结构的强度、刚度及使用性能，又分为预浸贴片与胶粘剂共同固化和将已固化的贴片用胶粘剂粘贴这两种方法。贴补修理操作简单，效率高，能恢复原有强度的70%-80%，适用于损伤较轻的对气动外形要求不严的飞机结构的维修。而挖补修理采用铣切等方式将损伤结构挖除，并形成斜接式或阶梯式的粘接面，然后采用预浸料或其他填充物填充挖补区，最后经固化得到平整修理表面的修理方法。但是挖补修理工艺复杂，修理周期较长，不适合外场维修。

2.1 通用飞机复合材料机械修理

复合材料的铆接不同于金属结构的铆接，因为复合材料的脆性很大，在铆接时容易发生挤压破坏。常规的方法铆接时，由于钉杆的膨胀沿整个轴线方向不均匀，靠近钉头和镦头的部位膨胀量大，而钉杆中间部位膨胀量小，会由于靠近钉头和镦头部分干涉量过大导致复合材料被挤压破坏的铆接缺陷。必须合理选择干涉量，通常的数值范围在1.0%-2.5%之间。

铆（螺）接修理常用的补板材料是铝合金和钛合金。铝合金较轻，使用时增重较少，成形也较容易，但铝和碳纤维接触极易产生电化学腐蚀，所以用铝合金补板时要设法使补板和底材隔离。钛合金没有电化学腐蚀间题，常用于复合材料的连接，但成形困难。铆接等传统机械修理方法在修补时需要对构件重新开孔，存在着结构增重较多、修理区应力较大、修理补片影响修复区的电性能等缺点，因此，目前复合材料结构损伤主要采用胶接修理方法。

2.2 通用飞机复合材料胶接修理类型

胶接是借助胶粘剂在固体表面上所产生的粘合力，将同种或不同材料牢固连接在一起的方法。飞机上采用的胶接主要有两种：非结构型和结构型[4]。非结构型胶接一般不承受较大的载荷，主要包括表面粘涂、密封和各种特种功能胶接等，而结构胶接是指能传递较大的静、动载荷，并在使用中可靠地工作的结构件的胶接技术。随着高性能合成胶粘剂和胶接固化技术的研制成功，胶接技术被广泛地应用机结构的制造和修复工作中。

早期的胶接修理技术采用的是金属补片，在修理实践中，研究人员发现这种修补方法存在以下问题，一是作为补片的金属材料和胶粘剂在导热性能、膨胀性能和弹性模量等机械性能上差异较大，导致在胶接固化中固化收缩应力和热应力较大；二是金属补片对飞机结构的复杂外形的适应性较低，也容易在修补后产生较大的结构应力。

2.3 复合材料胶接修补特点

复合材料补片厚度约为铝合金补片的30%-50%，就可以达到同样的修补效果，因此胶接修补增重小。可根据使用要求和受力状况进行材料的铺层设计，还偏于大面积整体成形，制成大型结构件和表面形状复杂的零部件，可采用胶接固化工艺进行原位修补。复合材料补片胶接修补能提高损伤区的刚度、静强度，减低裂纹尖端应力强度因子，并且外场修补所需设备简单。

同时复合材料的缺点也很明显，比如增强纤维导致的原材料成本高；制造和维修成本也高，并且耗时；力学性能受温度湿度影响大；检测损伤难度大；可导致铝等电位低的金属腐蚀等。

2.4 胶接修补效果

对结构的胶接修补效果评估主要包括，修补后的结构强度应恢复到一个可以接受的水平；修补后结构的刚度与原结构的总体刚度基本保持一致；修补结构的寿命达到一定的要求；结构质量的增加最小；尽量保证原结构光滑完整，构件的外形修补气动外形变化要小；修补中使用的设备与工具要少；控制结构的修理成本在一定范围内。

3 复合材料补片胶接修理技术特点

胶粘剂是实现补片止裂作用的中间媒介，因此其选择至关重要。应根据修补结构的承力水平和使用环境选择既具有良好的抗疲劳性能，又具有较高的剪切、剥离强度、良好的耐介质和耐湿热老化性能的胶粘剂。针对复合材料补片胶接修理技术而言，关键技术是胶粘剂、复合材料补片、被修理结构的表面处理和修理固化工艺及施工工艺保障等[5]。

3.1 胶粘剂

美国复合材料胶接修补所用的胶黏剂主要有两大类：一类是多组分的低黏度胶黏剂，主要用于复合材料结构的室温、中温固化修补；另一类是膜状胶黏剂（胶膜），用于热胶接（固化温度≥100℃）固化修补。在修理中，避免使用固化温度超过130℃的胶粘剂，同时在这种温度下的固化时间不超过4h。

3.2 复合材料补片

当补片长度较小时增加补片尺寸，有利于载荷从裂纹板通过胶层向补片层的传递，发挥补片的作用，从而降低其裂纹尖端的应力集中。而补片长度达到一定值后继续增大，修补效果下降。这说明对于确定的裂纹和应力场，存在一个最优的补片长度。同时在确定补片形状时应充分考虑损伤结构的具体特点，并注意不要使补片的形状特殊，当补片形状发生变化时，要有足够的圆角半径过度等。

3.3 被修理结构的表面处理和固化工艺[6]

胶接时，通过物理和化学方法对修理材料进行恰当的处理会提高修理的胶接强度和耐久性。修理固化工艺的主要控制因素是压力、温度和时间。应根据补片与胶粘剂的性质及修理现场所能提供的施工条件综合制定固化压力、温度和时间，以期使复合材料补片在具有较好力学性能的同时又具有较高的胶接强度，保证胶接质量。

对胶接修理的设计应考虑耐久性原则。通过对补片尺寸外形等细节的设计，使被修理结构在载荷、环境等因素的综合作用下具有良好的使用功能和较长的使用寿命。

4 通用飞机结构胶接修理固化技术[7]

胶接修补技术的核心是胶粘剂的固化。固化方式主要有两种，一种是加热固化，一种是以高能射线为引发的辐射固化。传统的加热固化一般是通过电热毯来进行加热，但不适合外场的快速修补。辐射固化根据辐射源的不同，主要有电子束固化、光固化和微波固化等。

4.1 辐射固化修理

传统的热固化方法由于存在着传热速度慢、温度梯度大、固化不均匀和固化速率低等问题，致使修理区域存在明显的“固化应力”和“热应力”，严重影响粘接修理的质量。辐射固化是新兴的固化技术，相对传统热固化技术，辐射固化具有独特优点，满足了胶接修理的快捷性和高效性要求。

辐射固化可以实现低温或者室温固化，使用胶粘剂毒性低，易于储存。辐射固化速度快，固化均匀，抢修时间短。辐射固化技术可以实现选择区域固化等特点。

4.2 电子束固化修理

电子束固化树脂基复合材料技术是一种不需加热的固化技术。它利用电子加速器产生的电子束冲击待固化材料，电子束通过与介质的碰撞将能量在短时间内传递给介质分子，引发树脂交联固化。电子束固化不仅可完全避免热修理中热应力所引起的构件翘曲变形和脱粘，而且由于电子束固化温度接近室温，可以忽略不同材料在流动性、线胀系数等方面的差异，因此，可用于粘接性能差异很大的材料。除此之外，电子束固化用的胶粘剂一般对热不敏感，因此其固化材料可在室温下长期贮存，便于保管。

4.3 光固化修理

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。从目前的研究应用成果来看，光固化修理技术采用紫外固化和红外固化修理两种技术。该技术使用便携式的紫外光源（或光固化修复机） 辐照光敏胶的修复区引发快速固化。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。

4.4 微波固化修理

微波固化修理指根据微波快速致热机制和对化学反应的加速机理，在粘接修理中使用专门研制的可吸收微波的结构胶粘剂，利用特殊设计的微波修复机，使修复区在极短的时间形成新的、更强的界面从而使缺陷和损失得以恢复的一种方法。

再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。微波固化修理具有加热迅速、场强高温、穿透能力强

与加热更均匀和选择性加热等特点。

结论

本文介绍了复合材料在小型通用航空飞机上的应用及其修理技术，对目前复合材料粘接修理技术进行了系统的论述和分析。复合材料的修理一般采用胶接（粘接）修理技术，它可以克服传统粘接修复技术存在的固化速度慢和不均匀等缺陷。随着国内复合材料在航空制造领域的广泛应用，必须尽快地对航空复合材料的修补技术进行更深入研究。而复合材料胶接修补问题的研究可以进一步推动复合材料在我国的发展和应用水平。

[参考文献]

[1] 刘晓山，郑立胜.飞机修理新技术[M].北京：国防工业出版社，2006.

[2] 郑立胜.飞机复合材料粘接修理技术及应用[J].粘接2006，27（2）.

[3] 王晓东等.浅析飞机复合材料结构修理技术[J].科技风，2013，6.

[4] 邹田春等.民机复合材料结构适航审定现状[J].材料导报，2010， 24（11）.

[5] 王宇光等.复合材料结构修理研究现状[J].航空维修与工程，2003，3.

[6] 陈绍杰.复合材料结构修理及使用保证技术[J].航空制造工程，1995.3

[7] 梁重云，曾竟成，肖加余等.复合材料补片胶接修补研究进展[J].宇航材料工艺.2002.2（4）：7-11