航空复合材料结构维修技术研究

摘 要：航空领域复合材料用量不断增加，复合材料结构维修研究相对滞后。本文概述并分析了航空复合材料结构维修技术的现状，并重点介绍了现阶段使用的航空复合材料结构维修技术：目视检查及无损检测定位损伤；综合考虑，确定维修区域和维修方法；维修后检测。

关键词：航空 复合材料 维修

中图分类号：V25 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）04（c）-0100-02

近年来，复合材料在航空中的研究主要集中于用先进复合材料制造承受大载荷的主承力结构。随着飞机上复合材料用量的增加，对于复合材料制造、装配和维修的要求也相应提高。其中满足功能性、经济性和安全性的维修技术对复合材料的应用起到了制约作用。

1 复合材料结构的维修

复合材料结构维修的目的是在最短的时间和最少的花费条件下修复结构的完整性，得到和原来结构的刚度、强度相匹配的结构，同时保持增加的重量尽可能小。

相对于复合材料在飞机上的应用来说，复合材料维修技术的相关研究、相关技术标准或规范的建立工作是相对滞后的。复合材料的特性决定了其在冲击后容易产生裂纹和分层，因此大量复合材料部件在不可避免地会发生结构缺陷或损伤，必须进行及时维修以减少生产中部件的报废率，并提高部件使用完好率，在保证安全的同时降低复合材料的使用成本。因此，复合材料构件维修的重要性不言而喻。

相对于金属结构的损伤而言，复合材料结构的损伤往往是同一构件的经常性或周期性损伤，而且复合材料的损伤检查和检测需要经过特殊培训的特殊人员进行，复合材料维修需要先进的维修和检测设备，所以复合材料的维修成本更高；复合材料结构维修技术相对滞后，维修过程和材料体系尚不完善，复合材料修理完成后的质量难以检测，因此复合材料的标准修理方法具有局限性。

出于对复合材料结构维修成本、可操作性、安全性等因素的综合考虑，目前实际在进行复合材料结构维修时通常遵循以下思路：首先先评估可能对复合材料造成损伤的因素对复合材料的影响，确定损伤的程度、范围；然后确定维修区域和维修方法；最后对维修后的复合材料进行检测。

2 复合材料损伤的确定

复合材料的损伤大多由以下原因产生：固化过程中产生的空隙分层或尺寸的偏离；飞机或零部件在地面状态受到由于操作失误而引起的损伤，常见的如工具掉落冲击损伤；由于环境引起的损伤。复合材料的维修应考虑到经济性，所以出现对复合材料可能造成损伤的因素时，应首先进行目测检查，评估是否需要无损检测的方法确定损伤。当可能存在空隙、分层、脱胶和芯层损伤等超出可视范围的损伤时，或者在返修中某些操作如铺层移除、打磨、切割等可能引起零件更多损伤时，应进行无损检测。以下为几种常用的无损检测方法。

敲击检查：可用来检查零件表面三到四层空洞、分层或脱胶。

透射法：在零件一侧放置一传感器发送超声波，由另一侧的传感器接收，当超声波经过可能的分层、空隙、脱粘或其它结构变化时，超声波能量会衰减。该方法是最常用的首次检查方法，且须用次要方法确定缺陷类型。

脉冲回波法：超声波信号被零件背面或内部不规则处反射后被表面传感器接收。信号位置和振幅的改变表示材料的状况。该方法仅适用于层合板结构，对多孔的零件不适用。

X射线照相检验：把对X光敏感的薄膜放X光源对面的零件上。该方法最适用于确定或定位蜂窝夹层板的夹杂或芯层缺陷，也可用于确定层合板的某些空隙。

3 复合材料维修的影响因素

飞机是一个系统工程，复合材料性质又具有特殊性，所以在选择维修方法时应综合考虑材料、强度、工艺、装配和器材等相关因素：

破损零件的定位：零件定位（例如是否在飞机上，装配时的开敞性和是否具有互换性等）以及该零件与其它组件和维修过程的关系会影响到维修方案的确定。如损坏零件部位装袋的限制，加热表面的限制，修理工具的可达性等重要信息，都会对一个合理修理方案的确定产生重要影响。

超出可视范围的损伤：某些损伤（如由冲击引起的）可能超出可视范围，也有可能传导到可视范围外，因此需要通过无损检测来确定损伤的类型、程度和损伤的位置，为维修区域的确定提供参考。

器材：设备（烘箱、热压罐、测试工具等）的可用性和可达性会对车间执行修理的能力产生影响。

相邻的材料：破损区域附近的材料会影响修理类型的选择。所以在选择维修方法时除了考虑损伤材料的类型、种类和性质外，也需要考虑附近其它零部件的性能。

重量及结构的平衡性：复合材料的修理可能会增加重量和并对零件的重心产生不利影响，选择维修方法时应尽量减小这些影响。

强度：载荷和结构外形会影响修理方法的选择。载荷会通过修理区域进行传递，所以需考虑纤维的取向和树脂类型及固化要求以建立适当的传力路线，并确保复合材料有合适的刚度（刚度太大增加了重量，太小则不足以承受载荷）。另外，由于紧固区域的锪窝、修理时产生的空隙等问题存在，强度会有所降低，选择修理方法时应考虑这些内容。

4 复合材料维修的方法

在确定复合材料的维修方法时，首先需要确定维修区域的尺寸。现阶段复合材料维修一般采用阶梯式挖补的方法（如图1），故为了便于除去铺层，外面一层除去的区域应比内层大，最外层除去的铺层区域和除去的铺层数决定了维修区域尺寸，所以通常维修区域的尺寸要大于损伤区域。确定维修区域尺寸，首先要根据工程图纸决定在要除去的维修区域的每层铺层的材料（规格，类型，种类，级别和成型方法等），然后决定每层铺层除去的尺寸和搭接层的尺寸及铺层数，最后根据铺层的数量和尺寸决定维修区域的尺寸。

维修的方法根据损伤的复合材料结构形式、损伤形式和损伤程度而有所不同。下面为针对不同的复合材料结构形式采取的修理方法：

层压板损伤：层压板结构常见的损伤形式包括：变形（皱折、波纹或凹陷等）、外来物损伤（划伤、擦伤等）、分层、贫胶、空洞或夹杂等。对于程度不严重，在铺层表面（未伤及纤维）的损伤，如不严重的表面变形、表面损伤、表面贫胶等，一般采用的修理方法为打磨掉损伤的部分，用树脂填充。对于程度较严重，深入至层合板内部（伤及纤维）的损伤，如较严重的表面变形、伤及纤维的外来物损伤、分层、空洞或夹杂等，则需要除去铺层至损伤部位，重新进行铺层。

夹芯层压板损伤：夹芯层压板如果损伤未扩展到芯层，则可按层压板损伤处理。若损伤扩展至芯层，需除去铺层至露出芯层，将破损的芯层用新的代替，或者注入灌注材料代替，再重新进行铺层。

孔损伤：对于复合材料上孔的损伤（孔位或孔径错误），需消除已钻孔，重新定位钻孔。消除已钻孔时，可视情况用灌注材料填补孔洞，在表面铺覆补片（损伤程度较小），或除去部分铺层后再填补孔洞，重新进行铺层（损伤程度较大）。

5 复合材料维修的检测

目前，复合材料结构维修后的检测方法与复合材料生产验收时基本相同，主要包括目视检查、无损检测和试片检测的方法。但是，以上检测方法都不能直接证明维修的可靠性。目视检查和无损检测可保证维修的质量，但不能直接证明维修方法的可靠性。试片测试由于无法破坏损伤的复合材料结构，仅能对试片进行破坏后的结构进行评估，很难真正准确地判断出修理件的实际质量。故复合材料结构维修可靠性的检测仍需试验数据支持。

6 结语

随着航空领域复合材料用量的增加，对于复合材料维修的要求也相应提高，但现阶段复合材料结构维修研究相对滞后，制约了复合材料在航空领域的应用，其后续研究仍需开展。在进行复合材料结构维修时，应综合考虑复合材料结构维修成本、可操作性和安全性等因素：首先通过目视检查及无损检测确定损伤部位、形式和程度；然后考虑材料、强度、工艺、装配和器材等相关因素，确定合理的维修区域和维修方法；最后对维修后的复合材料进行检测以保证其安全性。

参考文献

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