魏建義

（安陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 安陽 455000）

航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修補(bǔ)技術(shù)與應(yīng)用

Aerospace composite structures repair technology and applications

魏建義

（安陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 安陽 455000）

航空復(fù)合材料的損壞主要來源于外界沖擊以及腐蝕，由于材料的特殊性，修補(bǔ)也不能沿用傳統(tǒng)的金屬材料修補(bǔ)方法，而是應(yīng)當(dāng)采用特殊的設(shè)備及環(huán)境場(chǎng)合。而修補(bǔ)過程應(yīng)當(dāng)更加注重其效率，即能讓材料結(jié)構(gòu)盡快恢復(fù)到完整狀態(tài)，同時(shí)又能保證經(jīng)濟(jì)性。而筆者將通過本文，就航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修補(bǔ)技術(shù)與應(yīng)用方面，對(duì)幾種常用的修補(bǔ)方法進(jìn)行分析和探討。

航空復(fù)合材料；結(jié)構(gòu)修補(bǔ)技術(shù)；研究與應(yīng)用；航空設(shè)備

隨著科技的不斷發(fā)展，我國各大行業(yè)也得到了相應(yīng)的提升。而航空業(yè)就是其中之一，安全性一直都是其備受矚目的一個(gè)方面。特別是在目前時(shí)代背景下，民眾基本物質(zhì)生活水平已經(jīng)得到滿足，從而將目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)樯畹谋憬莼娇諒?fù)合材料則是航空設(shè)備采用的一種特殊材料，具有更高的強(qiáng)度和可靠性，特別是對(duì)于低溫和高溫的耐受能力，都是一般金屬材料所不具備的。但是隨著時(shí)間的推移，材料依然會(huì)產(chǎn)生磨損，所以對(duì)其進(jìn)行修補(bǔ)也是十分關(guān)鍵的。而對(duì)于目前來說，我國航空復(fù)合材料的修補(bǔ)已經(jīng)有一些成功的案例，同時(shí)技術(shù)水平也已經(jīng)逐步成熟，所以修補(bǔ)工作開展也具有一定的基礎(chǔ)。

1 航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)原則

1.1 基本修補(bǔ)原則

航空復(fù)合材料的基本修補(bǔ)原則主要是側(cè)重于修補(bǔ)的便捷性，經(jīng)濟(jì)性以及效果情況進(jìn)行考慮，主要可以分為幾個(gè)方面。其一，修補(bǔ)的強(qiáng)度和硬度滿足要求，同時(shí)可以保證材料結(jié)構(gòu)的承載和運(yùn)用功能獲得恢復(fù)，特別是在整體結(jié)構(gòu)的恢復(fù)方面；其二，修補(bǔ)時(shí)整體結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)重量增加，所以修補(bǔ)需要控制好重量增加的范圍；其三，需要保證原理材料結(jié)構(gòu)的光潔度和完整性，如果材料用于航天，則需要保證其氣動(dòng)外形變化不大；其四，修補(bǔ)具有較強(qiáng)的操作性，同時(shí)不需要太多的器材和設(shè)備；其五，修補(bǔ)具有一定的經(jīng)濟(jì)性，可以保證成本投入在一定范圍內(nèi)[1]。

1.2 結(jié)構(gòu)修補(bǔ)原則

對(duì)于修補(bǔ)人員而言，除了需要注意基本的修補(bǔ)原則以外，同樣還需要注意結(jié)構(gòu)修補(bǔ)的原則，也可以從五個(gè)方面進(jìn)行入手。其一，修補(bǔ)時(shí)需要對(duì)修補(bǔ)的通道進(jìn)行預(yù)留，以便于后期的檢查和加工工作開展；其二，損壞比較頻繁的位置可以進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，即如將位置的零件設(shè)計(jì)為可以拆卸或者替換的，諸如螺栓連接等；其三，考慮損傷位置的修補(bǔ)余量，即如擴(kuò)孔余量等；其四，采用組合構(gòu)件設(shè)計(jì)，可以降低修補(bǔ)的工作量以及難度性；其五，修補(bǔ)時(shí)需要保證整體構(gòu)件需要拆卸的零件盡量少，避免安裝消耗過多的時(shí)間。

2 航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)技術(shù)分類

2.1 機(jī)械連接類

這類修補(bǔ)技術(shù)主要是通過連接或者鉚接以達(dá)到相應(yīng)的目的。一般來說，即是在修補(bǔ)位置外表采用螺栓或鉚釘進(jìn)行固定補(bǔ)片修補(bǔ)，即可保證損壞位置的載荷傳遞路線又能夠恢復(fù)其功能，而其優(yōu)點(diǎn)也顯而易見，即不存在復(fù)雜操作，避免修補(bǔ)過程的冷藏加熱，所以設(shè)備功能要求較低，最后修補(bǔ)連接件位置處理不需要太多需求，同時(shí)施工更加快捷，修補(bǔ)性能十分可靠。但是修補(bǔ)缺點(diǎn)也是不可忽視的，即如連接孔處過于應(yīng)力集中；此外，采用機(jī)械連接修補(bǔ)技術(shù)還需要解決幾個(gè)關(guān)鍵問題：

（1）補(bǔ)片采用的材質(zhì)（一般采用欽合金、鋁合金、不銹鋼等纖維復(fù)合材料）、厚薄以及形態(tài)；

（2）緊固件的材質(zhì)（常用單面螺栓或抽芯鉚釘）和類型；

（3）緊固件的位置排布（間距一般為4~5D，孔邊距為3D，保持和鉚釘孔的間距）；

（4）科學(xué)的打孔技術(shù)；

（5）打孔對(duì)于整體結(jié)構(gòu)的效果；

（6）緊固件的安裝、配置以及保存問題[2]。

2.2 膠接類

膠接類修補(bǔ)技術(shù)，故名思議即是對(duì)損壞位置外部以膠固定一個(gè)合適的補(bǔ)片，以達(dá)到功能的恢復(fù)。而且采用膠接法以后，損壞部位的也具有更強(qiáng)的調(diào)節(jié)性，諸如可以進(jìn)行切除，同時(shí)對(duì)切除位置以填料膠或成形填補(bǔ)塊進(jìn)行填充。所以對(duì)于膠接類修補(bǔ)法，主要可以分為貼補(bǔ)、挖補(bǔ)等幾類。

首先是貼補(bǔ)修補(bǔ)，其原理是通過膠接一些外部貼補(bǔ)片以完成結(jié)果的修補(bǔ)，但是貼補(bǔ)修補(bǔ)的使用范圍比較窄，主要的運(yùn)用范圍進(jìn)行在于一些平面位置的修補(bǔ)，同時(shí)是針對(duì)一些氣動(dòng)外形無關(guān)緊要的位置，而貼補(bǔ)補(bǔ)片的材料則可以選用鈦、鋁、不銹鋼等材質(zhì)的金屬或者是碳/環(huán)氧、硼/環(huán)氧等類型的符合材料，而其中的膠接和共固化可以同步完成。最后，對(duì)于外貼補(bǔ)片的材料選擇，優(yōu)先選取與母體材質(zhì)類似的預(yù)浸材料。

其次是固化完成的符合材料層板，鈦、鋁合金金屬材料。膠接修補(bǔ)法可以降低修補(bǔ)的難度和操作時(shí)間，但是對(duì)于修補(bǔ)位置的氣動(dòng)外形并沒有較大的修復(fù)效果；其次是挖補(bǔ)修補(bǔ)，主要是對(duì)于損傷部位的損壞處進(jìn)行完全的清理，再采用新的材料進(jìn)行填充，而根據(jù)填充的方式不同，又可以將其劃分為兩類，即斜接填充和階梯填充，即如斜接法，主要是將損壞位置進(jìn)行二次修整，保證其呈現(xiàn)斜面狀，然后采用新的材料進(jìn)行補(bǔ)充，而對(duì)于基于膠接面的剪切則可以保證其勻稱性，同時(shí)避免載荷偏離、剝離應(yīng)力過小的問題，所以修補(bǔ)效果更好，特別是關(guān)于厚層合板方面的修補(bǔ)完全可以忽略厚度因素，就可以保證修補(bǔ)位置表面恢復(fù)光潔。但是相對(duì)于貼補(bǔ)法而已，這種修補(bǔ)往往存在工藝難度性，同時(shí)需要花費(fèi)較長的周期，因?yàn)樾枰囟ǖ沫h(huán)境以及設(shè)備，所以一般在修補(bǔ)廠或生產(chǎn)廠家比較多見；再者是階梯修補(bǔ)，與斜接修補(bǔ)類似，階梯修補(bǔ)主要是將損壞位置修整為階梯型，然后通過新的材料進(jìn)行填充，而這種方法主要考驗(yàn)的是修補(bǔ)人員的水平，而且需要借助一些專業(yè)的器材，而修補(bǔ)的關(guān)鍵難度在于臺(tái)階的修整，需要技術(shù)和耐心并存，因?yàn)樾枰獙?duì)于沒有受損的材料進(jìn)行清除，所以需要更多的風(fēng)險(xiǎn)，而階梯修補(bǔ)在開始前首先需要對(duì)修補(bǔ)位置進(jìn)行打磨，直到整個(gè)位置形成一個(gè)個(gè)寬度均勻的臺(tái)階，深達(dá)損壞位置即可[3]。

2.3 其他修補(bǔ)類

對(duì)于航空復(fù)合材料來說，由于運(yùn)用的區(qū)域以及本身材質(zhì)的特殊性，從而導(dǎo)致其損壞程度也與普通金屬材料具有本質(zhì)的差異性。所以無法將其與傳統(tǒng)的修補(bǔ)方法相提并論，而筆者在前文已經(jīng)重點(diǎn)介紹了一些目前常用的修補(bǔ)方法，即貼補(bǔ)修補(bǔ)和挖補(bǔ)修補(bǔ)。而基于這兩種修補(bǔ)方法，目前工業(yè)還發(fā)展出更多新型的修補(bǔ)，即如電子束固化修補(bǔ)、光固化修補(bǔ)以及微波修復(fù)等等。而這些修復(fù)法則往往具有較快的修補(bǔ)效率，但是材料獲得能量的方法存在差異性，例如微波修補(bǔ)，則主要采用的是一種特殊的“膠接”方法，即在損壞地方加入微波吸收劑，然后強(qiáng)化該位置的磁導(dǎo)率，然后以特定的微波施加設(shè)備對(duì)修補(bǔ)位置導(dǎo)入微波，最終使其在較短的周期產(chǎn)生全新的、高強(qiáng)度的修復(fù)面，最終完成損傷的修補(bǔ)。

3 航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)技術(shù)運(yùn)用

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)技術(shù)主要可以運(yùn)用在航天領(lǐng)域，即如：某廠生產(chǎn)的直升機(jī)由于生產(chǎn)流程出現(xiàn)操作失誤，進(jìn)而導(dǎo)致材料受損，即材料蒙皮呈穿透裂傷，傷痕呈現(xiàn)梯形，長度約合16 mm，同時(shí)與兩邊距離為83 mm，如果根據(jù)受損問題以及特征，則可以選擇膠接方法進(jìn)行修復(fù)，而補(bǔ)片選擇主要是要求其外觀平坦，具有較強(qiáng)的粘結(jié)性，同時(shí)材料本身質(zhì)量較小，所以采用3236/T300預(yù)浸料最為合適，即可保證對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修復(fù)效果。另外，直升機(jī)本身對(duì)氣動(dòng)外形具有較高的要求，這些都需要通過修補(bǔ)流程的細(xì)化進(jìn)行管控，諸如采用貼補(bǔ)法，就可以將這種不利的影響降至最低，詳細(xì)的三個(gè)修補(bǔ)步驟如下。

首先，根據(jù)結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行判斷，找出損壞區(qū)域，同時(shí)標(biāo)明切除的位置以及坐標(biāo)，以金剛石掏芯，找出相應(yīng)的盲孔，然后以圖紙為標(biāo)準(zhǔn)算出相應(yīng)的深度，最后再將計(jì)算的深入減去0.11~0.12 mm，得出實(shí)際的深度，另外如果掏盲孔存在一定難度，則可以采用掏芯鉆頭確定盲孔位置。另外，修補(bǔ)位置需要以金剛石作為切割材料完成擴(kuò)孔打磨，最后在對(duì)其表面進(jìn)行完整加工，即需要保證加工表面的傾斜程度符合要求；其次，是對(duì)損傷區(qū)域進(jìn)行修補(bǔ)，可把膠膜、預(yù)浸料及其擋板放置于修補(bǔ)位置上，然后預(yù)浸圈根據(jù)損壞位置的特征進(jìn)行調(diào)整，本次修補(bǔ)采用的補(bǔ)片直徑為66 mm，纖維方向保持在-45°；最后是成型操作，即基于室溫進(jìn)行真空抽取，壓強(qiáng)約為0.09 MPa左右，同時(shí)配合每分鐘1.5 ℃的升溫速率將溫度提高至80 ℃，并且保留此溫度1.5 h，最后再將溫度提升至120 ℃保持2 h，再讓其自然降溫。

4 結(jié)語

根據(jù)本次修補(bǔ)流程分析，在該復(fù)合材料修補(bǔ)后，其承載能力較明顯的提升，即如修補(bǔ)前的失穩(wěn)載荷190 kN；破壞載荷246 kN；第一拐點(diǎn)載荷125 kN；而通過修補(bǔ)后，失穩(wěn)、破壞和第一拐點(diǎn)的載荷分別為280 kN，391 kN及155 kN。由此可見，以上顯著差異，即表明3236/T 300預(yù)浸料可以直接用于貼補(bǔ)貼補(bǔ)修補(bǔ)，同時(shí)能夠保證結(jié)構(gòu)的損壞得以恢復(fù)，同時(shí)通過其修補(bǔ)的材料強(qiáng)度甚至可以超過原材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，材料的使用效果完全得到恢復(fù)[5]。

對(duì)航空行業(yè)來說，設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性也是一個(gè)極其重要的特性。但也由于受到環(huán)境、工藝以及材質(zhì)的影響，材料本身的損傷會(huì)隨著使用周期的增加不斷增大。而對(duì)于整個(gè)設(shè)備的安全性也無法保證甚至影響到行業(yè)的整體運(yùn)作，所以需要通過相應(yīng)的修補(bǔ)方法進(jìn)行修補(bǔ)。而修補(bǔ)時(shí)除了在補(bǔ)片的選材以及修補(bǔ)的方法方面需要進(jìn)行相應(yīng)的篩選，同時(shí)還需要注意修補(bǔ)的操作以及流程都需要符合科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)修補(bǔ)采用的方法需要根據(jù)修補(bǔ)器械的運(yùn)用環(huán)境以及功能進(jìn)行考慮，即如飛機(jī)等需要考慮氣動(dòng)外形的完整性等，最終通過細(xì)致、有效的修補(bǔ)以達(dá)到相應(yīng)的效果。

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10.13520/j.cnki.rpte.2015.24.059

魏建義（1965-），男，工學(xué)士，畢業(yè)于中國人民解放軍空軍工程學(xué)院，講師，研究方向?yàn)楹娇諜C(jī)電設(shè)備維修。

2015-11-09