復合材料結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)、使用過程中難免會發(fā)生損傷，那該如何修理呢？如今，復合材料在航空結(jié)構(gòu)中的應用最初僅限于飛機次承力結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)今已廣泛應用于各種機型的主承力結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)重量中占有的比例也逐漸增加。下面，我們就以航空復合材料結(jié)構(gòu)為例，為您詳細講解復合材料結(jié)構(gòu)損傷的修理方法。

1西安復合材料的缺陷/損傷與修理容限

復合材料結(jié)構(gòu)由于制造工藝的因素會產(chǎn)生缺陷，如空隙、分層、脫膠等；裝配過程中，在外載作用下也會出現(xiàn)損傷，常見損傷有分層、脫膠、表面劃傷、錯鉆孔、孔邊損傷、沖擊損傷、雷擊損傷、戰(zhàn)傷、裂紋、燃燒等。無論是先天生產(chǎn)缺陷還是后天機械損傷都會使飛機主承力結(jié)構(gòu)受損、表面氣動性能下降，從而導致結(jié)構(gòu)使用壽命降低。

在明確結(jié)構(gòu)損傷或缺陷類型后，需根據(jù)受力狀況及危及飛行安全的嚴重程度確定損傷容限和修理容限。結(jié)構(gòu)的損傷容限是結(jié)構(gòu)損傷從可檢測門檻值到臨界值之間的范圍，用以界定受損結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用期內(nèi)是否有足夠的剩余強度。而修理容限是結(jié)合修理工藝水平和經(jīng)濟因素確定結(jié)構(gòu)要修與不要修、能修與不能修的界限。修理容限與損傷容限的關(guān)系。

導致飛機復合材料層合板和蜂窩加芯結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷最主要的原因是沖擊損傷，按照檢查發(fā)現(xiàn)難易程度可分為勉強目視可檢損傷（BVID）、目視可檢損傷（VID）和目視易檢損傷（EVID）。在航空維修領(lǐng)域內(nèi)普遍認為飛機復合材料結(jié)構(gòu)存在勉強目視可檢損傷時，結(jié)構(gòu)承載能力能夠保持在1.5倍限制載荷（1.5LL），假設(shè)此時目視檢出的概率為0；當結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大損傷，即出現(xiàn)目視易檢損傷時仍能滿足限制載荷（1.0LL）的要求，假設(shè)此時目視檢出概率為1。據(jù)以上標準可以得到表1，沖擊損傷與結(jié)構(gòu)承載能力的關(guān)系。

復合材料修理容限的定量確定實質(zhì)上是確定缺陷和損傷的驗收標準。當損傷較輕，剩余強度高于或等于缺陷和損傷的標準時，可以不修，此時標準為修理下限。波音公司以損傷后結(jié)構(gòu)強度達到原來的60%~80%為修理下限，修理下限最大值為結(jié)構(gòu)強度的80%，此時目視可檢的概率為60%以上，對應剩余強度為1.2LL， 符合工程實際。修理下限的最小值為結(jié)構(gòu)強度的60%，這個指標僅僅適用于非承力結(jié)構(gòu)，如翼身整流罩、雷達罩等，此時剩余強度為0.9LL。當缺陷或損傷過于嚴重，進行修理已經(jīng)超出經(jīng)濟性、技術(shù)性可行范圍，選擇不進行維修而是更換結(jié)構(gòu)，此時缺陷和損傷的標準為修理上限。

2西安復合材料修理方法研究現(xiàn)狀

當確定復合材料損傷或缺陷在修理容限之內(nèi)時可以選擇合適的方法對損傷進行修理。

填充與灌注修理

對于非承力的復合材料結(jié)構(gòu)，如氣動整流罩、天線罩等結(jié)構(gòu)，與受載較小的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的不嚴重損傷可采用填充與灌注的修理方法。修理的損傷主要表現(xiàn)為表面劃痕、凹坑、部分蜂窩芯子損傷、蒙皮位置錯鉆孔、孔尺寸過大等。修理時損傷部位不需要去除，在損傷部位填充合適的封裝化合物，在除濕后在損傷部位用一層玻璃纖維/環(huán)氧布密封，防止?jié)駳鉂B入及損傷擴大。

機械連接修理

在過去的十幾年中，已經(jīng)有許多研究者針對螺栓連接修理方法分別采用解析法、數(shù)值法和試驗法進行了研究。這一修理方法是在損傷結(jié)構(gòu)的外部用螺栓或鉚釘固定一個外部補片，使損傷結(jié)構(gòu)遭到破壞的載荷傳遞路線得以重新恢復，連接方法大多采用螺栓連接，亦可以采用鉚釘連接，尤其是單面鉚接。由于復合材料具有脆性及各向異性的屬性，螺栓孔或鉚釘孔邊會產(chǎn)生應力集中，導致抗疲勞性能不佳?，F(xiàn)階段機械連接修理技術(shù)已經(jīng)廣泛采用新設(shè)備新技術(shù)，向自動化、柔性化、智能化的方向發(fā)展。

膠結(jié)修理

膠結(jié)修理通常比機械連接修理更可靠，不會產(chǎn)生孔而導致應力集中，膠結(jié)修理又分為膠結(jié)貼補修理和膠結(jié)挖補修理。

1膠結(jié)貼補修理

近些年來，對復合材料結(jié)構(gòu)的貼補修補技術(shù)的研究不斷向前推進，在試驗和理論方面都取得了一定成果。這種方法適用于外場修理，多用于平面形制件，板厚較薄、載荷不大、氣動外形要求不高的結(jié)構(gòu)，用膠結(jié)的方法將補片貼于復合材料制件的缺陷或損傷部位。在飛機表面膠結(jié)貼補修理時，為了使連接處截面變化較為緩和，補片四周一般做成斜削的形狀。膠黏劑選擇時應滿足剪切強度和剝離強度的要求。

2膠結(jié)挖補修理

對于膠結(jié)挖補修理方法的研究始于20世紀90年代，近些年來又有了長足的發(fā)展。對受沖擊損傷的復合材料層合板和蜂窩結(jié)構(gòu)挖補修理是一種非常有效的修理方法，可以最大限度恢復結(jié)構(gòu)的強度。挖去損傷或缺陷的部位，留下一個具有錐度的孔，先對層合板進行干燥處理，然后再用復合材料補片通過膠結(jié)的方法將其修補完整。

樹脂注射修理

樹脂注射修理是用流動性較好的樹脂注入分層或脫粘的缺陷、損傷區(qū)，但僅限于分層脫粘或板、孔邊緣損傷的修理。修理時在分層的層合板上鉆出2個孔，一個空內(nèi)注入低粘度樹脂，另一個孔做通氣孔，如圖4所示。修理時先進行材料準備，包括損傷確認、表面處理和鉆孔。鉆孔時只能鉆透層合板的一半厚度，這樣注入的樹脂也能達到結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷裂紋與分層處。之后對修理結(jié)構(gòu)進行預熱，抽真空后注入樹脂完成修復。

快速修理方法

近些年來，工程上廣泛采用了多種適應于外場的復合材料快速修理方法，主要有微波修復方法、電子束固化修理方法、光固化修理方法和激光自動修理方法。

1微波修復

采用微波對復合材料進行修復能夠迅速恢復結(jié)構(gòu)強度，是一種理想的外場修理方法。補片修理損傷或缺陷結(jié)構(gòu)時，微波能加速固化過程，起主導作用的是微波的制熱效應，常用樹脂等高分子材料，包括膠黏劑多為含極性基團的聚合物，這些極性分子在交變電場的作用下將隨外施電場的頻率轉(zhuǎn)動，從而制熱。為了使制熱效應在復合材料中產(chǎn)生，在修復區(qū)注入微波吸收劑，以提高材料的導電磁率，或采用能高效吸收微波的高速固化膠黏劑，同時用特殊設(shè)計的微波施加器對修復區(qū)施加微波能，使之在數(shù)十秒之內(nèi)形成新的、更強的界面，修復損傷。

2電子束固化修理

電子束固化修理具有固化速度快、溫度低、模具成本低的優(yōu)勢，法國、美國、意大利等國家先后開始對這種固化方式在復合材料修理方面的研究。電子束固化基體樹脂、結(jié)構(gòu)膠黏劑或預浸料可在室溫或接近室溫及接觸壓力下固化，電子束可以被限制在修理區(qū)域，大大減少固化應力、熱應力和局部加熱對周圍區(qū)域的影響。適用于修理的電子束固化機理是采用高能量電子束碰撞目標分子，釋放足夠的能量使其產(chǎn)生一系列活潑的粒子，臨近的分子激發(fā)活潑粒子釋放能量，形成化學鍵，達到固化修理的目的。

3光固化修理

光固化預浸料膠結(jié)修理技術(shù)是利用光敏膠固化速度快的特點，將預浸料補片貼到損傷部位，利用紫外光照射固化，對裂紋、孔洞、腐蝕、灼傷等損傷進行快速修復。修復的補片可預先制備，操作簡單、從實施修理到裝備投入使用的時間短，修理補片在固化前呈柔性，粘貼可根據(jù)需要任意改變形狀，適用于各種復雜形狀的機件修理，修理后補片與原結(jié)構(gòu)貼合較好，具有恢復原有結(jié)構(gòu)形狀和保持氣動外形的能力。修理需要操作空間小，適用于空間狹窄的內(nèi)部損傷修理。

4激光自動化修理

近年來，國際上也出現(xiàn)了自動修復復合材料的新技術(shù)，如采用激光技術(shù)自動修復復合材料結(jié)構(gòu)。使用激光清除損壞的材料，用激光將每層復合材料的樹脂融化，剩下松動的纖維用刷子刷掉，處理下一層，而損傷區(qū)外的纖維和樹脂完好無損。該技術(shù)對復合材料結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生力量或振動，對整體強度或完整性沒有不利影響。損壞區(qū)域很干凈，使用現(xiàn)場就可固化的加熱氈作為替換的補丁來修補。

修理方法對比分析

不同修理方法適用范圍不同，在選擇修理方法時需要綜合考慮結(jié)構(gòu)承載要求、受載情況、氣動外形要求、損傷嚴重程度和修理技術(shù)水平和經(jīng)濟性限制等因素。各種方法也有各自優(yōu)缺點。表2對上述復合材料結(jié)構(gòu)修理方法進行了簡要對比。

3修理效果評估標準

近些年，國外對復合材料構(gòu)件修理效果的評估逐漸形成了完整的體系，主要評估內(nèi)容可以歸納如下：

（1）修理后結(jié)構(gòu)強度恢復到設(shè)計強度；

（2）修理時保持結(jié)構(gòu)剛度的完整性，并且充分考慮飛行表面和操縱面的彎曲極限，不能改變飛機的飛行特性；

（3）從耐久性的角度考察結(jié)構(gòu)性能，包括疲勞加載對螺栓或膠結(jié)接頭的影響、損傷的增長，不相似材料導致的腐蝕作用和樹脂材料在濕熱環(huán)境中的降解作用；

（4）結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加最??；

（5）保持飛機外形的氣動平滑度；

（6）修理過程可操縱性好，修理成本低。

4存在問題與發(fā)展方向

雖然國際上對復合材料的修理的研究已經(jīng)日趨成熟，但國內(nèi)技術(shù)的研究起步較晚。從20世紀80年代開始針對缺陷影響、無損探傷的修理方法和修理工藝開展探索性研究。20世紀90年代開始跟蹤國外復合材料修理方法，完成了主要修理方法的驗證工作，也針對碳纖維層合板T300/5405、T300/QY8911，膠黏劑J116、J159等具體修理材料進行了初步評定；嘗試著對一些機型的復合材料結(jié)構(gòu)進行維修，如服役中殲擊機的雷達罩、直升機涵道垂尾、客機的升降舵等復合材料構(gòu)件，積累了一定的修理經(jīng)驗，但是在很多方面與國外相比還有很大差距。

修理容限的范圍界定尚未成熟，尤其是處于復雜應力狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)，在受到損傷后的剩余強度的確定需要試驗驗證，而國內(nèi)仍缺少這方面研究的試驗儀器和設(shè)備。國內(nèi)積累的復合材料修理經(jīng)驗主要對象為次承力結(jié)構(gòu)，多為外場應急修理，對主承力構(gòu)件基本沒有進行修理適用性研究。修理材料方面，國內(nèi)尚不能生產(chǎn)用于復合材料修理的原材料（預浸料），復合材料修理手冊中提及的膠黏劑缺乏試驗測試數(shù)據(jù)，可供選擇經(jīng)過試驗驗證的修理材料種類很少。對于最廣泛采用的膠結(jié)修理方法，仍有很多工作需要開展。如對大曲率層合板結(jié)構(gòu)的修理，對膠黏劑受力特性的在復合材料厚度方向上表現(xiàn)出的非線性特征對修理效果的影響，固化溫度對修理效率的影響，疲勞作用對修理結(jié)構(gòu)性能的影響都亟需進一步研究。在修理驗證方面，經(jīng)修理后結(jié)構(gòu)是否恢復強度要求并滿足適航條例規(guī)定仍需要理論分析做基礎(chǔ)，并伴隨大量試驗支持，試驗研究可從試樣級到元件級再到部件級，從簡單結(jié)構(gòu)到復雜結(jié)構(gòu)逐步進行。

西安復合材料修理技術(shù)需要不斷汲取新技術(shù)，向優(yōu)質(zhì)、高效和低成本方向發(fā)展，成熟健全的修理技術(shù)是復合材料在航空結(jié)構(gòu)上的廣泛使用的有力保障。

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