51-先進復合材料修理(張適齡)

1、第二十四屆（2008）全國直升機年會論文先 進 復 合 材 料 修 理張適齡 李忠平 (國營錦江機械廠 四川成都 610043)摘 要： 隨著航空工業(yè)的迅猛發(fā)展，先進復合材料在航空產品上得到了前所未有的應用，廣泛的應用對復合材料構件的維護也提出了相應的要求。 本文主要介紹了復合材料的種類、相關特性；復合材料構件的檢測手段以及常見的缺陷、損傷的類型、原因，以及修理方法、修理工藝。其中修理工藝包括五個階段：表面準備階段，修理區(qū)確定標準與修理方案選擇階段，損傷表面的預處理階段，固化前的準備階段，修補階段。上一道工序是下一道工序的基礎，只有嚴格控制每道工序，才能達到復合材料構件修理的目標。關鍵詞：復合

2、材料 損傷 修理 檢測1. 前言在高新技術迅猛發(fā)展的今天，特別是航空、航天和海洋等開發(fā)領域的拓展，使材料的使用環(huán)境變得愈加惡劣，因此對材料提出了更加苛刻的要求。具有高的比強度、高的比模量、耐燒蝕、抗侵蝕、抗核、抗粒子云、透波、吸波、隱身、抗高速撞擊等一系列優(yōu)點的先進復合材料，在相關領域得到了廣泛的應用。為了進一步提高航空裝備使用的有效性，因此對產品的維護也提出了更高的要求。 2. 復合材料及應用復合材料是由兩種或兩種以上的獨立物理相通過化學或者物理化學組合而成的一種固體材料。復合材料由基體和增強劑兩個組分構成。通常把玻璃纖維復合材料稱為近代復合材料，把碳、硼、SiC等纖維增強復合材料稱為先進復

3、合材料。先進復合材料的比強度大于4106cm,比模量大于4106cm。復合材料按基體分類：一般包括樹脂基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料和碳基復合材料等。復合材料在新一代軍用戰(zhàn)斗機、民用客機和直升機上的用量比例已分別達到機身結構重量的24%、11%和54%，復合材料在飛機上的用量及其性能水平已成為飛機先進性的重要標志之一樹脂基復合材料具有良好的成型工藝性、高的比強度、高的比模量、低的密度、抗疲勞性、減震性、耐化學腐蝕性、良好的介電性能、較低的熱導率等特點，用于制造飛機機翼、機身、鴨翼、平尾和發(fā)動機外涵道；其中碳/環(huán)氧復合材料被大量用做次承力和主承力結構，如機體結構、機翼、旋翼等。金屬基

4、復合材料具有高的比強度、高的比模量、良好的高溫性能、低的熱膨脹系數、良好的尺寸穩(wěn)定性、優(yōu)異的導電導熱性。其中碳化硅纖維增強鈦基復合材料具有良好的耐高溫和抗氧化性能，是高推重比發(fā)動機的理想結構材料，目前已進入先進發(fā)動機的試車階段。 陶瓷基復合材料具有密度低、比強度高、熱機械性能和抗熱震沖擊性能好的特點，陶瓷基復合材料主要用于制作飛機燃氣渦輪發(fā)動機噴嘴閥，它在提高發(fā)動機的推重比和降低燃料消耗方面具有重要的作用。 碳碳復合材料質量輕、耐高溫、吸收能量大、摩擦性能好等特點，廣泛用于制作高速軍用飛機的剎車片。 3. 復合材料構件缺陷、損傷的類型、及檢測技術3.1 復合材料缺陷、損傷類型缺陷是構件在成型過

5、程中產生的，可歸納為氣孔、分層、界面分離、夾雜、樹脂固化不良、鉆孔損傷等類型；損傷是構件在使用過程中形成的，損傷的形式有脫膠、分層、基體龜裂、空隙增長、纖維斷裂、皺褶變形、腐蝕坑、劃傷、下陷、燒傷等。構件可能只出現一種形式的缺陷、損傷，也可能是幾種缺陷、損傷形式的組合。它對結構的影響可以分為兩類：一類缺陷或損傷對結構的強度和剛度影響很大，已達到設計不能允許的水平，此類結構必須進行修補或更換；另一類缺陷或損傷較輕，對結構的整體強度和剛度沒有影響，但在使用條件下可能擴展，使結構的剩余強度逐步接近甚至達到不能接受的水平。3.2無損檢測技術:復合材料構件在生產和使用過程中不可避免地存在大量的損傷缺陷，

6、復合材料的損傷缺陷一般由目視檢查和一些無損檢測等手段來檢查。其中無損檢測的的方法主要有：目視檢查 采用目視撿查可發(fā)現撞擊損傷壓痕、擦傷、邊緣分層、邊緣脫膠、裂紋、緊固件損傷、雷擊和燒傷等損傷射線檢測 主要是x 射線，通過檢測損傷與無損傷部位對射線的吸收能力差異判定損傷區(qū)的射線檢測可檢測出構件的表面裂紋也可以檢測出目視不能到達的內部裂紋。對于撞擊、雷擊等常規(guī)損傷，可以采用射線法確定損傷程度超聲波檢測 在無損檢測中，常用的是l5MHz的超聲波 對于復臺材料結構的分層和脫膠損傷，采用超聲波檢測法進行檢測是最有效的方法。聲發(fā)射檢測通過特定的加載程序 用聲響應變片檢測復臺材料主受力件在加載情況下的內部拭

7、傷情況。通過這些檢測手段可以準確地知道缺陷的位置、大小。4. 復合材料修補復合材料的修補方法是將已固化的、半固化的或未固化的復舍材料預投料片用膠接的方法貼補到破壞損傷部位而完成修理的一種方法。4.1. 復合材料修補主要類型：(1)非補強的裝飾性修補：這種修理類型是采用非結構性的方法保護已產生的允許損傷的部位；這些允許的損傷缺陷包括表面上的一些凹痕、劃痕、擦傷 起皺和氣泡等，對于這些損傷缺陷，經分析認為不影響復臺材料結構的強度、剛度和使用功能的，可用樹脂或膠粘劑充填受損部分 固化后修整表面。(2)貼補：或者稱為臨時修補它采用的方法是先鉆一個孔，切去受損部位的材料 然后把一塊補片用膠粘劑粘在孔的外

8、面。(3)挖補又稱為永久修補，與貼補一樣，它也是先鉆孔去除受損部位的材料 但不同的是，它所鉆的孔是一個有一定錐度的孔，然后用膠粘劑把相匹配的補片嵌接上去。4.2. 復合材料的修理過程無論是制造缺陷,還是使用損傷，一個復合材料受損構件，從確定損傷開始到完成修復，一般要經歷5個階段。(1)表面準備階段需要修理復合材料構件都必須進行正確的表面準備。首先，第一步使用溶劑（一般為甲基丁酮、甲基異丁基酮或丙酮）對待修表面進行擦拭。注意不可將溶液殘留在表面上等待揮發(fā)，這樣會在表面留下一層薄膜?？蛇\用雙層擦拭方法，用一塊干布和一塊濕布擦拭。對于無涂層表面，擦拭前須首先去除上面任何殘留可剝層；而對于噴漆表面，因

9、可能存在排除的殘留物，液體油或灰塵、臟物，。故首先要用洗滌劑擦洗，然后清除破壞區(qū)附近的漆層，范圍要大到足以滿足修復需要。此時不可使用洗滌水（香蕉水），因為這將侵蝕破壞復合材料的基體樹脂。一般用80號砂紙手工打磨涂漆層。去除漆層后，再用上述溶劑擦洗待修表面。第二步也是最重要的，是為了下一道工序做準備，即打磨、研磨或用塑料丸作噴丸處理。對于層板，有時還需要在待修破損時打磨成階梯鋪層，這一工作通常需使用打磨機進行。注意，表面打磨的目的是為了下一步膠接做準備，故經打磨后的表面仍需清理。可采用真空吸塵器吸出打磨作業(yè)時產生的磨粒，然后再擦洗干凈。但忌用壓縮空氣除層，以避免可能造成的脫膠或分層。對于損壞的蜂

10、窩夾層結構，表面準備尚包括芯體的準備，即去除以損壞的芯體和蜂窩殘留物，制出合適的填補芯塞的孔形，并據此制備蜂窩填補塞。一般對鏤銑頭，要求氣動、高速（2000rmin）,帶有基座、速度和深度控制以及鏤銑導引和模板。孔鋸則在夾芯層破壞延伸至下蒙皮時使用。(2)修理區(qū)確定標準與修理方案選擇階段在確定損傷區(qū)后，在正式修補作業(yè)前，通常用膠帶將待修理區(qū)域標出。即用高粘膠帶或類似的粘貼帶圍在修理區(qū)四周作標志。此時應注意避免受壓時膠帶可能進入修補材料內，“圍距”應盡量大一點（至少要在修理邊緣向外擴大30mm以上），保證足夠大的面積。在清洗和打磨時，便不會使膠帶干擾補片和膠膜。但這種作標志用的膠帶，要在修理作業(yè)

11、進行到固化階段前撕去。前面講到的各種膠接修理方法，歸納起來無非是“熱修補”與“冷修補”兩類。采用熱補法時，固化溫度將在95以上（有時將達到175或更高），必須使用加熱設備。加熱溫度的選取應選用的修補材料不同而有差異。采用冷補法時，一般是在常溫或65以下進行，但這種修理通常只用在暫時性修理中，需不斷的定期檢查，直到進行永久性修理為止。(3)損傷表面的預處理階段在進行損傷表面的預處理時，需確定已受損傷的鋪層數和所需增加的鋪層數。如手冊上沒有規(guī)定，則需要自動增加一層外鋪層。對于氣動表面和層合板，應進行錐體打磨，即圍繞被清除的損傷區(qū)用80號砂紙打磨出一個均勻的錐體。依照所采用的修理系統(tǒng)的不同，對每一個

12、原結構鋪層，均需留出大約12mm或者25mm的邊距。對于內表面或非關鍵的氣動表面，一般采用沒有錐面的外補強板修理（只有23個鋪層的面板，必須如此）。損壞區(qū)域則要用填充層填充到與原表面齊平，然后將補強片直接貼在已做平滑的填充區(qū)域上。(4)固化前的準備階段在固化前按照如下步驟進行準備工作:在維修區(qū)域上放一層帶孔的氟化乙烯-丙烯聚合物（FEP）作分離薄膜，其尺寸至少要比最大的維修鋪層大25mm。在修理區(qū)域邊緣的面板上布置三個電熱偶（平整地放在維修區(qū)域周圍），將其與相應的記錄儀連起來。在帶孔的FEP層疊放一層干燥的剝離層或同樣厚度的玻璃布作為泄流毯。該FEP層要大于電熱毯，并能和泄流毯的邊緣連接。在泄

13、流層上放一層緊密（不帶孔）的FEP分離薄膜。其大小應超出電熱毯，但要與表面泄流毯及吸膠層邊緣有12mm的邊距。在緊貼FEP分離薄膜上放置電熱毯，電熱毯至少要超出維修補片50mm在加熱層上鋪設46層玻璃布，尺寸要足夠大，使能同表面泄流毯相連。玻璃布可使電熱毯絕緣，防止損壞真空袋膜并且可作為表面透氣毯在真空袋周圍的整個維修區(qū)域上安放密封膠條，抽出真空袋下的空氣，至少要使氣壓降到560mmHg。選擇套封袋的大小用以包裹整個部分。按照結構修理手冊的規(guī)定選定合適的固化周期。固化維修時，用滯后的熱電偶來記錄固化溫度，并用一提前的熱電偶記錄控制器的控制溫度。(5)修補階段進行修補作業(yè)需特別注意以下幾點。更換

14、鋪層時，修理的鋪層和附加的額外鋪層，應從同一型號的織物上剪下。對于熱修補，第一鋪層直徑必須比損壞區(qū)域大25mm。對于冷修補，第一鋪層的直徑應比損壞區(qū)域大50mm。每個后續(xù)鋪層，包括任何額外鋪層都必須比它的前一層大出同樣的尺寸。此外，更換芯子上的鋪層時，要有一個與損傷區(qū)域同樣大小的底層作填充，以使補片下降最小。以防止突出的補片下沉，要有與原來鋪層數相同的填充鋪層。同時，應按鋪層的方向和順序鋪疊維修鋪層，尺寸最小的鋪層應首先鋪在待修區(qū)上。需要明確的是，當采用金屬補片修補時，一般來說這是一種對復合材料面板進行暫時性的修補，最多300h后要進行永久性的修補。并且，這種修補的允許最大尺寸是下面兩個尺寸中

15、最小的一個：對孔的容許損傷尺寸的1.5倍，或該項臨時修補允許尺寸的0.75倍。安裝補片時，需事先確定修補板的尺寸，加工修補板并在上面鉆孔。再通過修補板上在面板上鉆孔。在修補板蓋住的區(qū)域上涂上2.5mm厚的密封膠。裝上修補板，插入不銹鋼或鈦制緊固件時也要涂上密封膠，螺母下墊最小外徑為20mm的墊圈。小心地擰緊螺母防止壓塌蜂窩芯，在緊固件突出的頭上涂上密封膠。在修理區(qū)域要重新涂飾，導圓修補板，清除螺栓頭，螺母和墊片周圍的密封膠。表面修整 固化完畢后，對修補質量進行檢驗，用超聲波探傷儀檢測修補區(qū)域是否存在孔隙或脫膠現象。如果孔隙或脫膠面積大于10mm2時，應清除原修理材料，重新修補。檢驗合格后，拋光

16、、清洗表面，按原結構表面漆層類型重新噴漆。5. 總結及展望在復合材料修理過程中，每一個工序都很重要，這要求我們在做好本工序的同時，檢查上工序，服務下工序，這樣工作才能一步到位。復合材料正朝著高功能化、智能化和生態(tài)平衡化方向發(fā)展。智能材料(Smart，IntelligentMaterials)通常是指該材料具有感知與響應內外環(huán)境變化，在受到損傷時具有自檢知、自判斷進而自行動的功能。智能復合材料雖處于基礎數據累積階段，但它將成為材料最重要的一個發(fā)展方向。參 考 文 獻1 沃丁柱 李順林 王興業(yè) 復合材料大全 化學工業(yè)出版社 2000.12 石南林 復合材料導論 中國科學院金屬研究所 2004.23

17、 徐麗，張幸紅，韓杰才，航空航天復合材料無損檢測研究現狀J，材料導報，2005， Vol.19 No.8.4 代永朝 鄭立勝 飛機復合材料夾芯結構的粘接修補技術 應用技術2000.5 許占顯 孫占華 飛機復合材料結構的修補與無損評估 航空制造技術2003.126 陳祥寶 復合材料結構修補技術的發(fā)展 材料工程 1994.37 鄒國發(fā)，龍國榮，萬建平樹脂基復合材料蜂窩夾層結構修補技術研究 FRP/CM 2005.No.6The recondition of advanced compositesShingling Zhang Zhongping Li (State-owned Jinjiang M

18、achinery factory Chengdu of Sichuan province 610043)Abstract： With the rapid development of aviation industry, the advanced composites are used in aviation product unprecedently, which puts forward corresponding requirements to the maintenance of composite components. This paper mainly introduces the sort and properties of composites; detection means of composite component, common defects、types and reasons of damage and repairing method、repairing technics. There are five stages of composites repairing technology :(1) surface preparation stage;(2) determination standard of repairing area;(3)