在航空領(lǐng)域，復(fù)合材料憑借比強(qiáng)度高、比模量高、疲勞性好以及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等突出優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用愈發(fā)廣泛。例如，A350 與 B787 飛機(jī)上復(fù)合材料用量占全機(jī)質(zhì)量已超 50%;國(guó)產(chǎn) C919 飛機(jī)復(fù)合材料占比約 12%，《2025-2030年全球及中國(guó)樹脂行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報(bào)告》預(yù)計(jì) CR929 飛機(jī)復(fù)合材料占比將提升至 50% 以上。然而，飛機(jī)復(fù)合材料零部件在生產(chǎn)制造和服役過(guò)程中，常因工藝控制不當(dāng)、自然環(huán)境影響和外來(lái)物撞擊等，出現(xiàn)各類缺陷和損傷。樹脂作為復(fù)合材料的關(guān)鍵組成部分，在飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理中起著不可或缺的作用。隨著2025年樹脂行業(yè)不斷發(fā)展，飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理技術(shù)迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。
2.1 按損傷現(xiàn)象精準(zhǔn)分類
飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷按現(xiàn)象可分為表面損傷和內(nèi)部損傷。劃痕、擦傷、凹坑、燒蝕、褶皺屬于目視可見(jiàn)的表面損傷;分層、脫膠、濕氣進(jìn)水則需通過(guò)無(wú)損探測(cè)才能發(fā)現(xiàn)的內(nèi)部損傷。
2.2 從損傷原因深入剖析
從損傷原因來(lái)看，沖擊損傷最為常見(jiàn)，多由工具脫落、地面器材、飛鳥撞擊等外來(lái)物造成，可導(dǎo)致復(fù)合材料結(jié)構(gòu)剝落、分層、脫膠等破壞。雷擊損傷出現(xiàn)頻率相對(duì)較低，當(dāng)飛機(jī)遭遇雷擊且防護(hù)措施失效時(shí)，復(fù)合材料構(gòu)件表面會(huì)燒蝕、炭化，還可能引發(fā)內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)。疲勞損傷較為少見(jiàn)，飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件在長(zhǎng)期交變荷載作用下，會(huì)出現(xiàn)基體樹脂開(kāi)裂、纖維斷裂等現(xiàn)象，襟翼頻繁展開(kāi)和收起就可能引發(fā)此類損傷。
2.3 依據(jù)損傷程度合理處理
依據(jù)損傷程度，飛機(jī)復(fù)合材料損傷可分為可允許損傷、可修理?yè)p傷和不可修理?yè)p傷?？稍试S損傷較小，不影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)功能和完整性，如微小劃痕或淺凹坑，可通過(guò)打磨、涂漆處理。可修理?yè)p傷超出許可范圍，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能下降，如復(fù)合材料層合板分層損傷，可采用注膠修理或鋪層修理恢復(fù)性能。不可修理?yè)p傷范圍過(guò)大，無(wú)法通過(guò)修理恢復(fù)原有結(jié)構(gòu)性能，如嚴(yán)重沖擊穿孔、大面積分層和脫膠，此時(shí)只能更換零部件。
3.1 多維度損傷評(píng)估
制定修理方案前，需對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的缺陷或損傷進(jìn)行綜合評(píng)估，考量損傷數(shù)量、位置、類型以及結(jié)構(gòu)件的重要程度等。不同重要程度的結(jié)構(gòu)件，損傷修理容限判定標(biāo)準(zhǔn)不同。飛機(jī)交付前，損傷評(píng)估依據(jù)主要來(lái)自復(fù)材件驗(yàn)收條款;交付服役后，評(píng)估依據(jù)則主要來(lái)自飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理手冊(cè)。
3.2 多樣化修理方法
飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理方法豐富多樣，包括鋪層修理、注膠與填膠修理、膠接修理和機(jī)械修理等。鋪層修理適用于復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)內(nèi)部大面積分層等可修理?yè)p傷，將損傷區(qū)域逐層打磨切除，用預(yù)浸料或濕鋪層制作補(bǔ)片，重新鋪貼并固化。注膠修理針對(duì)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)內(nèi)部小面積分層等損傷，通過(guò)針孔注射低粘度樹脂，使其在損傷區(qū)固化粘合。填膠修理用于復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)表面劃痕、凹坑等損傷，在損傷區(qū)域填充樹脂膠或混合物。膠結(jié)修理適用于厚度較薄的復(fù)合材料板件完全斷裂損壞的情況，通過(guò)搭接和膠粘劑固化粘接斷裂板件與補(bǔ)強(qiáng)片。機(jī)械連接修理則針對(duì)有一定厚度的復(fù)合材料板件斷裂或損傷無(wú)法用鋪層修理恢復(fù)承載的情況，通過(guò)緊固件將損傷件與補(bǔ)強(qiáng)件螺接或鉚接。
4.1 明確修理準(zhǔn)則
飛機(jī)復(fù)合材料層合板鋪層修理需遵循多項(xiàng)準(zhǔn)則。在結(jié)構(gòu)性能恢復(fù)方面，要恢復(fù)結(jié)構(gòu)承載能力、傳載路徑，保證結(jié)構(gòu)剛度，使其在疲勞、腐蝕和環(huán)境影響下性能穩(wěn)定，同時(shí)不改變飛機(jī)氣動(dòng)外形。在使用功能恢復(fù)方面，要恢復(fù)原結(jié)構(gòu)使用功能，如雷達(dá)罩透波率。在修理增重方面，需準(zhǔn)確評(píng)估并控制修理增重，滿足飛機(jī)質(zhì)量平衡要求。在修理效率與成本方面，要優(yōu)化工藝流程，合理選擇材料和方法，降低修理成本。在修理工藝與材料方面，所有材料需按規(guī)范選用，遵循相應(yīng)工藝規(guī)范。此外，還需注意固化加熱次數(shù)限制、恢復(fù)原結(jié)構(gòu)防護(hù)措施以及防止電化腐蝕等問(wèn)題。
4.2 規(guī)范鋪層修理工序
鋪層修理主要工序包括清除水分、清除損傷、打磨清潔損傷區(qū)、預(yù)浸料或濕鋪層鋪層、封裝、固化、整修表面和修后檢測(cè)。
4.3 預(yù)浸料鋪層修理實(shí)例操作
以 100mm×100mm 的碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層合板為試板，假定第 3 層鋪層有直徑約 10mm 近圓形夾雜物。選用室溫固化碳纖維環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，厚度約 0.25mm，可加熱至 80℃以下加快固化速度。首先在透明薄膜上制作模線樣板，將樣板粘貼在試板上，畫出打磨區(qū)域并進(jìn)行逐層階梯打磨。打磨后用芳綸布蘸丙酮清潔。提前取出預(yù)浸料下料，制作補(bǔ)片并標(biāo)識(shí)。將模線樣板再次定位粘貼，涂抹樹脂膠后按順序鋪貼補(bǔ)片。之后進(jìn)行封裝，抽真空檢查后加熱至 80℃固化 0.5h，拆真空泵保壓 2h，最后打磨拋光并進(jìn)行超聲無(wú)損探傷。
4.4 濕鋪層修理實(shí)例操作
以100mm×100mm碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層合板和玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層合板為試板，假定第3層鋪層有直徑約10mm長(zhǎng)圓狀分層。選用玻璃纖維織物、室溫固化 A/B 組分樹脂，纖維厚度約 0.15mm，可加熱至 80℃以下加快固化速度。先按圖紙裁切長(zhǎng)圓孔紙質(zhì)模板，在試板上劃線并進(jìn)行逐層階梯打磨，打磨后清潔。下料玻璃纖維布和無(wú)孔隔離膜，計(jì)算樹脂總量并調(diào)配。制作濕鋪層并按樣板劃線、下料、制作補(bǔ)片。定位鋪貼補(bǔ)片后進(jìn)行封裝，抽真空檢查，加熱至 80℃固化 0.5h，拆真空泵保壓 2h，最后打磨拋光并進(jìn)行超聲無(wú)損探傷。
4.5 鋪層修理工藝問(wèn)題反思
對(duì)修理后的試板進(jìn)行目視檢查和超聲無(wú)損檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)部分試板出現(xiàn)二次損傷、孔隙超標(biāo)、分層等現(xiàn)象。經(jīng)分析，打磨時(shí)應(yīng)選擇合適打磨頭低速操作，避免損傷完好區(qū)域;要做好打磨區(qū)域清潔保護(hù)，防止二次污染;鋪層刮平時(shí)要控制力度，避免氣泡和缺膠;注意鋪層角度，防止出錯(cuò);封裝時(shí)檢查鋪覆順序，及時(shí)進(jìn)行抽真空泄漏檢查和補(bǔ)救;同時(shí)要考慮濕熱環(huán)境對(duì)修理結(jié)果的影響，并繼續(xù)開(kāi)展修復(fù)后試板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與試驗(yàn)驗(yàn)證。
隨著2025年樹脂行業(yè)的發(fā)展，飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷分析和修理技術(shù)取得顯著進(jìn)步。理論數(shù)據(jù)庫(kù)和分析模型不斷完善，傳統(tǒng)修理方法持續(xù)改進(jìn)創(chuàng)新，新興快捷修理方法不斷涌現(xiàn)，輔助修理監(jiān)測(cè)手段逐步完善，飛機(jī)復(fù)合材料修理技術(shù)正朝著高質(zhì)、高效、便捷、低成本的方向發(fā)展。未來(lái)，我國(guó)需借鑒國(guó)外成熟經(jīng)驗(yàn)，建立健全飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，搭建規(guī)范化、數(shù)字化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)共享，推動(dòng)復(fù)合材料修理向標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、自動(dòng)化邁進(jìn)，提升我國(guó)航空產(chǎn)業(yè)綜合實(shí)力 。
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