1、复合材料修理技术浅论?36?飞机设计第 2 期 2005 年 6 月复合材料修理技术浅论刘道庆,张树勇,焦韵忠(1.中国人民解放军驻沈阳飞机工业(集团)有限公司军事代表室,沈阳 110034)(2.沈阳飞机工业( 集团)有限公司,沈阳 110034)摘要:介绍了复合材料的特点及加工工艺方法,针对目前复合材料存在的损伤容限/耐久性设计在理论上尚不完善等一些问题,着重阐述了复合材料的修理技术,对飞机设计及制造具有一定的参考作用.关键词:复合材料;机加工艺;修理RepairTechniquesforCompositeStructuralMembersLiuDaoqing,ZhangShuyong,J
2、iaoYunzhongf1.PLAMilitaryRepresentativeOfficeinShenyangAircraftCorporation,Shenyang110034,China)(2.ShenyangAircraftCorporation,Shenyang110034,China)Abstract:Thispaperpresentscharacteristicsandprocessingtechiquesofcompositematerials.Inviewofnoavailablecompositematerialdamagetolerance/durabilitydesign
3、criteria,thepresentpaperplaceemphasisuponthediscussionofrepairtechniquesofcompositestructuralmemberstoprovideabasisforcompositestructuredesignandmanufacturing.Keywords:compositematerial;mechanicalprocessingtechnique;repair1 发展概况墓霪喜萎蜂窝夹芯结构蒙皮当前,复合材料由于拥有比强度高和比刚度高,耐腐蚀性能良好等许多优良特性,已在军用飞机的主承力结构上广泛应用.但由于生产的
4、部件也存在一些问题,所以要求复合材料在损伤时能得到及时合理的维修尤为重要,对航空制造业和部队来说,既可以节约经费,又可以保障安全,提高战斗力.2 存在问题(1)复合材料层压结构件层间强度低,剪切性能差,层间应力的存在是复合材料层压板发生层间分层破坏的主要原因.(2)夹层结构在长期使用中,易出现铝蜂窝收稿 13 期:2005 一 lO 一 15(3)复合材料层压结构自由边界存在层间应力集中现象,易引起自由边分层.(4)辅层顺序的不合理容易造成层板内的耦合效应.(5)树脂基体易于吸湿,温度的变化与材料水分含量的变化都将引起材料性能的变化与湿热变形.(6)层压板还将导致各层产生残余应力和残余变形,残
5、余应力的存在将影响层压板的强度.3 材料及工艺加工方法简介3.1 材料简介欲进行复合材料结构的修理,必须对其用刘道庆,张树勇,焦韵忠:复合材料修理技术浅论?37?材体系有一个初步的认识和概括的了解.复合材料涉及到的材料体系主要包括增强纤维,树脂基体,预浸料,胶黏剂和辅助材料等.增强纤维可用玻璃纤维,碳纤维,芳纶,硼纤维,碳化硅纤维,超高强聚乙烯纤维等植于基体,修理中常用的是碳纤维.树脂基体将纤维敛集黏附在一起,支承增强纤维的受力并起一定的作用.复合材料的韧性和环境耐受能力主要取决于树脂.树脂基体主要分热固性树脂和热塑性树脂两类.热固性树脂包括环氧树脂,双马来酰亚胺树脂,氰酸酯树脂,聚酰亚胺树脂
6、,酚醛树脂;包括聚砜,聚醚砜,聚醚醚酮,聚苯硫醚,聚醚酰亚胺J.预浸料是用树脂基体在严格控制的条件下浸渍连续纤维或织物,形成树脂基体和增强体的组合物,是复合材料的中间材料.其性质会带入复合材料,很大程度上影响复合材料的性能.其形式有单向预浸料(国内多用),织物预浸料(国外多用).胶黏剂是复合材料结构修理中必用的材料之一,多使用结构胶黏剂.对结构胶黏剂的要求主要是剪切强度和剥离强度,耐热性和耐介质及老化性能等.复合材料制造及修理中还需用到许多辅助材料,包括真空袋,透气材料,吸胶布,脱模剂,胶衣树脂,可剥保护层等,多为进口 C2.3.2 工艺简介不同的制造方法适用于不同的复合材料结构修理.成型工艺
7、包括热压罐成形,真空袋成形(修理常用),压力袋成形,模压成形,缠绕成形,挤拉成形,脂转移模塑成形(RTM).机加工艺主要有制件切割,边缘余量修切;连接装配中则有钻孑 L,锪窝,铰孑 L 等.这些工艺不小心会给复合材料造成严重的损伤,如分层,边缘起毛和出口处劈裂等.而修理中亦将更多遇到机加工艺问题.4 修理方法复合材料的修理与金属件有很大的区别.正如复合材料结构的制造一样,修理方案的设计与工艺是紧密相关的,在整个修理过程中,有几点必须要着重考虑.修理方案的制订必须根据损伤的大小进行.维修设计的目的是恢复结构完整性,因此应采用简单的维修方案,因为方案越复杂和越难,出错的机率就越大.而维修中出现的错
8、误常会被掩盖,往往要在以后的飞行中,补丁从飞机上脱出来时才会被发现.因此采取合理的修理方案才能保证质量.复合材料自从用作结构件以来,大致有 6 种基本的维修形式,现简述如下.4.1 化妆式修理当损伤不大,修理主要是对环境进行防护时,只须进行一种化妆式涂抹修理,这种修理早就用于一些次要的复合材料结构(玻璃增强塑料)件,如气动整流罩,无线罩(P 一 2 及 F 一 111飞机).修理时,损伤部位不一定要去除,但最后仍需排除水分.在损伤部位充填一种合适的封装化合物(如纯树脂或者与短纤维的混合物),然后在损伤部位用一层玻璃纤维/环氧布密封,如图 l 所示.低模量加强板/去除尖锐边缘密封补丁沿模线填胶黏
9、剂图 1 非结构件的化妆式修理4.2 层合加强板随着结构损伤,特别是薄的蒙皮及蜂窝夹层壁板的损伤严重程度的加大,要求损伤部位传递一些载荷时,修理方式将采用化妆式及半结构式,如图 2 所示.损伤部位通常要除去,将水分排掉,置换损坏的蜂窝芯子,或者插入泡沫树脂填塞,上面用胶黏剂粘接上加强板,填塞物应是低模量的材料,不承受大的载荷.这并不是一种新的修理方案,已用于蒙皮修理,并仍用于许多轻型通用飞机及超轻型飞机.图 2 半结构件式补丁修理蒙皮?38?飞机设计第 2 期 2005 年 6 月4.3 斜面补丁在相当薄的复合材料结构中,当有损伤存在而使结构完整性明显降低时,采用平头胶接补丁可使强度得到最大的
10、恢复.这种修理也可得到光滑的气动力表面.修理方法是去掉损伤,仔细开一斜面孔,修理前应将层合板进行干燥处理.补丁应设计并切成与孔相匹配,可以预先固化后粘结或与损伤区共固化.共固化的补丁一般强度高.修理时,也可用加强板补丁作为平头补丁的密封件.加强板补丁的厚度不应超过 4 个铺层,必要时可用低模量材料.图 3 所示为粘结的斜面补丁.图 3 粘接的斜面补丁4.4 螺栓连接的加强板厚度大需要充分恢复结构完整性的截面,可以采用螺接补丁.不过不大可能完全恢复结构强度,但恢复设计的承载能力是可行的.根据设计的需要,螺接补丁可以是半平头的或者双搭接式的,典型的形式如图 4 所示.修理时,去除损伤部位,做出一环
11、形端面的孔;去掉水分,钻一紧固件孔,将内侧的,平头的以及外侧壁板相连接.补丁及紧固件应涂以密封剂进行湿装配.低模镀填料钛补 lr 内侧图 4 螺接补丁的修理4.5 树脂注射有分层存在时,目前恢复局部刚度的办法是在损伤区注射树脂,即在分层的上面钻出 2 个孔,一个孔内注人低黏度树脂,另一个孔用作通气孔.如图 5 所示.此法虽然用起来颇为简单,但有不少缺点.4.6 微波修复在修复区注人微波吸收剂(或添加了“手性分子“ 的黏合剂), 以提高修复区材料的导电磁率,同时用特殊设计的微波施加器对修复区施加微波能,使之在数十秒内形成新的,更强的界面,将损伤或缺陷修复.1从空图 5 树脂注射修理5 修理依据5
12、.1 静强度和稳定性结构修理方案应能支承原结构的设计载荷或者恢复适当水平的损伤容限.(1)强度的恢复第一个问题是是否需要恢复整个强度或设计强度,这取决于损伤应力的分析结果.(2)稳定性许多损伤结构最令人关注的问题是在压缩载荷下的屈曲失稳,然后是如何有效恢复结构刚度.损伤应力分析可以表明何处存在结构的不稳定性.5.2 修理后的耐久性应考虑以下几点:(1)结构的疲劳循环加载对螺接或胶接接头的影响,损伤的增长.(2)在修理时如用了不相似的材料,应考虑可能存在的腐蚀,以便采取防蚀措施.(3)树脂型修理应考虑环境的降解作用,特别是在湿热环境下须降低设计许用值.5.3 刚度要求要使飞机的结构轻,刚度通常比
13、强度更加关刘道庆.张树勇,焦韵忠:复合材料修理技术浅论?39?键.修理亦应如此,必须保持结构刚度的完整性,因此应当考虑飞行表面以及操纵面的弯曲极限.修理不应改变飞机的飞行特性,颤振以及其他气动弹性会限制修理方案的设计,刚度增加会降低颤振速度.而刚度降低会改变飞行特性;载荷传递路径的变化也很可能超过具体部位的设计许用值,因此,修理部位的刚度应与母体结构的刚度相匹配.5.4 气动力平滑度当要求速度或油效最大时,气动力平滑度是一重要考虑因素.飞机上要求有非常好的气动平滑度的部件(例如前缘) 以及当附面层为层流的地方,必须用平头的或非常薄的外部补丁.修理的类型要根据制造技术,对飞机性能的降解作用以及修
14、理的方案等确定.5.5 质量修理补丁的尺寸以及局部质量的变化相对于部件总质量来说一般微不足道,但对质量敏感的结构(如飞行操纵面) 质量平衡的影响则很大.局部质量的变化必须控制在一定范围内,必要时,需要对部件质量进行重新平衡.5.6 工作温度工作温度影响修理材料特别是胶黏剂以及树脂的选择.必须选那些在所需工作温度范围内有足够强度的材料.湿热条件是影响修理设计的关键性条件.5.7 环境影响复合材料与胶黏剂的接头在各种环境特别是在液体及热循环环境中易产生降解.对修理方案的设计寿命要经常考虑的因素是吸潮.5.8 有关的机载系统修理的设计必须要与其他的机载系统匹配.(1)燃油系统的密封在现代飞机上,燃油
15、是装在机翼内的(“湿翼“).因此,对与燃油系统直接接触的机翼进行密封时,对油箱进行密封的补丁,必须适应非平面的油压力,并且不污染燃油系统.(2)防雷击补丁必须具有与母体结构相应的导电率,以防止雷击.(3)机械系统的运转在飞机飞行时要求活动的任何部件(或者与运动部件十分靠近的部件)在随后修理时,应确保不影响该部件的运转.例如,如果要修理收放式襟翼,则必须使其有适当的回收间隙.(4)成本及进度应当考虑修理成本及飞机停场和使用费用的成本.不过业已证明,只要有适当的设施及精于修理的人员,通常修理的成本低于更换的成本.5.9 多处损伤须要考虑多处损伤对飞机结构性能的影响.邻近的补丁不应对结构载荷传递路径
16、有不利影响,从而避免引起应力集中并使多处损伤补丁松脱.5.1O 隐身今日军用飞机最重要的性能之一是低的雷达反射截面,如飞机为隐身型设计,则补丁必须设计成保持模线,不致有不利的反射棱角.如 F 一 16和 F 一 18 等低隐身特性的飞机,隐身性不是修理设计所关心的问题 J.6 修理程序修理的过程通常采用以下的 1O 步法:(1)查找损伤可用肉眼或通过部件的性能明显不合格来发现损伤的位置.近表面的损伤可用锤子敲打试验.主要看结构是否按预计的那样工作或是否表现正常.(2)损伤程度的评估用肉眼发现损伤后,用更先进的无损检验技术来测定损伤的大小,形状及深度.这是最重要的一步,因为复合材料层合板的损伤多藏在表面之下,表面的损伤程度用肉眼看不到.(3)损伤应力的评估损伤的分析将用来确定恢复结构完整性所需的修理方案的类型.应计算应力状态,并将剩余结构强度与部件设计的许用强度或极限强度相对比.(4)修理方案的设计修理方案的设计分为非结构式,半结构式或全强度式.各种修理方案的设计总体是一样的,不过每一种设计都应分析其适用性.(5)修理结构的准备损伤处用标准的复合材料切削技术去除掉.如果要加工出孔,应采用几何形状简单的,例如圆形孔或端面为圆形的矩形孔,以消除有害的应力集中梯度.母体结构的修理准备包括水分的排除以及与补丁粘结所需的表面准备,即要保证粘?40?飞机设计第 2 期 2005 年 6 月
