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從波音787窺探航空復合材料修理

2019-03-26 13:59:21 作者：本網整理來源：網絡、航空制造網等分享至：

波音 787作為新一代客機運用了許多先進技術，其中787 最與眾不同的地方是大量使用先進的復合材料，連機身都用的是復合材料，大約結構重量的一半是復合材料。相比之下，757 飛機這個比例大約是 7%，777 大約是 11%。757 咱修了不少，感覺沒有達到 7% 的比例。傳統飛機用的是鋁合金結構機身。這張照片是在航空中心里照的 787 尾段，可能這是試生產留下的。

注意看復合材料也用鉚釘，但鉚釘的材料是鈦合金或者莫奈合金，這是防腐的需要。

復合材料用的鉚釘不能用一般的氣動捶擊式鉚槍，只能用擠壓式鉚槍，因為復合材料最大的缺點是抗沖擊能力太差復合材料的定義是很廣泛的，飛機上使用的復合材料主要是指碳（石墨）纖維、玻璃纖維、凱夫拉纖維和樹脂做成的。

以碳纖維復合材料為例，在同等質量條件下，其強度是鋁合金的 7 倍。使用復合材料的好處主要就從這里來的。既然復合材料又輕又結實，那用復合材料的飛機就更輕，能載更多的客貨了。鋁合金容易腐蝕，飛機飛的時間長了還有疲勞問題，會出現疲勞裂紋。

但復合材料就不然，它不腐蝕，也不疲勞。這帶來的好處就多了去了。傳統飛機大修時，飛機廁所、廚房、前后貨艙下面的地板梁，經常腐蝕得白花花的。用復合材料就不怕腐蝕了。

這 787，機身都用復合材料制造，強度遠高于鋁合金機身，因此，787 客艙的舷窗可以開的更大，客艙里的氣壓和濕度也可以升高。金屬飛機客艙里的氣壓相當于海拔 2,400 米的氣壓，氣壓再高，就太接近機身結構的安全限了。

很多人坐飛機時會覺得機艙里空氣太干燥，這可是故意的，太濕潤旅客覺得舒服，機身就受不了，要腐蝕了。復合材料部件可以把形狀做的很大，很復雜，相對來說還是比較容易的。因為使用復合材料，787 減少了 1,500 個鈑金件，40,000 到 50,000 顆鉚釘。

復合材料是代表，是方向。復材是設計出來的材料，即科研人員用已知性能的材料：纖維和樹脂，用不同的排列組合指向，計算出來，然后變計算為現實材料的。讓它在某個或某幾個希望的方向上力學性能最好，而在其他不那么重要的方向上性能做些妥協。

最典型的例子，復材在纖維方向上最結實，纖維或纖維布鋪層時改變方向，可以做到平面/曲面上其他方向上也結實。

但在纖維布的層間力量還是差，垂直方向很容易分層。但這是可以容忍的缺點。什么材料沒弱點呢？鋁合金好，但容易腐蝕；鈦合金好，但貴還容易裂紋。

看一下 787 上的部件都是那里制造的吧，小國旗標的很明白了。中國制造的有機身機翼整流罩，垂直安定面前緣，還有方向舵。最難做的飛機部件之一是飛機的大翼。制造商是日本三菱重工。

制造 787 機身的熱壓爐，里面的溫度和壓強是嚴格控制的，復合材料部件在熱壓爐里固化成型

維修中的復合材料發動機罩

個人感覺 787 修理的時候，航空公司就開始做惡夢了，飛機維修公司就笑逐顏開了。

比如說修發動機風扇機匣整流罩時，可以把它拆下來送到復合材料車間去修，不太嚴重的損傷就直接在原位修理了。修理時首先要把損傷的碳纖維層打磨掉，打磨掉了幾層纖維，就要按原來纖維布的鋪層方向修補幾層。

所以損傷部位最后要打磨成圓形或橢圓形的（理想狀態），中間最低，一層比一層擴大半英寸的斜面。這可是技術活，復合材料部件上一層碳纖維布也就 0.01 英寸，修三層，0.03 英寸厚，你要把它打磨成 1.5 英寸寬的斜面，還要分清楚每一層纖維布的鋪層方向！（英寸換毫米？1 英寸=25.4 毫米，您來做算術）一家飛機修理公司也就只有幾個人能把這活做得漂亮。

愿為修理最重要的一點，就是一定要保證，打磨的時候，絕對不能讓石墨纖維亂飛，所以在工作之前必須用塑料布搭個嚴嚴實實的帳篷，才能開工。否則石墨纖維飛到燃油流量控制器等電子器件里，那就災難了，石墨纖維可是導電的！

漂亮的碳纖維布

石墨除了在工業上應用廣泛，在軍事上也是很厲害的—石墨炸彈 BLU-114/B！海灣戰爭中，美軍的石墨炸彈癱瘓了伊拉克 85% 的電力供應；接下來在科索沃戰爭中，又摧毀了塞爾維亞 70% 的電力基礎設施。

怎么整的？一顆石墨炸彈里有很多小炸彈，小炸彈筒里裝了很多超細的，經過化學處理的石墨纖維束，我猜想為了達到更好的破壞效果，石墨纖維束應該是長短不一的。可能也用不著，一炸開，纖維就長短不一了。

石墨炸彈在變電所，變壓器跟前爆炸，炸出極多的石墨纖維，搭到哪里，哪里就形成導電通路，然后石墨纖維受熱蒸發，形成電弧……，想像一下！金屬做的供電設施哪里受的了這般連燒帶炸得折騰，Game Over了，修都沒法修！

復合材料在航空結構中的應用最初僅限于飛機次承力結構，而現今已廣泛應用于各種機型的主承力結構，在結構重量中占有的比例也逐漸增加。復合材料結構在生產、使用和維護過程中不可避免會產生缺陷或損傷，因此復合材料構件修理問題引起人們廣泛關注。

1復合材料的缺陷/ 損傷與修理容限

復合材料結構由于制造工藝的因素會產生缺陷，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、戰傷、裂紋、燃燒等。無論是先天生產缺陷還是后天機械損傷都會使飛機主承力結構受損、表面氣動性能下降，從而導致結構使用壽命降低。

在明確結構損傷或缺陷類型后，需根據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。結構的損傷容限是結構損傷從可檢測門檻值到臨界值之間的范圍，用以界定受損結構在規定的使用期內是否有足夠的剩余強度。而修理容限是結合修理工藝水平和經濟因素確定結構要修與不要修、能修與不能修的界限。修理容限與損傷容限的關系如圖1 所示。

導致飛機復合材料層合板和蜂窩加芯結構產生損傷最主要的原因是沖擊損傷，按照檢查發現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）。在航空維修領域內普遍認為飛機復合材料結構存在勉強目視可檢損傷時，結構承載能力能夠保持在1.5 倍限制載荷（1.5LL），假設此時目視檢出的概率為0 ；當結構出現較大損傷，即出現目視易檢損傷時仍能滿足限制載荷（1.0LL）的要求，假設此時目視檢出概率為1。據以上標準可以得到表1，沖擊損傷與結構承載能力的關系。

復合材料修理容限的定量確定實質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構強度達到原來的60%~80% 為修理下限，修理下限最大值為結構強度的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構強度的60%，這個指標僅僅適用于非承力結構，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，進行修理已經超出經濟性、技術性可行范圍，選擇不進行維修而是更換結構，此時缺陷和損傷的標準為修理上限。

2復合材料修理方法研究現狀

當確定復合材料損傷或缺陷在修理容限之內時可以選擇合適的方法對損傷進行修理。常用的修理方法如下。

填充與灌注修理

對于非承力的復合材料結構，如氣動整流罩、天線罩等結構，與受載較小的蜂窩夾層結構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/ 環氧布密封，防止濕氣滲入及損傷擴大。

機械連接修理

在過去的十幾年中，已經有許多研究者針對螺栓連接修理方法分別采用解析法、數值法和試驗法進行了研究。這一修理方法是在損傷結構的外部用螺栓或鉚釘固定一個外部補片，使損傷結構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生應力集中，導致抗疲勞性能不佳。現階段機械連接修理技術已經廣泛采用新設備新技術，向自動化、柔性化、智能化的方向發展。

膠結修理膠結修理

通常比機械連接修理更可靠，不會產生孔而導致應力集中，膠結修理又分為膠結貼補修理和膠結挖補修理。

1 膠結貼補修理

近些年來，對復合材料結構的貼補修補技術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構，用膠結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 膠結挖補修理

對于膠結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展。對受沖擊損傷的復合材料層合板和蜂窩結構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構的強度。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的方法將其修補完整。層合板結構和蜂窩夾芯結構填補時均可采用階梯挖補和楔形挖補法，具體如圖2、3 所示。

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，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構內部的損傷裂紋與分層處。之后對修理結構進行預熱，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構強度，是一種理想的外場修理方法。補片修理損傷或缺陷結構時，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動，從而制熱。為了使制熱效應在復合材料中產生，在修復區注入微波吸收劑，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，同時用特殊設計的微波施加器對修復區施加微波能，使之在數十秒之內形成新的、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、結構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域，大大減少固化應力、熱應力和局部加熱對周圍區域的影響。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生一系列活潑的粒子，臨近的分子激發活潑粒子釋放能量，形成化學鍵，達到固化修理的目的。

3 光固化修理

光固化預浸料膠結修理技術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，修理后補片與原結構貼合較好，具有恢復原有結構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部損傷修理。

4 激光自動化修理

近年來，國際上也出現了自動修復復合材料的新技術，如采用激光技術自動修復復合材料結構。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，而損傷區外的纖維和樹脂完好無損。該技術對復合材料結構不會產生力量或振動，對整體強度或完整性沒有不利影響。損壞區域很干凈，使用現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構承載要求、受載情況、氣動外形要求、損傷嚴重程度和修理技術水平和經濟性限制等因素。各種方法也有各自優缺點。表2 對上述復合材料結構修理方法進行了簡要對比。

3修理效果評估標準

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

（1）修理后結構強度恢復到設計強度；（2）修理時保持結構剛度的完整性，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構性能，包括疲勞加載對螺栓或膠結接頭的影響、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境中的降解作用；（4）結構質量增加最小；（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 存在問題與發展方向

雖然國際上對復合材料的修理的研究已經日趨成熟，但國內技術的研究起步較晚。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構進行維修，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件，積累了一定的修理經驗，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下的結構，在受到損傷后的剩余強度的確定需要試驗驗證，而國內仍缺少這方面研究的試驗儀器和設備。國內積累的復合材料修理經驗主要對象為次承力結構，多為外場應急修理，對主承力構件基本沒有進行修理適用性研究。修理材料方面，國內尚不能生產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據，可供選擇經過試驗驗證的修理材料種類很少。對于最廣泛采用的膠結修理方法，仍有很多工作需要開展。如對大曲率層合板結構的修理，對膠黏劑受力特性的在復合材料厚度方向上表現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，疲勞作用對修理結構性能的影響都亟需進一步研究。在修理驗證方面，經修理后結構是否恢復強度要求并滿足適航條例規定仍需要理論分析做基礎，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，從簡單結構到復雜結構逐步進行。

復合材料修理技術需要不斷汲取新技術，向優質、高效和低成本方向發展，成熟健全的修理技術是復合材料在航空結構上的廣泛使用的有力保障。

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責任編輯：韓鑫