51-先進(jìn)復(fù)合材料修理(張適齡)

1、第二十四屆（2008）全國直升機(jī)年會論文先 進(jìn) 復(fù) 合 材 料 修 理張適齡 李忠平 (國營錦江機(jī)械廠 四川成都 610043)摘 要： 隨著航空工業(yè)的迅猛發(fā)展，先進(jìn)復(fù)合材料在航空產(chǎn)品上得到了前所未有的應(yīng)用，廣泛的應(yīng)用對復(fù)合材料構(gòu)件的維護(hù)也提出了相應(yīng)的要求。 本文主要介紹了復(fù)合材料的種類、相關(guān)特性；復(fù)合材料構(gòu)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(gè)階段：表面準(zhǔn)備階段，修理區(qū)確定標(biāo)準(zhǔn)與修理方案選擇階段，損傷表面的預(yù)處理階段，固化前的準(zhǔn)備階段，修補(bǔ)階段。上一道工序是下一道工序的基礎(chǔ)，只有嚴(yán)格控制每道工序，才能達(dá)到復(fù)合材料構(gòu)件修理的目標(biāo)。關(guān)鍵詞：復(fù)合

2、材料 損傷 修理 檢測1. 前言在高新技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，特別是航空、航天和海洋等開發(fā)領(lǐng)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(qiáng)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(diǎn)的先進(jìn)復(fù)合材料，在相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。為了進(jìn)一步提高航空裝備使用的有效性，因此對產(chǎn)品的維護(hù)也提出了更高的要求。 2. 復(fù)合材料及應(yīng)用復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的獨(dú)立物理相通過化學(xué)或者物理化學(xué)組合而成的一種固體材料。復(fù)合材料由基體和增強(qiáng)劑兩個(gè)組分構(gòu)成。通常把玻璃纖維復(fù)合材料稱為近代復(fù)合材料，把碳、硼、SiC等纖維增強(qiáng)復(fù)合材料稱為先進(jìn)復(fù)

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

4、復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度、高的比模量、良好的高溫性能、低的熱膨脹系數(shù)、良好的尺寸穩(wěn)定性、優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性。其中碳化硅纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)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(jī)的理想結(jié)構(gòu)材料，目前已進(jìn)入先進(jìn)發(fā)動機(jī)的試車階段。 陶瓷基復(fù)合材料具有密度低、比強(qiáng)度高、熱機(jī)械性能和抗熱震沖擊性能好的特點(diǎn)，陶瓷基復(fù)合材料主要用于制作飛機(jī)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)噴嘴閥，它在提高發(fā)動機(jī)的推重比和降低燃料消耗方面具有重要的作用。 碳碳復(fù)合材料質(zhì)量輕、耐高溫、吸收能量大、摩擦性能好等特點(diǎn)，廣泛用于制作高速軍用飛機(jī)的剎車片。 3. 復(fù)合材料構(gòu)件缺陷、損傷的類型、及檢測技術(shù)3.1 復(fù)合材料缺陷、損傷類型缺陷是構(gòu)件在成型過

5、程中產(chǎn)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(gòu)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(gòu)件可能只出現(xiàn)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(jié)構(gòu)的影響可以分為兩類：一類缺陷或損傷對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度影響很大，已達(dá)到設(shè)計(jì)不能允許的水平，此類結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行修補(bǔ)或更換；另一類缺陷或損傷較輕，對結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和剛度沒有影響，但在使用條件下可能擴(kuò)展，使結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度逐步接近甚至達(dá)到不能接受的水平。3.2無損檢測技術(shù):復(fù)合材料構(gòu)件在生產(chǎn)和使用過程中不可避免地存在大量的損傷缺陷，

6、復(fù)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(xiàn)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(gòu)件的表面裂紋也可以檢測出目視不能到達(dá)的內(nèi)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(fù)臺材料結(jié)構(gòu)的分層和脫膠損傷，采用超聲波檢測法進(jìn)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(yīng)變片檢測復(fù)臺材料主受力件在加載情況下的內(nèi)部拭

7、傷情況。通過這些檢測手段可以準(zhǔn)確地知道缺陷的位置、大小。4. 復(fù)合材料修補(bǔ)復(fù)合材料的修補(bǔ)方法是將已固化的、半固化的或未固化的復(fù)舍材料預(yù)投料片用膠接的方法貼補(bǔ)到破壞損傷部位而完成修理的一種方法。4.1. 復(fù)合材料修補(bǔ)主要類型：(1)非補(bǔ)強(qiáng)的裝飾性修補(bǔ)：這種修理類型是采用非結(jié)構(gòu)性的方法保護(hù)已產(chǎn)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(jīng)分析認(rèn)為不影響復(fù)臺材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(bǔ)：或者稱為臨時(shí)修補(bǔ)它采用的方法是先鉆一個(gè)孔，切去受損部位的材料 然后把一塊補(bǔ)片用膠粘劑粘在孔的外

8、面。(3)挖補(bǔ)又稱為永久修補(bǔ)，與貼補(bǔ)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(gè)有一定錐度的孔，然后用膠粘劑把相匹配的補(bǔ)片嵌接上去。4.2. 復(fù)合材料的修理過程無論是制造缺陷,還是使用損傷，一個(gè)復(fù)合材料受損構(gòu)件，從確定損傷開始到完成修復(fù)，一般要經(jīng)歷5個(gè)階段。(1)表面準(zhǔn)備階段需要修理復(fù)合材料構(gòu)件都必須進(jìn)行正確的表面準(zhǔn)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(jìn)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\(yùn)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(fù)需要。此時(shí)不可使用洗滌水（香蕉水），因?yàn)檫@將侵蝕破壞復(fù)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(zhǔn)備，即打磨、研磨或用塑料丸作噴丸處理。對于層板，有時(shí)還需要在待修破損時(shí)打磨成階梯鋪層，這一工作通常需使用打磨機(jī)進(jìn)行。注意，表面打磨的目的是為了下一步膠接做準(zhǔn)備，故經(jīng)打磨后的表面仍需清理?？刹捎谜婵瘴鼔m器吸出打磨作業(yè)時(shí)產(chǎn)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(jié)構(gòu)，表面準(zhǔn)備尚包括芯體的準(zhǔn)備，即去除以損壞的芯體和蜂窩殘留物，制出合適的填補(bǔ)芯塞的孔形，并據(jù)此制備蜂窩填補(bǔ)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(dǎo)引和模板?？卒弰t在夾芯層破壞延伸至下蒙皮時(shí)使用。(2)修理區(qū)確定標(biāo)準(zhǔn)與修理方案選擇階段在確定損傷區(qū)后，在正式修補(bǔ)作業(yè)前，通常用膠帶將待修理區(qū)域標(biāo)出。即用高粘膠帶或類似的粘貼帶圍在修理區(qū)四周作標(biāo)志。此時(shí)應(yīng)注意避免受壓時(shí)膠帶可能進(jìn)入修補(bǔ)材料內(nèi)，“圍距”應(yīng)盡量大一點(diǎn)（至少要在修理邊緣向外擴(kuò)大30mm以上），保證足夠大的面積。在清洗和打磨時(shí)，便不會使膠帶干擾補(bǔ)片和膠膜。但這種作標(biāo)志用的膠帶，要在修理作業(yè)

11、進(jìn)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(bǔ)”與“冷修補(bǔ)”兩類。采用熱補(bǔ)法時(shí)，固化溫度將在95以上（有時(shí)將達(dá)到175或更高），必須使用加熱設(shè)備。加熱溫度的選取應(yīng)選用的修補(bǔ)材料不同而有差異。采用冷補(bǔ)法時(shí)，一般是在常溫或65以下進(jìn)行，但這種修理通常只用在暫時(shí)性修理中，需不斷的定期檢查，直到進(jìn)行永久性修理為止。(3)損傷表面的預(yù)處理階段在進(jìn)行損傷表面的預(yù)處理時(shí)，需確定已受損傷的鋪層數(shù)和所需增加的鋪層數(shù)。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(yīng)進(jìn)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(gè)均勻的錐體。依照所采用的修理系統(tǒng)的不同，對每一個(gè)

12、原結(jié)構(gòu)鋪層，均需留出大約12mm或者25mm的邊距。對于內(nèi)表面或非關(guān)鍵的氣動表面，一般采用沒有錐面的外補(bǔ)強(qiáng)板修理（只有23個(gè)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(bǔ)強(qiáng)片直接貼在已做平滑的填充區(qū)域上。(4)固化前的準(zhǔn)備階段在固化前按照如下步驟進(jìn)行準(zhǔn)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(gè)電熱偶（平整地放在維修區(qū)域周圍），將其與相應(yīng)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(yīng)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(bǔ)片50mm在加熱層上鋪設(shè)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(gè)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(gè)部分。按照結(jié)構(gòu)修理手冊的規(guī)定選定合適的固化周期。固化維修時(shí)，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(bǔ)階段進(jìn)行修補(bǔ)作業(yè)需特別注意以下幾點(diǎn)。更換

14、鋪層時(shí)，修理的鋪層和附加的額外鋪層，應(yīng)從同一型號的織物上剪下。對于熱修補(bǔ)，第一鋪層直徑必須比損壞區(qū)域大25mm。對于冷修補(bǔ)，第一鋪層的直徑應(yīng)比損壞區(qū)域大50mm。每個(gè)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(shí)，要有一個(gè)與損傷區(qū)域同樣大小的底層作填充，以使補(bǔ)片下降最小。以防止突出的補(bǔ)片下沉，要有與原來鋪層數(shù)相同的填充鋪層。同時(shí)，應(yīng)按鋪層的方向和順序鋪疊維修鋪層，尺寸最小的鋪層應(yīng)首先鋪在待修區(qū)上。需要明確的是，當(dāng)采用金屬補(bǔ)片修補(bǔ)時(shí)，一般來說這是一種對復(fù)合材料面板進(jìn)行暫時(shí)性的修補(bǔ)，最多300h后要進(jìn)行永久性的修補(bǔ)。并且，這種修補(bǔ)的允許最大尺寸是下面兩個(gè)尺寸中

15、最小的一個(gè)：對孔的容許損傷尺寸的1.5倍，或該項(xiàng)臨時(shí)修補(bǔ)允許尺寸的0.75倍。安裝補(bǔ)片時(shí)，需事先確定修補(bǔ)板的尺寸，加工修補(bǔ)板并在上面鉆孔。再通過修補(bǔ)板上在面板上鉆孔。在修補(bǔ)板蓋住的區(qū)域上涂上2.5mm厚的密封膠。裝上修補(bǔ)板，插入不銹鋼或鈦制緊固件時(shí)也要涂上密封膠，螺母下墊最小外徑為20mm的墊圈。小心地?cái)Q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(dǎo)圓修補(bǔ)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(bǔ)質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，用超聲波探傷儀檢測修補(bǔ)區(qū)域是否存在孔隙或脫膠現(xiàn)象。如果孔隙或脫膠面積大于10mm2時(shí)，應(yīng)清除原修理材料，重新修補(bǔ)。檢驗(yàn)合格后，拋光

16、、清洗表面，按原結(jié)構(gòu)表面漆層類型重新噴漆。5. 總結(jié)及展望在復(fù)合材料修理過程中，每一個(gè)工序都很重要，這要求我們在做好本工序的同時(shí)，檢查上工序，服務(wù)下工序，這樣工作才能一步到位。復(fù)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(yīng)內(nèi)外環(huán)境變化，在受到損傷時(shí)具有自檢知、自判斷進(jìn)而自行動的功能。智能復(fù)合材料雖處于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)累積階段，但它將成為材料最重要的一個(gè)發(fā)展方向。參 考 文 獻(xiàn)1 沃丁柱 李順林 王興業(yè) 復(fù)合材料大全 化學(xué)工業(yè)出版社 2000.12 石南林 復(fù)合材料導(dǎo)論 中國科學(xué)院金屬研究所 2004.23

17、 徐麗，張幸紅，韓杰才，航空航天復(fù)合材料無損檢測研究現(xiàn)狀J，材料導(dǎo)報(bào)，2005， Vol.19 No.8.4 代永朝 鄭立勝 飛機(jī)復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的粘接修補(bǔ)技術(shù) 應(yīng)用技術(shù)2000.5 許占顯 孫占華 飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)與無損評估 航空制造技術(shù)2003.126 陳祥寶 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修補(bǔ)技術(shù)的發(fā)展 材料工程 1994.37 鄒國發(fā)，龍國榮，萬建平樹脂基復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)修補(bǔ)技術(shù)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)