西锐SR20飞机复合材料层合板修理技术的研究

王楠楠

摘要：以西锐SR20飞机机身复合材料为研究对象，对飞机复合材料层合板的应用现状及修理的必要性进行了系统总结;同时对飞机复合材料层合板修理技术进行归纳，为SR20飞机复合材料层合板修理工作的开展和实施提供支持。

关键词：飞机;复合材料;层合板;修理

序言

复合材料作为新型高性能材料，由于比强度高、密度小、可设计性强、耐腐蚀性能好等优点，在现代飞机领域的应用范围越来越广泛。然而，在复合材料层合板制造和使用过程中常常会因各种原因出现分层损伤现象，分层不仅能引起层合板结构强度降低，而且在外力作用下，当分层区域在结构中扩展达到一定的规模，层合板会出现整体失效，为了对损伤后的复合材料层合板修理以达到结构使用的刚度以及承载能力的要求，对复合材料层合板的修理技术研究具有重大的实用价值[1]。

1飞机复合材料层合板的应用现状及修理研究的必要性

1.1飞机复合材料层合板的应用现状

层合板是目前复合材料应用最广泛的结构形式之一，层合板由连续纤维增强树脂单层根据需求采用不同的铺设角度层合而成。因连续纤维具有优良的刚度和强度性能，再加上基体材料的配合下展现出的优良性能，复合材料层合板具有比强度高、可设计性强、耐腐蚀、抗疲劳、整体成型等优点[2]。复合材料层合板虽然具有如此多的优点，但长期以来，成本因素、制造技术等门槛限制了其广泛应用。而随着科技水平的提高和社会需求推动了新技术的发展，目前已开发了多种低成本制造技术。随着制造技术的日臻成熟及航空航天等行业对材料需求的上升，从而导致了复合材料层合板代替了很多传统的木材及金属合金材料，使其得到了广泛的应用。

1.2 飞机复合材料层合板修理研究的必要性[3]

虽然复合材料层合板有很多优点，但同时存在缺点。复合材料层合板属于脆性材料，应力重分配能力较差，当连续纤维被打断后，势必导致其承载能力的极大下降，因此复合材料层合板对孔洞敏感;层合板在厚度方向无纤维增强，层与层之间仅仅通过层间界面承受载荷，层间破坏导致层间分层，较大地降低了结构性能以及承载能力，对压缩强度的影响比较明显。

复合材料在生产和使用中会出现多种缺陷和损伤，具体形式如下：复合材料材料制备过程中，由于工艺过程控制不好、混入脱模剂、零件装配不协调等因素，造成复合材料部件中含有气泡、空隙、分层、脱粘等缺陷;在使用过程中，在层间应力、挤压、超载、冲击载荷作用下造成的内部分层损伤，且对于受冲击的复合材料表面，损伤不明显甚至完全目视不可检，但零件内部已经产生严重的分层损伤;复合材料在使用过程中受到环境条件影响，如雨蚀，沙蚀，热冲击，雷击等，也会形成分层、脱粘、表面氧化、腐蚀坑、边缘损伤、表面鼓泡等缺陷和损伤。

由于复合材料层合板中缺陷和损伤的不可避免性，这势必会影响飞机的出勤率和航线营运。一方面，随着现代飞机复合材料结构应用比例的增大和现役采用复合材料飞机使用寿命的延长，将来复合材料结构飞机会面临大量的修理任务;另一方面，现代飞机复合材料结构设计正朝着整体化的方向发展，直接更换受损复合材料结构件不再是一个经济的选择，复合材料结构的一体化趋势也为修理提出很大的挑战。因此，对于受损复合材料结构，为增强其安全性、可靠性，以及从经济性和环保性的角度考虑，保证其在使用寿命期内的正常使用，恢复其使用功能和完整性，全面研究复合材料层合板修理技术是十分必要的。

2飞机复合材料层合板修理技术

飞机复合材料层合板的修理方法有许多种，其分类的方法也有多种，笔者对现有的修理方法进行概括分类，在实际的飞机复合材料层合板修理中修理方法分为：胶接修理（又分为贴补法、挖补法和注胶修理）、机械连接修理等几大类。

2.1 胶接修理技术

胶接连接修理是指对一个构件因损坏断裂成两个部分或者原来胶接连接的构件之间出现脱胶损伤，通过胶粘剂，使之连接成一体，恢复其功能的修理方法。在进行胶接连接修理的过程中，需要重视补片的大小、补片的厚度、胶层的设计以及搭接的长度。在胶接连接过程中，胶接接头部分会产生比较高的局部应力，在胶接部分应该增加胶层厚度，以降低该位置较高的剪应力，提高胶接连接的强度。

2.1.1 胶接贴补法

贴补法（分为单层贴补法和双层贴补法）是将复合材料层合板贴补片固定在损伤结构上从而恢复结构强度和传力路径，首先针对飞机复合材料层合板胶结修补的结构特点和使用状态进行分析，以得出最优的复合材料补片的结构参数（补片的直径和厚度）。贴补板修理方法是将最优的复合材料补片的结构贴不到损伤部位，使损伤结构遭到破坏的载荷传递路线得以重新恢复。修理用的贴补板主要采用原则：与原结构相同铺层顺序的层合板;准备向同性铺层的层合板，其厚度一般大于原损伤结构。贴补修理一般用于较薄结构或暂时性修理的试件，一般为临时修理。

2.1.2 胶接挖补法

挖补法是将受损区域去除掉，采用湿铺层或者预浸料实施铺层修理，经封装后，在室温下或者加热到某一温度实施固化的修理。复合材料层合板结构的铺層修理分为湿铺层修理和预浸料修理两类。

胶接挖补修理是一种永久性修理法，修理后结构强度恢复率高，表面具有良好的气动性能。实际修理一般采用预浸料作为修理材料，当固化设备及材料缺少时，常采用湿铺贴方式代替预浸料修理方式，配合使用热补仪更有利于外场修理。修理后结构的承载能力是表征结构性能的关键因素。对复合材料胶接挖补修理的研究，在载荷形式上，多为静力拉伸，在疲劳性能研究对象上，多为胶接接头或三维简化结构。

2.1.3 注胶修理技术

注胶修理是对层合板结构小面积的内部分层或脱胶损伤，采用注射的方法将渗透性和流动性好的低黏性树脂注入到损伤区域，采用常温固化或者加热固化粘合的一种修理技术。在进行较小损伤修理过程中，注胶修理对于复合材料外层处理以及边缘分层处理具有较好的应用效果，能够实现对损伤区域的修理。

2.2 机械连接修理技术

机械连接修理是指在损伤结构的外部用螺栓或铆钉固定一个外部补片，使损伤结构遭到破坏的载荷传递路线得以重新恢复的一种修理方法。此种修理技术具有操作简便、性能可靠、抗剥离性能好、能传递大载荷等优点。在结构上要钻紧固件，紧固件孔会削弱结构强度并引起应力集中以及修理增加的重量为该种修理技术的缺点。在复合材料结构修理过程中，机械连接修理适用于被修理件较厚且对气动外形要求不高的结构件以及外场快速修理的情况。

3 结束语

随着飞机复合材料在航空领域广泛的应用复合材料层合板结构修理工作越来越显重要，针对我院西锐SR20飞机复合材料结构损伤的修理，对复合材料层合板结构修理的一些关键问题和共性问题进行了系统的研究和分析，为西锐SR20飞机复合材料层合板修理工作开展和实施奠定了基础。

参考文献：

[1]朱剑. 复合材料及其发展概况[J]. 科技资讯，2007.

[2]中国航空研究院. 复合材料结构设计手册[M].北京：航空工业出版社，2001.

[3]虞浩清，刘爱平. 飞机复合材料结构修理[M].北京：中国民航出版社，2010