BI YE SHE JI
（20 届）
飞机复合材料损伤检测与维修
所在学院
专业班级飞机结构修理
学生姓名学号
指导教师职称
完成日期年月
摘要
复合材料是由两种或两种以上的原材料,通过各种工艺方法组合成的新材料。其应用在航空领域越来越广泛。对于现代飞机来说复合材料的应用对减重、耐腐蚀和降低成本有着重要的作用。对飞机结构轻质化、小型化和高性能化起着至关重要的作用。复合材料在飞机上的应用日趋广泛,其应用和修理水平亟待提高。论文介绍了飞机复合材料的损伤特征和可用于飞机复合材料损伤无损检测的目视、敲击、阻抗、谐振、超声、射线照像、红外热图和声发射等检测法,并结合实际介绍了不同类型复合材料结构和缺陷检测方法的选择。
关键词：复合材料；损伤检测；维修
ABSTRACT
Composite materials are composed of two or more than two kinds of raw materials. Its application in aviation field is more and more extensive. For modern aircraft, the application of composite materials has an important role in weight loss, corrosion resistance and cost reduction. It plays an important role in the light weight, small size and high performance of the aircraft structure. The application of composite materials in aircraft is becoming more and more extensive, and its application and repair level need to be improved. This paper introduces the damage characteristics of aircraft composite material and can be used for nondestructive detection of visual, percussion, impedance, resonance, ultrasound, X-ray, infrared thermography and acoustic emission detection method of damaged aircraft composite materials, and introduces different types of composite structure and defect detection method combined with the actual choice.
Key words:composite material; damage detection; maintenance
目录
第1章前言 (4)
第2章复合材料的损伤 (5)
2.1 复合材料主要损伤类型 (5)
2.2 复合材料无损检测方法 (6)
2.3 复合材料结构损伤描述 (7)
第3章飞机复合材料损伤检测基本方法 (8)
3.1 目视法 (8)
3.2 敲击法 (8)
3.3 声阻法 (8)
3.4 谐振法 (8)
3.5 超声法 (9)
3.6 射线法 (9)
第4章复合材料结构修理方法 (10)
4.1 修理要求 (10)
4.2 修理流程及修理方法 (10)
第5章总结 (13)
参考文献 (14)
致谢 (15)
第1章前言
近年来，无论是军用飞机还是民用飞机甚至是航天领域，复合材料用量都呈较大幅度的增长，如复合材料中常见的炭纤维需求量如图1.1所示在航空航天工程中需求量逐年递增，作为民用飞机的B787复合材料用量甚至达到50%[1]，同时，全复合材料的无人机已经出现，比如波音公司研制的X-45C无人战斗机机体结构90%以上采用复合材料。
复合材料在教练机上的应用水平也逐渐提高。意大利的M346高级教练机（见图1.1）生产型复合材料用量达机体结构重量的20%，印度计划研制的HJT-39“猫”高级战斗教练机则号称复合材料用量要达到80%。EADS公司提出的MAKO高级教练机方案在包括机翼蒙皮、前机身、平尾、垂尾、进气道等部位均采用碳纤维复合材料，RCS仅为1平方米，比EF2000还小得多[2]。我国，洪都公司研制的L15型高级教练机在垂尾、平尾、副翼等部位均使用国产碳纤维复合材料结构，复合材料用量达到8%。
国内外的统计资料表明，在飞机全寿命费用中，使用和维护保障费高达50%以上，在飞机大面积采用整体化复合材料结构后，其维护和修理问题变得更加突出。比如，复合材料部件采用共固化、共胶接等工艺整体成型，生产和使用过程中产生损伤的概率同时升高，对这些损伤进行修理是维护的首选，更换部件将极为不经济。因此，复合材料结构修理技术已经成为飞机复合材料结构研制与维护中的一项关键技术。
图1.1 复合材料的需求
第2章复合材料的损伤
由于复合材料本身的特殊性，在生产与使用的各个时期都可能产生不同类型的损伤，与金属相比，其损伤与破坏模式更加复杂，且往往多种损伤同时发生，因而对损伤的检测与评价比金属困难得多。
2.1 复合材料主要损伤类型
按产生损伤的原因，复合材料结构的损伤可以分为制造缺陷、使用损伤以及环境损伤。所谓制造缺陷，是指材料或结构在生产过程中由于工艺方法不合理、组分材料不合格或工人操作不当等造成的损伤；使用损伤是指飞机在服役期间，由于操作失误引起的损伤；环境损伤是指飞机服役期间非人为操作引起的损伤。复合材料结构常见损伤及产生原因见表2.1，部分损伤如图2.1所示。
表2.1 复合材料常见损伤及产生原因
图2.1 复合材料结构典型损伤
按可修性分类，这些损伤可以分为许用损伤、可修损伤以及不可修损伤：
1)许用损伤。该类损伤不会影响飞机结构的完整性，不需要立即修理，但应在规定的时间内按规定的方法进行永久性修理；
2)可修损伤。这类损伤将影响飞机结构的完整性或使用功能，必须进行临时性或永久性修理，或先进行临时性修理，再在规定的时间内按规定的方法进行永久性修理；
3)不可修损伤。这类损伤按现有方法进行修理后无法保持结构完整性或基本的使用功能，或者即使能修理但经济性很差，必须进行更换或返回给制造商。
2.2 复合材料无损检测方法
复合材料的损伤检测既是损伤评价的依据，也是复合材料结构修理的前提与基础，在确定是否可修以及修理方案以前，必须对损伤部件进行彻底的无损检查，以确定损伤的类型与程度。飞机复合材料结构常用的无损检测方法包括：1）目视检测法。该方法仅能发现肉眼可见的损伤，比如飞鸟或尖锐物撞击引起的穿透损伤，或者大于一定深度的表面凹坑；
2）敲击检测法。该方法利用小锤或其他工具轻轻敲击复合材料制件，通过辨听声音差异来查找损伤，适用于检测夹层结构面芯脱粘、层合板分层以及脱胶等损伤，但受操作者的经验影响较大；
3）射线检测法。该方法利用X射线成像原理检测复合材料内部损伤，特别适合于检测夹层结构的内部损伤以及复合材料中的夹杂；
4）超声检测法。该方法利用超声波的反射情况来判定损伤的类型、位置与深度等信息，可以用于检测孔隙率、分层、脱胶、夹杂、疏松、裂纹等大部分损伤类型，是目前应用最广的复合材料无损检测方法之一；
5）剪切散斑检测法（Shearography Inspection）。
该方法利用激光剪切散斑干涉技术测量复合材料结构中是否存在离面位移变化不均匀，即是否存在损伤区。这是一种非接触式快速原位检测方法[3]；
6）红外成像检测法（Thermography Inspection）。
“当复合材料内部存在损伤时，将改变其热传导特性，此时通过热成像装置就可显示损伤的位置和大小。该方法的优点在于检测效率较高，且安全可靠。”
[4]
以上方法各有优缺点，需要根据实际结构及可能的损伤情况选用合适的方法，有时甚至需要采用几种方法联合进行检查，以完整地确定损伤的状态。
2.3 复合材料结构损伤描述
有了无损检测结果后，需要形成损伤描述报告，损伤报告应包含现场照片及示意图，以及必要且准确的文字说明。一个完整的损伤描述报告至少应包含以下主要内容：
1）损伤部件名称，即说明是哪个部件发生了损伤，比如垂直安定面、水平尾翼等等；
2）损伤位置，如果该型飞机已有结构修理手册（SRM），则直接说明损伤所处的分区位置，若无分区说明，则应报告损伤位于哪个构件，以及损伤在该构件上的位置；
3）损伤类型，即说明是表面划伤、分层，还是夹层结构面芯脱粘、墙缘条/蒙皮脱胶等等；
4）损伤程度，即描述损伤的形状、外围尺寸、深度等信息；
5）损伤与其他损伤的关系，即描述损伤的分布情况，包括损伤与周围损伤（含已修复的损伤）之间的距离。
第3章飞机复合材料损伤检测基本方法
无损检测方法现有十几种,但能够有效地用于复合材料损伤检测的方法,主要有目视法（包括渗透检测法）、敲击法、阻抗、谐振、超声、射线照像、红外热图和声发射等方法[6]。
3.1 目视法
目视检查法是使用最广泛、最直接的无损检测方法，它是借助放大镜和内窥镜观测构件表面和内部可达区域表面的一检测方法。可用来检查表面划伤,裂纹!起泡,起皱,凹痕,变形,变色,断裂,螺钉松动等情况；尤其对透光的玻璃钢产品，可用透射光检查出内部的某些缺陷。
3.2 敲击法
敲击检测是胶接结构的最快捷和有效的检测方法之一，广泛应用于蜂窝夹芯结构、板板胶接结构的外场检测，检测速度快，准确性高。敲击检测分为：硬币敲击和专用工具敲击，如敲击工具和自动敲击检测工具。
3.3 声阻法
声阻法是利用声阻仪，通过蜂窝胶接结构粘接良好区域与粘接缺陷区的表面机械阻抗有明显差异这一特点来实现检测的，主要用于检测铝制单蒙皮和蒙皮加垫板的蜂窝胶接结构的板芯分离缺陷检测。其特点是点接触干耦合，不需耦合剂，操作简单、易行。
3.4 谐振法
声谐振法是利用胶接检测仪，通过声波传播特性的测试实现对胶接结构的无损检测。适用于检测曲率半径在500mm以上的金属蜂窝胶接结构，能检测单侧蒙皮和带垫板的金属蜂窝结构的脱粘缺陷。
3.5 超声法
超声波检测法是依据定向辐射超声波束至缺陷界面上产生反射，或使透过的能量下降等原理，通过测量回波的时间、透过波强度变化而指示的一种缺陷（损伤）检测方法[5]。该方法的优点是：超声波穿透能力较大，例如在钢中的有效探测深度可达1米以上；对平面型缺陷如裂纹、夹层等，探伤灵敏度较高，并可测定缺陷的深度和相对大小。超声波探伤的种类很多，按探伤原理可分为脉冲反射法、穿透法和共振法；按显示方式可分为A型幅度、C型断面、C型平面和立体成像显示等。其中，C扫描由于显示直观、检测速度快，已成为飞行器零件等大型复合材料构件普遍采用的检测技术。A扫描检测可逐点覆盖检测结构件的所有检测面，设备简单，实施方便，但检测可靠性低，主要取决于检测者的技术水平和敬业精神，目前在外场的复合材料超声检测多数采用人工超声波A扫描检测。
3.6 射线法
对于复合材料结构而言，射线检测是最直接,最有效的无损检测技术之一。它是用X射线透过复合材料（厚度方法），以感光胶片或像的黑度变化形式记录缺陷引起的射线强度变化，或将这种缺陷引起的射线强度变化通过感光屏和图像增强，利用计算机等辅助成像显示，进行缺陷检测。该法特别适合于检测纤维增强层板结构中的孔隙和夹杂等体积型缺陷和夹芯结构中的芯子变形、开裂、发泡胶发泡不足以及镶嵌物位置异常等缺陷的检测。射线检测对垂直于材料表面的裂纹也具有较高的检测灵敏度和可靠性，但对复合材料结构中的分层缺陷不敏感。