复合材料结构修理-6.2 复合材料结构修理方法

复合材料结构修理技术探究作者：刘岩松张子健宋晓晨王童滕飞来源：《航空维修与工程》2018年第11期摘要：复合材料因具有减轻结构质量、可降低油耗和提高飞行性能等优点，已广泛应用于航空航天领域。

飞机在生产和服役过程中不可避免地会出现缺陷和损伤，因此对复合材料修理的探究变得尤为重要。

本文介绍了复合材料无损检测方法、常见损伤缺陷及复合材料修理方法，分析了复合材料修理技术与理论的研究现状和存在问题，展望了复合材料修理技术的发展趋势。

关键词：复合材料;缺陷;损伤;修理技术0引言近年来，随着民航领域的快速发展，各大航空公司机队规模逐渐扩大，复合材料用量呈明显递增趋势，其用量和比例已成为衡量飞机是否先进的重要标准之一[1]。

波音公司、空中客车公司生产的新型大型民用飞机的复合材料用量不断增加，空客新一代超宽体客机A350XWB复合材料用量占结构总重的比例将达到52%，图1给出了波音和空客部分机型的复合材料用量。

由于复合材料普遍存在层间性能弱、易受冲击损伤等缺点，在服役期间易受到挤压、超载、冲击和环境等因素的影响造成损伤，从而影响复合材料的整体结构性能。

因此，复合材料发展和应用对其缺陷损伤修理提出迫切要求。

王长越等[2]阐述了因冲击载荷造成损伤的复合材料修复技术的研究进展，分别从冲击损伤评估、无损检测和修复技术三方面介绍了国内外研究进展，并展望了冲击损伤下复合材料修复技术的发展前景。

徐绯等[3]通过总结归纳前人在复合材料修理方面的理论知识，总结出复合材料结构修理问题的现状。

1复合材料常见缺陷及损伤修理容限1.1常见典型损伤和缺陷生产过程中工艺控制不当、在服役过程中受到物体冲击或受环境条件影响，这些因素都会造成复合材料的损伤或缺陷。

表1给出了复合材料在制造和使用中的常见缺陷和损伤。

复合材料结构损伤修理流程图如图2所示。

1.2损伤容限与修理容限修理容限指的是两个定量的界限，在复合材料修理中即表述为出现缺陷或损伤后需不需修、能不能修。

6.2.2 加强筋结构修理对于损伤直径152-203mm的加劲板，提出了五种修补方法。

筋条之间的距离为178mm。

损伤包括筋间蒙皮和筋条的损伤。

对于修补方法的比较：修补工艺的难易程度和结构完整性情况。

第一种修补方法，是将与损伤结构相匹配的预固化补强件原位胶接到损伤部位。

修补中把石膏模置于损伤部位，在帽型筋条损伤部分用纤维带填平。

当然在磨具上要先涂一层脱模剂。

把模具的修补部分密封，保持真空，铺层，涂胶，在结构内外抽真空，用加热器加热到固化温度。

二次固化后，取出石膏模。

另外还需要一个石膏模用于保证筋条的外形。

第二种方法，是用复合泡沫塑料在筋条的损伤部分发泡，形成筋条的内行，而在筋条之间的蒙皮损伤部分用石膏模成形。

在填充泡沫塑料部分的筋条损伤部位铺层，固化，蒙皮损伤修补仍采用二次固化法。

第三种方法与第二种方法相似，只是成形筋条时填充的复合泡沫是预先成形的泡沫塑料块。

外形如果不适合，可以再加填充物加以修正。

在填充物的表面用玻璃/环氧层密封。

预固化填充物和玻璃/环氧层，然后再铺设选用的纤维和树外脂，接着加热，用真空袋加压，固化。

对于特别复杂的几何外形，还需要加一个外形模具。

第四种方法，是用0.5mm厚的薄铝板成型为筋条的内型模。

先在铝模上铺设玻璃/环氧层，用于调整厚度。

接着铺设预先选定的复合材料层，进行加热加压固化。

任何去除成型模，在外表面胶接板弯薄铝件。

如果外形几何形状复杂，需要将复合材料层合件预先成型，预固化，再胶接到损伤部位。

第五种方法，是用机械连接方法。

在损伤区内外两个补强件，补强件的外形要与损伤尺寸相协调。

紧固件用虎克铆钉或“大脚”螺栓。

上述五种修补方法的比较列入下表。

从表中看出，第五种机械修补最容易，使用工具简单，不需要加热加压固化设备。

在四种胶接修补方法中，第三种较好，采用预先成型的填充泡沫塑料块，不需要复杂的工模具。

关于结构完整性方面，主要指每一种登顶修补后强度恢复的程度。

第二，第三种方法用内外两个不补强件，实际上是一种等强度代换，并且搭接长度较长，可以保证胶接强度。

飞机复合材料结构修理总结飞机复合材料结构修理是航空维修中的重要工作之一，以下是对飞机复合材料结构修理的总结：1. 仔细评估损伤：在进行复合材料结构修理之前，必须仔细评估损伤的类型、范围和严重程度。

这包括使用适当的检测工具和技术，如超声波探伤或热红外成像，来确定损伤的位置和扩展情况。

2. 选择修复方法：根据损伤的性质和位置，选择适当的修复方法。

修复方法可以包括表面修补、填充修复、层压修复或补强修复等。

选择修复方法时要考虑到结构的强度和刚度要求，以及修理后的重量和性能影响。

3. 准备工作：在进行修理之前，必须对修复区域进行适当的准备工作。

这包括清除损伤区域周围的污垢和残留物，清理表面以确保良好的粘接或结合。

4. 材料选择和制备：选择适当的修复材料，如复合材料补片、粘接剂或填充剂。

材料的选择应考虑到与原材料的兼容性和结构要求的匹配性。

在使用之前，要确保修复材料经过适当的制备，如切割、打磨和涂覆。

5. 修复操作：按照修复方案和操作规程进行修复操作。

这可能涉及到粘接、固化、热处理或压制等步骤。

在操作过程中，要严格控制时间、温度和压力等参数，以确保修复的质量和一致性。

6. 检验和测试：完成修复后，必须进行检验和测试以验证修复的有效性和质量。

这包括使用非破坏性测试方法，如超声波检测或光学显微镜观察，来检查修复区域的完整性和质量。

7. 记录和报告：对修复过程和结果进行记录和报告。

记录包括修复方案、使用的材料和工艺参数，以及检验和测试结果。

这些记录对于后续的维护和审计是必要的。

总而言之，飞机复合材料结构修理需要严格的操作和控制，以确保修复的质量和可靠性。

只有经过合适的评估、选择合适的修复方法、正确准备和操作、进行检验和测试，并记录和报告修复过程，才能有效地修复飞机复合材料结构，并确保飞机的安全和性能。

飞机复合材料结构修理技术1 复合材料在飞机上的应用复合材料是由两种或两种以上的不同材料、不同形状、不同性质的物质复合形成的新型材料。

一般由基体材料和增强材料所组成。

复合材料可经设计，即通过对原材料的选择、各组分分布设计和工艺条件的保证等，使原组分材料优点互补，因而呈现了出色的综合性能。

随着玻璃纤维、凯夫拉、碳纤维等复合材料的发展，并且早期复合材料结构的使用预示着复合材料运用的辉煌。

在飞机上翼尖小翼、雷达罩和尾锥上少量玻璃纤维增强塑料的使用标志着飞机设计上复合材料的重新应用。

从那时起复合材料在这些部件上的成功应用导致在每一种新机型上复合材料应用的增加。

波音747使用了超过10000平方英尺表面的复合材料结构。

在过去几年当中先进复合材料技术运用到诸如大翼面板、地板梁等主要结构上[2]。

显而易见对基本复合材料结构和复合材料结构修理技术的理解对航空企业特别是航空维修企业是多么重要。

2 复合材料结构修理技术飞机复合材料的修理目的是最大限度的恢复飞机结构的完整性和安全性，主要修理的效果如何与多种因素有关，如修理后的强度、耐久性、气动平滑度、重量、工作温度、环境因素等[3]，强度主要考虑恢复结构的刚度、静强度和疲劳强度，因此，为了避免修理中出现意外的错误，必须严格按照一定的操作规程进行，一般的修理程序为：找出损伤区域→评估损伤的程度→损伤应力的评估→修理方案设计→修理结构的准备→补丁的制造→补丁的安装→修理后的无损检测。

当今复合材料修理的主要工艺有以下几种：2.1 复合材料的连接和打孔飞机复合材料不同于其他金属或合金材料，由于自身的特点，在修理时容易出现下列问题[4]：复合材料件装配前的钻孔困难，容易磨损钻具，钻孔附近易出现分层现象；复合材料与金属件连接时，由于电位差较大，容易腐蚀金属件；复合材料装配时易造成损伤等，基于这种种原因，必须对打孔和连接工艺做特殊的处理，才能保证复合材料件的安装和修理后的使用安全。

复合材料结构修理常用方法1. 引言复合材料在航空、汽车、船舶等领域得到越来越广泛的应用，其优异的力学性能和低密度使得复合材料结构成为一些特殊领域的选择。

因为其特点，复合材料在受损后进行修理时需要特殊的考虑。

本文主要讨论在航空领域中的复合材料结构常见的修理方法。

2. 损伤评估和表征在进行复合材料结构修理之前，必须先进行损伤评估和表征。

在损伤表征中，要了解受损部位的尺寸、形状、深度、类型以及受损的程度等信息。

对于损伤的类型，包括裂纹、孔洞、烧穿等，需要进一步分析其性质和影响，以便确定后续修复方案。

3. 常见的修理方法3.1 外补丁法外补丁法是一种在结构中增加补丁的方法。

其主要步骤包括往受损区域周围贴上预制的复合材料片，使用胶水固定住，然后进行碳化处理，接着进行表层处理以及终端加工。

这种方法的优势在于处理时会对整个结构有较小的影响，同时成本和维护工作也较少。

但是在一些情况下，使用外补丁法可能会对结构的流线性产生一定的影响。

3.2 内补丁法内补丁法是一种在复合材料结构内部添加补丁的方法。

首先将受损区域周围挖去一定量的复合材料，并将补丁塞入然后对其进行胶接和热处理。

这种方法需要在深度困难区域内施工，因此通常需要使用专业设备。

在对结构产生影响时，内补丁法表现良好。

3.3 局部替换法局部替换法是一种把受损的结构部件替换为新的构件的方法。

这种方法会更改结构的刚度、质量等结构特征，也会对结构强度产生影响。

通常，该方法仅在不得不对结构进行深刻改变的情况下使用。

3.4 补丁替换法补丁替换法是一种将已损害的叶子或层替换为新的部件的方法。

这种方法通常会影响到结构的刚度，需要对结构进行重新设计。

4. 结论复合材料结构因其特性而得到广泛应用，对其损伤进行的修复需要考虑到结构的几何形状以及其深度和损伤类型。

本文介绍了外补丁法、内补丁法、局部替换法和补丁替换法等常见的修理方法，但根据具体情况仍然需要进行选择和评估。

在选择一种修理方法时，需考虑到其对结构特性的影响，既要保证了结构损伤得到有效修复，又不会对结构力学性能产生负面影响。

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料按一定方式组合而成的新材料，具有综合性能优于单一材料的特点。

复合材料的修复方法可以根据具体情况选择，常见的修复方法包括：1. 补丁修复：将与原材料相似的复合材料片或布贴在损坏区域，使用胶水或树脂将其固定在一起。

2. 粘接修复：使用特殊的胶水或树脂将损坏的复合材料部分粘接在一起，使其恢复原有的结构和性能。

3. 层叠修复：在损坏区域的周围添加多层复合材料，以增加其强度和稳定性。

4. 纤维增强修复：在损坏区域附近添加纤维增强材料，如碳纤维或玻璃纤维，以增加复合材料的强度和耐久性。

5. 热压修复：使用热压机将损坏的复合材料部分与新的复合材料片压合在一起，通过热和压力使其粘接在一起。

6. 焊接修复：对于某些特殊的复合材料，可以使用适当的焊接方法将损坏的部分焊接在一起，使其恢复原有的结构和性能。

需要注意的是，复合材料的修复方法应根据具体情况和材料特性选择，并且修复后的材料可能会有一定的性能损失，因此修复后的复合材料应进行必要的测试和评估，以确保其安全可靠。

常见飞机蜂窝板损伤形式及修理方法航空器复合材料中的蜂窝板是由薄而强的两层面板中间胶接蜂窝材料而成的一种新型复合材料，也称蜂窝层合结构(见图1)。

其面板选材有金属板、玻璃纤维、石英纤维、碳纤维等；夹心材料主要有芳纶、玻璃纤维、铝合金及发泡型结构。

蜂窝可制成不同的形状。

飞机上的蜂窝结构是由耐腐蚀夹心、面板、衬垫、隔板（假梁）、边肋等零件胶合而成。

面板与夹芯之间用胶膜胶接，蜂窝夹芯用芯子胶和耐腐蚀胶根据实际需要形状施加真空压力后加温胶接成型。

图1 蜂窝夹心板结构一、航空复合材料蜂窝结构损伤种类根据航空复合材料蜂窝结构部件在使用过程中可能出现损伤的情况，我们可以大致将胶接蜂窝结构部件的损伤分以下5类：1、表面损伤图2 典型表面凹坑此类损伤一般通过目视检查发现，包括表面擦伤、划伤、局部轻微腐蚀、表面蒙皮裂纹、表面小凹坑和局部轻微压陷等。

这类损伤一般对结构强度不产生明显的削弱。

2、脱胶及分层损伤该损伤是指纤维层与层之间或面板与夹芯之间的树脂失效缺陷，主要通过敲击检查、超声波检测等手段发现。

此类损伤一般不引起结构外观变化，大多是在生产过程中造成的初始缺陷，并在反复使用过程中缺陷不断扩展而导致的。

脱胶或分层面积过大会引起整体复合材料强度的削弱，应及时予以修补。

3、单侧面板损伤这类损伤包括单侧面板局部压陷、破裂或穿孔，一般通过目视检查即可发现。

该类型损伤能使一侧面板和蜂窝夹芯都受到损伤（表面塌陷），对气动性能和结构强度影响较大。

一旦发现该类损伤必须经过修理和检验确认后方能能重新使用。

4、穿透损伤该类型损伤是指蜂窝部件出现穿透性损伤、严重压陷和较大范围的残缺损伤等。

此类损伤对结构性能和强度有严重的影响，根据受损情况立即予以修理或按需更换新件。

5、内部积水该损伤原因主要由于蜂窝结构边缘或蜂窝材料对接边缘密封不严或密封失效，在长期使用过程中由于雨水渗透、油液浸泡以及水汽冷凝而造成蜂窝夹芯出现积水。

虽然一般情况蜂窝内部积水不会造成严重影响；但在冬季日夜气温变化较大的情况下，由于积液结冰膨胀将会会造成复合材料部件内部树脂基体脱胶；同时在积液的长期浸泡下也会使复合材料的树脂基体的胶接强度大幅降低而降低部件的整体性能；特别是各类复合材料制备的舵面、襟翼、翼身整流罩及发动机部件等，均应及时检查其内部蜂窝结构的积水情况并作出相应修理措施。

复合材料汽车零部件的修补方法复合材料应用于汽车行业最早始于1953年。

55年来，复合材料在汽车行业中的应用保持着持续增长的发展势头，并且这种发展趋势还将继续。

复合材料在汽车行业中的用量之所以会持续增长，是因为它具备了许多优异的性能，如：强度高、重量轻和耐腐蚀。

此外，与铝材和钢材相比，其加工成本更低、设计灵活性更强，且更容易成型。

总之，复合材料是汽车行业替代金属材料的一个很好的可选项。

然而，事实上，汽车制造领域其制作材料并没有完全直接从金属材料转换到复合材料，尤其在大批量生产的汽车方面，复合材料的应用还很有限。

这是因为，有许多和复合材料使用相关的技术问题仍然没有很好地得到解决，其中包括准确的材料定性、生产、油漆、维修、与金属材料的连接以及回收等问题。

尽管近年来世界上复合材料的新材料、新工艺和新技术不断涌现，从而在很大程度上使上述问题得到了改善，促进了复合材料在各类汽车中的广泛应用，但不可否认的是，复合材料在汽车上的广泛应用、特别是在中国汽车行业中真正意义上的广泛应用，仍然存在应用技术方面的各类问题，需要我们去关注、研究、探讨和实践。

对于碰撞受损后的汽车维修，传统上只是简单地将受损变形的车身固定，用加热、机械拉伸的方式进行维修，然后再靠榔头等简单工具调整和修复车身钢板、车门和立柱等的间隙和形状，最后靠腻子、原子灰以及修补漆等使其恢复原貌。

目前，人们对钢板车身的维修已驾轻就熟了。

但随着汽车复合材料在汽车车身上应用的日益广泛，对它的维护修复却开始成为汽车行业新的困惑。

那么，汽车复合材料部件在碰撞受损后，究竟能不能修复？如果可以，怎么进行修复？经修复后的车身能否恢复到受损前的状态？对于这些问题，答案是明确的：目前，在汽车上所使用的复合材料部件都是可以修复的，而且完全能达到受损前的状态。

之所以会得出这样的结论，是因为在过去的若干年中，维修汽车复合材料所用的粘结剂等产品已得到了极大的改进，维修的工艺技术也日臻成熟。