复合材料的粘结修理

复合材料的粘接修理
前言
复合材料在飞机上的用量愈来愈广，以空中客车A380为例，用
量占结构重量的28%，B787占51%。复合材料结构由于比重轻，强
度大，刚度大，不易腐蚀等特点，在现代民航运输机中得到大量采用。
因此，涉及复合材料结构损伤的维修便日益重要，特别是由于复合材
料结构抗冲击能力差，在使用中极易受到外来因素（如鸟击、雷击、
弹伤以及维护或操作不当等情况）发生以冲击损伤为主的各种结构破
坏，如分层、裂纹、破孔和断裂等。这些损伤会显著降低复合材料的
静、动态承载性能，严重时会直接影响飞行安全，如不及时修复，将
会使整个复合材料部件失效，花巨额费用进行更换。复合材料的修理
方法可分为机械修理和粘接修理两大类。机械修理方法存在着结构增
重较多、修理区应力较大、修理补片影响修复区的电性能等缺点，因
此，目前复合材料结构损伤主要采用粘接修理方法。
一、 标准复合材料修理
（一） 常见结构
复合材料结构制造中所采用的材料为玻璃纤维增强塑料
（GFRP）、碳纤维增强塑料（CFRP）以及芳纶纤维增强塑料（AFRP）。
这些材料用于夹心结构以及整体结构的制造。在进行永久修理时，修
理材料一般必须按下列准则与原制造材料相配合：
Ⅰ、只用碳纤维材料修理碳纤维结构 。
Ⅱ、只用玻璃纤维材料修理玻璃纤维或芳纶纤维结构。
A、 蜂窝夹芯部件
玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料以及芳纶纤维增强塑料构
成了这类部件的蒙皮，然后将蒙皮与金属或非金属的芯子胶接
在一起，芯子通常采用蜂窝结构。
B、 整体结构部件
整体结构部件由带内部桁条、肋及翼梁的复合材料蒙皮构成。
它提供刚度及强度。
C、 混合结构部件
这类部件由混合结构制成，包括部分整体结构及部分夹芯结构。
（二） 修理材料
1、 环氧树脂体系
环氧树脂由两部分组成：树脂和催化剂（也称固化剂）。环氧树
脂提供了很好的机械和抗疲劳性能，尺寸稳定性相当好，抗腐蚀，层
间结合强度高，有良好的电学性能和低的吸湿性。
2、 纤维增强材料
①玻璃纤维 ②Kevlar纤维——芳纶纤维 ③碳/石墨 ④硼
⑤陶瓷纤维
3、 粘接剂
① 胶膜
胶膜是涂在一层支持薄膜上的粘接剂。
② 糊状粘接剂
两种组分的糊状粘接剂可在室温或加热固化。
③ 泡沫粘接剂
泡沫粘接剂是含泡沫剂的环氧树脂体系。
④ 填充剂
填充剂是在混合后的树脂中加入材料，它可以改变树脂的物理性
能，对于蜂窝修理和防止脱开很有作用。
4、 吸胶合透气材料（修理固化后，要去掉）
① 吸胶布 可使固化过程中多余的气体和树脂逸出。
② 透气材料 作为连续的真空通路，不与树脂接触。
（三） 一般修理程序
A、 确定损伤程度；
B、 从损伤区域清除水分；
C、 清除损伤；
D、 修整切除损伤后的区域；
E、 清洁修理区；
F、 制作修补片；
G、 安装修理片；
H、 固化；
I、 表面修整；
J、 修理质量检查。

二、 典型结构修理实例
（一） 损伤形式：表层与夹芯脱胶
（二） 修理方式：更换表层
（三） 修理步骤：
1、 确定损伤区域；
2、 在损伤区域清除水分；
3、 在脱胶区打磨表层使其每层梯度为1/2英寸，具体参照相关修理
手册。注意不要损伤芯材；
4、 除尘，清洁修理区域；
5、 为待修区制作模板，并标上位臵与纤维走向；
6、 按制造商维修手册中的建议配制树脂，浸渍准备修理的织物，使
纤维走向与织物的经向一致；
7、 将修补层加到修补区 ，并去除层间的空气；
8、 覆盖上泄流层、分离层、压力板及吸气层。用真空袋或机械压力
加压；
9、 按制造商修理手册的建议在室温或稍高温度下固化。可用热补仪
或热压罐提供热源；
10、 固化结束后，去除压力源，吸气层和分离层等；
11、 打磨直至与原始表面一致；
12、 检查是否完全固化及是否有气穴产生；
13、 表面修理平滑；
14、 恢复表面涂层。
如下图所示：
钻合金蜂窝夹层结构的胶接修理
前言
飞机金属结构的传统修理方法是铆接、螺接、焊接和其他机械连
接等方法，修理之前需要在受损的结构上钻孔或冲孔，削弱了零件强
度还产生了密封问题。零件承受负载时，孔的周围会形成应力集中和
应力分布不均。为了解决应力集中，若加厚材料，会引起结构重量的
增加，应力分布不均匀会降低结构疲劳寿命。钻边的边缘是人为的疲
劳源，机械连接处有接触腐蚀的危险，在周期性载荷作用下会发生松
动，而铆接和螺接往往费工又费时。
随着化学工业的发展，新的胶粘剂大量出现，金属胶接技术的应
用得到了迅速的发展。在航空方面，荷兰Delft大学复合材料研究所
率先使用结构连接设计，而澳大利亚的Baker教授成功用于军机修理，
至今已有20多年的历史，修理了大量的老龄飞机，取得了FAA的适
航证。

一、 金属胶接技术的特点
1、 优点：
（1） 无应力集中，抗疲劳性能好，在胶接结构中，疲劳裂纹的扩
展缓慢。
（2） 胶接结构重量轻，可省去大量的铆钉、螺栓。因为没有焊缝，
不会起皱，表面光洁。
（3） 胶接不仅提供了配合表面之间结构上的联系，而且保证了密
封。
（4） 胶粘剂层对振动有阻尼作用，降低了噪声载荷的声级。
（5） 胶接结构中没有空穴和缝隙，不存在留潮气或其他腐蚀物
质，减少了腐蚀作用。
（6） 胶接工艺、设备要求比较简单、操作容易。
2、 缺点：
（1） 胶接的剥离强度较低，在使用环境F胶接剂老化程度难以鉴
定。
（2） 胶接质量因受多种因素的影响，它的无损检验手段还不够完
善。

在21世纪的今天，随着使用经验的大量积累，性能和检验手
段的不断完善，金属胶接修补技术在波音飞机上早已广泛应用。
对于波音737NG飞机，在2006年出版的波音737-700/800/900的
SRM51-70-10手册中更新了铝合金蜂窝结构的修理方法，加大了用
户的损伤允许修理范围。

二、 波音B737-700/800/900铝蒙皮铝蜂窝芯夹层的粘接修理
（一） B737 NG飞机上采用了铝蜂窝夹层结构，分别用于翼
尖、减速板、前缘缝翼、内外侧襟翼的后缘楔形件。
如图1所示。
（二） 金属蜂窝结构的典型构造和承载
如图2 所示。
（三） 金属蜂窝结构的典型损伤及其修理

（1） 蒙皮表面划伤（如图3）

（2） 蒙皮表面压伤或冲击下沉（如图4）
（3） 蒙皮上有小孔或分层（如图5）

（4） 蜂窝损伤（如图6）
（5） 蒙皮及蜂窝芯穿透（如图7）

（6） 典型边缘损伤（如图8 ）
（四） 铝合金蜂窝结构的修理流程图（如图9）
采用胶接技术修理的关键是修补前的准备工作，按波音
SRM51-70-10进行。对铝及铝合金的待修表面，再确定了损伤部分，
进行了表面清洁以后，为使膜层与粘接剂有较高的胶接强度，必
须在粘接部位预先进行磷酸阳极化处理。在飞机上应用这种传统
的方法处理，只能采用局部磷酸阳极化处理方法——The
Phosphoric Acid Containment System (PACS)和在此基础上的改进。
波音公司在SRM中推荐采用Heatcon Composite System进行热补
修理。
工作中的安全防护
对于复合材料工业的从业人员，由于所接触的物品，如环氧
树脂、清洁剂MPK通过表皮接触（皮肤或眼睛），或被呼吸吸入，
而对人体的肺、肝、肾等造成伤害，所以必须进行安全防护。
1、 皮肤防护
环氧树脂对皮肤有害，有人对这些物质尤其敏感。因此需要
手套或手膏保护。使用胶粘剂时务必用手套，因为手膏对胶接操
作可能产生相反的影响。进行湿法铺层修理时，必须戴上内衬棉
垫的氯丁橡胶手套、防护服和护目镜，以防溶剂及其蒸气的有害
影响。
常用防护措施：氯丁橡胶手套和防护服。
2、 眼睛与面部防护
在复合材料生产与维修的大多数阶段都需要保护眼睛。常见的
危险是在分发、混合及使用树脂时产生的树脂、固化剂和溶剂的
飞溅。
常用防护措施：护目镜和面罩。
3、 呼吸器官防护
为保护人身安全，工作场所需要有良好的通风设备。在密封
的空间里若没有充分的通风设备，空气中的环氧树脂与清洁剂可
能引起不适与疾病。
常用防护措施：通风设备、过滤口罩和真空吸尘器。
4、 工作环境
由于复合材料工序与材料的自身要求，为技术人员提供好的
环境管理很重要。工作区域应保持干净、整洁、无飞溅和无碎片，
且垃圾须堆积在远处。装臵的周围地区及通道应保持赶紧畅通，
不要阻碍去往洗眼及灭火器的通道。
5、 维修设备——铺设区
铺设区必须避开灰尘、水汽、油雾、逸出的火焰及其他对粘着
不利的材料。需注意铺设区的洁净。
建议：铺设区最好不要与切割、打磨、钻孔在同一房间里进行。