白　尨，劉月平

（1.中國航空綜合技術(shù)研究所，北京100028；2.中國南方航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，湖南株洲412002）

復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)技術(shù)問題及合格審定考慮

白尨1，劉月平2

（1.中國航空綜合技術(shù)研究所，北京100028；2.中國南方航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，湖南株洲412002）

復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)因其工藝復(fù)雜和環(huán)境敏感等不利因素，給其適航性工作帶來很多問題。根據(jù)復(fù)合材料膠接技術(shù)現(xiàn)狀和工業(yè)部門成熟的工程經(jīng)驗(yàn)，分析了復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)適航性工作中涉及的主要技術(shù)問題（包括材料和工藝的鑒定與控制、技術(shù)設(shè)計與結(jié)構(gòu)驗(yàn)證、制造、修理、使用經(jīng)驗(yàn)等），和合格審定考慮（包括設(shè)計和構(gòu)造、結(jié)構(gòu)驗(yàn)證、生產(chǎn)、持續(xù)適航、其它問題等），為其適航性工作提供了相應(yīng)指南。

復(fù)合材料；膠接結(jié)構(gòu)；適航要求；技術(shù)問題；合格審定考慮

1　引言

隨著復(fù)合材料膠接技術(shù)的不斷發(fā)展，膠接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于民用飛機(jī)的制造和維修中。如經(jīng)常采用復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)替代金屬膠接結(jié)構(gòu)，包括夾芯蒙皮壁板、附件和主接頭等［1］。相比于傳統(tǒng)的機(jī)械緊固件，膠接結(jié)構(gòu)在抗腐蝕性、密封性、強(qiáng)度、密度等方面具有明顯優(yōu)點(diǎn)。但隨著民用飛機(jī)上復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)使用得越來越普遍，暴露的問題也越來越多，如工藝復(fù)雜、環(huán)境敏感等，給飛機(jī)的安全運(yùn)行帶來了很大影響。為此，各國適航規(guī)章都對膠接結(jié)構(gòu)提出了適航要求，如FAR 23.573“結(jié)構(gòu)的損傷容限和疲勞評定”、FAR 23.605“制造方法”等。

膠接結(jié)構(gòu)的復(fù)雜技術(shù)要求政府機(jī)構(gòu)和飛機(jī)制造工業(yè)方結(jié)合其膠接結(jié)構(gòu)工程經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)見解，指導(dǎo)其設(shè)計、制造和維修，從而獲得共同的安全利益。1999年，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）與其他政府部門、工業(yè)界和研究機(jī)構(gòu)一起，發(fā)起了復(fù)合材料的安全性和合格審定研究（CSCI），形成了一些指南資料，如《材料鑒定和等效方法》等。2004年，F(xiàn)AA對膠接結(jié)構(gòu)的制造和修理進(jìn)行了研究，并發(fā)布了一系列研究報告，如DOT/FAA/AR-05/13《飛機(jī)膠接接頭和結(jié)構(gòu)的工業(yè)技術(shù)評估》等。

本文在上述成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合復(fù)合材料膠接技術(shù)現(xiàn)況和工業(yè)部門成熟的工程經(jīng)驗(yàn)，對復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)適航性工作中相關(guān)的技術(shù)問題和合格審定考慮進(jìn)行了分析。

2　復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)主要技術(shù)問題

膠接結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)問題很復(fù)雜，與很多因素相關(guān)［2］。膠接材料與工藝應(yīng)當(dāng)滿足結(jié)構(gòu)完整性和耐久性鑒定標(biāo)準(zhǔn)，并在隨后的生產(chǎn)和維修中也能得到滿足。設(shè)計膠接結(jié)構(gòu)、附件或修理零件時，應(yīng)當(dāng)確定載荷路徑和局部應(yīng)力分布，保證其滿足載荷和環(huán)境要求，且性能不隨時間有明顯降低。制造和修理中，應(yīng)制定膠接程序，進(jìn)行過程控制、文件化管理和人員培訓(xùn)，確保生產(chǎn)可靠性。因此，復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)適航性工作中，應(yīng)涉及材料和工藝的鑒定與控制、技術(shù)設(shè)計與結(jié)構(gòu)驗(yàn)證、制造、修理、使用經(jīng)驗(yàn)等技術(shù)問題。

2.1材料和工藝的鑒定與控制

膠接結(jié)構(gòu)材料和工藝的鑒定與控制中，主要技術(shù)問題有：

·在驗(yàn)證膠接材料和工藝的剛度、強(qiáng)度、耐久性和可靠性之前，應(yīng)確定膠接工藝和選擇兼容性基底、膠接劑及輔助材料。

·通過鑒定試驗(yàn)評估結(jié)構(gòu)性能、環(huán)境影響和耐久性，并確定加工公差、材料搬運(yùn)和儲存限制，以及質(zhì)量管理監(jiān)控的關(guān)鍵特性和工藝參數(shù)。膠接結(jié)構(gòu)在使用過程中出現(xiàn)的大部分問題，源于無效的鑒定和生產(chǎn)時不充分的質(zhì)量管理［3］。

·在選擇膠接劑和基底材料時，應(yīng)當(dāng)考慮膠接接頭的設(shè)計構(gòu)型、載荷要求、制造工藝約束、環(huán)境條件、化學(xué)腐蝕預(yù)防能力，并確定最大使用溫度時的強(qiáng)度性能降低。

·確定膠接制造程序，并測試基底、膠接劑和工藝間的兼容性。

·一些最重要的工藝步驟與基底的存儲、搬運(yùn)和表面準(zhǔn)備有關(guān)。特定基底和膠接劑材料，應(yīng)有特殊的存儲、搬運(yùn)和表面準(zhǔn)備程序。

·膠接劑固化是膠接工藝的另一重要方面。膠接面與膠接劑接觸，要有足夠的壓力和溫度來完成固化。固化循環(huán)應(yīng)包含加溫加壓的順序、速率和保持時間。

·鑒定膠接材料和工藝以表征實(shí)際使用的材料和工藝，如采用試驗(yàn)鑒定膠接結(jié)構(gòu)的化學(xué)、物理、工藝和機(jī)械性能。鑒定試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)有足夠的材料批次、獨(dú)立的膠接工藝和重復(fù)試驗(yàn)次數(shù)。

·飛機(jī)中使用的基底材料在膠接加工之前應(yīng)當(dāng)進(jìn)行鑒定。由于膠接劑與基底接觸面的復(fù)雜性（與材料兼容性、表面處理、固化等多個變量相關(guān)），應(yīng)對材料的不同組合進(jìn)行獨(dú)立的膠接工藝鑒定。

·工業(yè)界通常采用物理、化學(xué)和機(jī)械試驗(yàn)，來鑒定膠接劑材料和膠接工藝。物理和化學(xué)試驗(yàn)用于控制表面準(zhǔn)備、膠接劑混合、黏性及固化性能（如密度、固化程度和玻璃態(tài)溫度）。膠接接頭機(jī)械試驗(yàn)通過測試搭接剪切剛度、強(qiáng)度，來鑒定膠接劑和膠接工藝。

·剪切試驗(yàn)雖然對材料特性描述和設(shè)計有用，但是當(dāng)膠接結(jié)構(gòu)工藝不好時，其不能提供可靠的耐久性和性能隨環(huán)境退化測量。這是因?yàn)樵诩庸み^程中即使未形成膠接或形成少量膠接，膠接表面在機(jī)械互鎖的作用下依然有充分的靜剪切強(qiáng)度和剛度，此時可通過剝離試驗(yàn)進(jìn)行可靠的測量和評估。

·機(jī)械試驗(yàn)中出現(xiàn)膠接劑失效不可接受，應(yīng)在下一個鑒定試驗(yàn)前，解決引起膠接劑失效的材料或工藝問題。

·采用材料規(guī)范控制與膠接工藝密切相關(guān)的基底、膠接劑和其他材料。材料規(guī)范應(yīng)包含鑒定要求和驗(yàn)收試驗(yàn)要求。

·確定造成材料變化的因素，并進(jìn)行記錄。通過批準(zhǔn)的程序來判斷材料變化大小，并確定是否需要等效試驗(yàn)驗(yàn)證或重新鑒定。

·通常采用工藝規(guī)范來控制膠接。工藝規(guī)范不僅包含了基底的存儲和搬運(yùn)要求，還規(guī)定了膠接工作區(qū)域的清潔度和環(huán)境控制要求。采用嚴(yán)格的工藝來控制膠接制造的關(guān)鍵步驟，包括表面準(zhǔn)備、膠接劑混合和使用、膠接層厚度公差、固化周期和膠接后檢查。

·過程控制方法（包括過程檢查和試驗(yàn)）是保證膠接劑膠接質(zhì)量的最可靠方法。鑒定試驗(yàn)中，過程控制試驗(yàn)用于探測需要解決的膠接劑失效。如果不能用無損檢測方法探測弱膠接或膠接劑失效時，則過程檢驗(yàn)和試驗(yàn)非常重要。

·控制工藝的更改應(yīng)進(jìn)行記錄。如果變化較小，可用等效采樣試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證；如果變化較大，則需重新鑒定。

2.2技術(shù)設(shè)計與結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

膠接結(jié)構(gòu)技術(shù)設(shè)計與結(jié)構(gòu)驗(yàn)證中，主要技術(shù)問題有：

·膠接結(jié)構(gòu)和附件的設(shè)計應(yīng)保證其能轉(zhuǎn)移剪切力。若膠接應(yīng)力分布中出現(xiàn)局部剝離力，則在結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計上應(yīng)盡力降低此種應(yīng)力。膠接接頭或附件的應(yīng)力分布和強(qiáng)度，與基底的幾何尺寸（如厚度、斜度角度）、膠接層厚度、膠接搭接長度、層板鋪放或纖維架構(gòu)有關(guān)。此外，還應(yīng)重點(diǎn)考慮熱膨脹與基底材料剛度方向不同而造成的殘余應(yīng)力。

·許多膠接接頭和附件采用破損安全設(shè)計。根據(jù)膠接連接機(jī)理，接頭或附件設(shè)計時只假定膠接傳力。

·工業(yè)界采用的膠接接頭或附件的分析方法，包括原始模型分析、簡單二維分析和軟件工具分析。原始模型把剪切力和其他載荷轉(zhuǎn)換為平均剪應(yīng)力，雖然用很保守的設(shè)計值計算膠接接頭能力，但是要求在結(jié)構(gòu)驗(yàn)證中對特定設(shè)計細(xì)節(jié)進(jìn)行大量測試。簡單分析和軟件工具都可預(yù)測局部剪應(yīng)力、剝離應(yīng)力分布，便于優(yōu)化膠接接頭設(shè)計參數(shù)。

·設(shè)計時采用足夠的搭接長度，以保證塑性變形時不危及膠接的整體性或累積損傷。此外，搭接長度應(yīng)能承受膠接劑塑性變形的所有載荷，且彈性層遠(yuǎn)離接頭尾部以實(shí)現(xiàn)抗蠕變。

·提供設(shè)計準(zhǔn)則、分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以便能及時處理在車間發(fā)現(xiàn)的制造缺陷和在外場發(fā)現(xiàn)的使用損傷。

·膠接接頭和附件的修理工作包括很多相同的程序和工藝。典型的膠接修理需要考慮補(bǔ)丁的幾何尺寸、切口角度和膠接層厚度，以及膠接補(bǔ)丁與基底部分之間的鋪層、剛度和熱膨脹特性不一致引起的殘余應(yīng)力。

·工廠和外場維修使用的材料、條件和工藝經(jīng)常不同，需要用積木式方法分別驗(yàn)證。對試驗(yàn)人員進(jìn)行培訓(xùn)，使其能識別膠接劑失效。積木式試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)膠接劑失效不可接受。

·膠接工藝的鑒定通常采用加速試驗(yàn)的方法，該試驗(yàn)應(yīng)能表征膠接長期暴露的環(huán)境，包括溫度、濕度和使用中可能遇到的其他流體。

·按生產(chǎn)工藝制造的大尺寸部件的靜強(qiáng)度、疲勞和損傷容限，可采用大尺寸試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。積木式分析和試驗(yàn)雖可確定結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)、損傷、缺陷和修理的影響，但成形結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造特性（包含接頭、切口、損傷、修理、載荷）依然需要采用大尺寸試驗(yàn)進(jìn)行最終驗(yàn)證。

·采用大尺寸試驗(yàn)（利用小尺寸試驗(yàn)得出的過載系數(shù)），來說明潮濕和溫度的性能退化。

2.3制造

膠接結(jié)構(gòu)制造相關(guān)的主要技術(shù)問題有：

·采用新的膠接制造設(shè)施和制造工藝時，需進(jìn)行制造試驗(yàn)以加深對結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的了解，保證膠接結(jié)構(gòu)能可靠生產(chǎn)。對于新設(shè)計，應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)確定和制造試驗(yàn)的迭代。

·采用專門的設(shè)施和程序來管理和控制材料及主要的膠接工藝步驟。該技術(shù)問題與清潔度、環(huán)境條件、存儲、材料壽命、過程記錄、人員培訓(xùn)和維護(hù)相關(guān)。前面討論的材料管理，可保證批次間的一致性。工廠程序和記錄可管理未固化材料的存儲條件、貨架壽命、搬運(yùn)等，保證其滿足相關(guān)規(guī)范要求。采用無塵設(shè)施和無塵管理程序來管理膠接裝配環(huán)境、設(shè)備、工裝及人員，控制所有污染源?？刂颇z接過程所用的消耗性材料，防止污染，避免膠接過程中發(fā)生變化。設(shè)施、設(shè)備和工裝的維護(hù)，應(yīng)保證膠接結(jié)構(gòu)重復(fù)生產(chǎn)所需的清潔度、材料和工藝控制。

·表面準(zhǔn)備是膠接最重要的工藝步驟。金屬材料和復(fù)合材料基底的表面準(zhǔn)備技術(shù)有本質(zhì)的不同。一些表面準(zhǔn)備工藝控制方法包括目視檢查、偏振光檢查、水裂紋檢查、化學(xué)分析和機(jī)械試驗(yàn)等。表面一旦準(zhǔn)備好后，應(yīng)當(dāng)在規(guī)定時間內(nèi)膠接，否則需重新準(zhǔn)備。通過經(jīng)鑒定的基底表面準(zhǔn)備工藝形成的基底表面結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性，在生產(chǎn)時不能變化。

·膠接裝配時需考慮幾何特性、裝配和時間等問題。裝配時，應(yīng)控制固化尺寸公差和變形。由于膠接厚度影響局部膠接應(yīng)力分布和強(qiáng)度，因此采用過程檢查進(jìn)行監(jiān)控。裝配夾具和裝配程序可用來評估膠接前間隙，加工輔助工具可用來評估某些膠接過程需要的緊密度容限。最小膠接厚度可用不同類型的隔離物控制（如麻布、玻璃珠、小氣球等）。整個裝配過程中，裝配夾具的公差應(yīng)予以監(jiān)控和保持。

·應(yīng)控制膠接結(jié)構(gòu)固化，保證膠接劑正確濕潤基底表面，并將表面溫度保持在能形成預(yù)期使用性能的溫度下，而不發(fā)生過熱。固化周期內(nèi)不同階段的熱傳導(dǎo)、膠接面接觸壓力和膠接劑特性等，會綜合影響結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的最終膠接狀態(tài)。因此，需通過過程質(zhì)量控制來局部控制固化周期和避免過熱，并且固化工裝和膠接期間控制結(jié)構(gòu)溫度的設(shè)備應(yīng)進(jìn)行管理和維護(hù)。用于過程控制的程序需要驗(yàn)證，并定期校準(zhǔn)。

·膠接的制造質(zhì)量管理通常包括過程控制和膠接后檢查。

·膠接結(jié)構(gòu)的無損檢測，是證明已實(shí)現(xiàn)適當(dāng)膠接的必要方法，可確定脫膠、多孔、夾雜異物的位置，但不能可靠地發(fā)現(xiàn)弱膠接。弱膠接應(yīng)通過過程檢查有效控制。同時，表面準(zhǔn)備、膠接劑混合、膠接裝配和固化等需要過程質(zhì)量控制。

·加工缺陷需要相應(yīng)的處理程序，設(shè)計資料和結(jié)構(gòu)驗(yàn)證可支持該項(xiàng)工作。

·應(yīng)對車間內(nèi)的膠接結(jié)構(gòu)技術(shù)人員和質(zhì)量人員進(jìn)行培訓(xùn)，保證接劑失效及其原因能被正確識別和糾正。每個結(jié)構(gòu)的使用材料、工藝步驟、質(zhì)量檢查都需要記錄。如果在車間或外場發(fā)現(xiàn)弱膠接或脫膠，而不能追蹤到特定批次或制造錯誤，則表明該膠接工藝不可靠。

2.4修理

膠接結(jié)構(gòu)修理相關(guān)的主要技術(shù)問題有：

·膠接修理與其制造有很多相同的設(shè)計考慮。對于膠接修理所用的膠接劑和補(bǔ)丁材料，應(yīng)對其設(shè)計和工藝進(jìn)行驗(yàn)證。若車間和外場試驗(yàn)采用不同的材料、設(shè)計和工藝，應(yīng)分別驗(yàn)證。

·積木式方法包含了膠接修理結(jié)構(gòu)驗(yàn)證所需的分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，不僅為維修文件提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，而且還為以前未涉及損傷的修理提供支持，不必再進(jìn)行大尺寸試驗(yàn)。此外，應(yīng)記錄允許的損傷、缺陷和膠接修理限制。

·維修車間程序和記錄可以管理未固化材料的存儲條件、貨架壽命和搬運(yùn)等，保證其滿足相關(guān)規(guī)范要求。通過控制程序管理膠接維修環(huán)境、設(shè)備、工裝及技術(shù)人員，以避免污染。膠接中用到的所有消耗性材料也需要進(jìn)行控制，以避免污染和膠接工藝步驟更改。同時，進(jìn)行材料和工藝控制，并保證車間設(shè)施及工裝的清潔度，使得膠接修理可接受。

·關(guān)鍵工藝步驟與特定的損傷和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)有關(guān)。維修文件應(yīng)考慮在飛機(jī)上進(jìn)行膠接結(jié)構(gòu)修理帶來的問題。復(fù)合材料基底損傷移除形成的切口面應(yīng)在公差范圍內(nèi)，且膠接面表面準(zhǔn)備應(yīng)滿足要求。

·外場使用中，復(fù)合材料或芯材料吸入潮氣或其他液體，可能在固化時引起膠接問題。因此，需要制定清除污染、潮氣和其他液體的程序，保證結(jié)構(gòu)修理部位出現(xiàn)的水、油和液壓液等得到清除。

·應(yīng)當(dāng)特別注意膠接修理的固化（包括加熱和加壓方法）。加熱方法不同、結(jié)構(gòu)零件不同、相鄰系統(tǒng)不同、是否對飛機(jī)進(jìn)行修理等因素，使得膠接修理固化的熱傳導(dǎo)問題復(fù)雜。整個修理表面需進(jìn)行過程測量和控制，以保證適當(dāng)?shù)募訜崧屎凸袒瘻囟缺３謺r間。

·應(yīng)避免因修理或附件結(jié)構(gòu)過熱引起的結(jié)構(gòu)損傷或性能退化。在適當(dāng)位置放置熱電偶或其他熱測量裝置，監(jiān)控膠接修理固化期間的最低和最高溫度，對于過程控制非常重要。

·膠接的修理質(zhì)量管理通常包括過程控制和膠接后檢查。

·修理錯誤和加工缺陷需要相應(yīng)的處理程序，設(shè)計資料和結(jié)構(gòu)驗(yàn)證可支持該項(xiàng)工作。

·需培訓(xùn)膠接維修工序中涉及的每個技術(shù)人員和檢查人員，以保證膠接失效及其原因應(yīng)能被正確識別和糾正。應(yīng)記錄膠接維修中使用的材料、工藝步驟和質(zhì)量檢查等。如果在車間或外場發(fā)現(xiàn)弱膠接或脫膠，而不能追蹤到特定批次或制造錯誤，則表明該膠接工藝不可靠。

2.5使用經(jīng)驗(yàn)

膠接結(jié)構(gòu)使用經(jīng)驗(yàn)相關(guān)的主要技術(shù)問題有：

·膠接結(jié)構(gòu)和修理的使用經(jīng)驗(yàn)，可用于證明可靠的膠接結(jié)構(gòu)工藝是否正確執(zhí)行。完整的生產(chǎn)和修理記錄對追蹤問題原因非常重要。

·膠接結(jié)構(gòu)和修理在服役期內(nèi)的監(jiān)控（包括選擇的無損檢測和退役飛機(jī)的分解檢查），可以為鑒定和過程控制中的加速試驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)服役暴露情況建立聯(lián)系提供數(shù)據(jù)。

3　復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)合格審定考慮

民用航空器中，成功的膠接結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足相應(yīng)的適航性要求［4］。美國聯(lián)邦航空條例（FAR）中對膠接結(jié)構(gòu)有但不限于以下要求：

（1）FAR 21部G分部“生產(chǎn)許可證”部分［5］

·FAR 21.139“質(zhì)量管理”；

·FAR 21.143“質(zhì)量管理資料要求：主結(jié)構(gòu)”；

·FAR 21.147“質(zhì)量管理系統(tǒng)的更改”。

（2）FAR 23部C分部“結(jié)構(gòu)”部分［6］

·FAR 23.305“強(qiáng)度和變形”；

·FAR 23.307“結(jié)構(gòu)證明”；

·FAR 23.573“結(jié)構(gòu)的損傷容限和疲勞評估”；

·FAR 23.575“檢查和其他程序”。

（3）FAR 23部D分部“設(shè)計和構(gòu)造”部分

·FAR 23.601總則；

·FAR 23.603材料控制；

·FAR 23.605制造方法；

·FAR 23.609結(jié)構(gòu)保護(hù)；

·FAR 23.613材料強(qiáng)度性能與設(shè)計值；

·FAR 23.865飛行控制、發(fā)動機(jī)安裝和其他飛行結(jié)構(gòu)的防火。

（4）FAR 23部G分部“使用限制和信息”部分·FAR 23.1529“持續(xù)適航說明資料”；

·FAR 43《維護(hù)、預(yù)防性維護(hù)、重構(gòu)和改裝》。

由此可見，復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)合格審定考慮，應(yīng)包括設(shè)計和構(gòu)造、結(jié)構(gòu)驗(yàn)證、生產(chǎn)、持續(xù)適航及其他問題。

3.1設(shè)計和構(gòu)造

膠接結(jié)構(gòu)設(shè)計和構(gòu)造中主要合格審定考慮為：

·影響膠接結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計和工藝細(xì)節(jié)通常包含在型號設(shè)計資料中，并在生產(chǎn)中控制。根據(jù)FAR 23.601要求，每個有問題的、與使用安全相關(guān)的設(shè)計細(xì)節(jié)，應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)來證明其適用性。

·應(yīng)通過試驗(yàn)鑒定新材料和新制造方法。鑒定試驗(yàn)應(yīng)考慮環(huán)境影響，如溫度和濕度。根據(jù)鑒定試驗(yàn)結(jié)果，確定材料和工藝控制要求。材料規(guī)范應(yīng)控制膠接結(jié)構(gòu)所用的膠接劑、基底和輔助材料。每個特定的膠接劑、基底和膠接工藝程序組合，都需要進(jìn)行鑒定。

·FAR 23.605要求制造方法能生產(chǎn)一致的結(jié)構(gòu)，并保證結(jié)構(gòu)有充分的強(qiáng)度和耐久性。加速試驗(yàn)有助于探測與不良膠接工藝有關(guān)的弱膠接面。鑒定試驗(yàn)中若發(fā)現(xiàn)膠接劑失效，則表明材料不兼容和/或膠接工藝不充分。FAR 23.605明確要求給定的制造方法（如膠接、電焊或熱處理）需按照批準(zhǔn)的工藝規(guī)范執(zhí)行。

·在確定鑒定資料時，明確材料和工藝之間的關(guān)系，有助于最小化所需的批次、過程運(yùn)行數(shù)和試驗(yàn)重復(fù)數(shù)。如果鑒定試驗(yàn)不能充分表征膠接材料和工藝，則隨后的控制要求也難于滿足。

3.2結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

膠接結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)驗(yàn)證中主要合格審定考慮為：

·根據(jù)FAR 23.305、FAR 23.307，新設(shè)計和制造的膠接結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行大尺寸試驗(yàn)來驗(yàn)證。通常，對于新設(shè)計結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證，積木式分析和試驗(yàn)方法可降低大尺寸試驗(yàn)數(shù)量，消除過載系數(shù)。如果經(jīng)驗(yàn)（如飛機(jī)的衍生型）表明設(shè)計和制造細(xì)節(jié)可靠，積木式分析和方法也可替代大尺寸試驗(yàn)，作為結(jié)構(gòu)的最終驗(yàn)證。

·膠接結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度驗(yàn)證的補(bǔ)充考慮因素，與特定的設(shè)計細(xì)節(jié)、填料方法、試驗(yàn)考慮相關(guān)。對于在積木分析或最終結(jié)構(gòu)驗(yàn)證試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的任何膠接劑失效，應(yīng)進(jìn)行識別、查找原因并糾正。在考慮所有環(huán)境影響和平均剪應(yīng)力分析的情況下，如果用試樣測出過載系數(shù)，則應(yīng)對試樣進(jìn)行檢查和評估，這是因?yàn)樵撛囼?yàn)沒有考慮實(shí)時性能降低等。

·根據(jù)FAR 23.573，新設(shè)計和制造的膠接結(jié)構(gòu)的損傷容限和疲勞需要大尺寸試驗(yàn)來驗(yàn)證。靜強(qiáng)度驗(yàn)證和疲勞評估，主要針對車間質(zhì)量管理或外場檢查方法不能發(fā)現(xiàn)的制造異常和意外損傷。損傷容限評估主要針對外場可探測的偶然或環(huán)境損傷（從要求探測的小損傷到能在很少飛行次數(shù)中探測的嚴(yán)重?fù)p傷）。

·FAR 23.573（a）（5）對膠接結(jié)構(gòu)有特殊要求，并提供3種方法來驗(yàn)證限制載荷能力。這些方法不是用于替代膠接工藝的鑒定要求和膠接結(jié)構(gòu)質(zhì)量管理要求。如，第一種方法破損安全不能充分保證機(jī)群飛機(jī)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的膠接工藝不良等系統(tǒng)問題的安全性，因?yàn)槠茡p安全主要針對偶然出現(xiàn)的局部膠接不良問題。第二種方法靜力限制載荷驗(yàn)證試驗(yàn)不能驗(yàn)證弱膠接，因?yàn)槿跄z接的驗(yàn)證需要時間和環(huán)境條件來暴露膠接接頭強(qiáng)度的退化。第三種方法是用無損檢測技術(shù)探測弱膠接，但是現(xiàn)在無損檢測技術(shù)還不能完全保證生產(chǎn)產(chǎn)品的安全性。

3.3生產(chǎn)

膠接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)中主要合格審定考慮為：

·質(zhì)量管理對于膠接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)非常必要。生產(chǎn)設(shè)施控制膠接工藝的環(huán)境和清潔度，使之達(dá)到鑒定和結(jié)構(gòu)驗(yàn)證試驗(yàn)所確定的水平。按照與材料和膠接鑒定工藝一致的規(guī)范來控制膠接劑和基底材料。此外，需制定正確的生產(chǎn)設(shè)施維護(hù)計劃。

·工藝步驟、設(shè)備和工裝是保證膠接結(jié)構(gòu)完整性的關(guān)鍵點(diǎn)，應(yīng)控制在規(guī)范或等效文件規(guī)定的公差范圍內(nèi)。生產(chǎn)公差應(yīng)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。制定生產(chǎn)設(shè)備和工裝周期性維護(hù)計劃。需要控制的關(guān)鍵工藝步驟通常包括，表面準(zhǔn)備、配合件尺寸公差控制、膠接劑的混合與使用、膠接厚度和膠接固化。

·生產(chǎn)許可證持有人應(yīng)當(dāng)建立和保持膠接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量管理系統(tǒng)。制造方法應(yīng)當(dāng)能可靠地生產(chǎn)具有充分強(qiáng)度和耐久性的結(jié)構(gòu)。工藝控制和生產(chǎn)記錄，應(yīng)當(dāng)記錄關(guān)鍵特性、關(guān)鍵過程參數(shù)或能證明膠接過程正確的等效資料。質(zhì)量管理體系變化時，局方需要進(jìn)行評審。

·應(yīng)制定制造缺陷和不符合項(xiàng)的處理程序。

3.4持續(xù)適航

膠接結(jié)構(gòu)的持續(xù)適航中主要合格審定考慮為：

·膠接結(jié)構(gòu)及其修理需要滿足持續(xù)適航要求。對偶然損傷、環(huán)境影響和其他原因造成的損傷，需要進(jìn)行檢查和修理。復(fù)合材料和金屬膠接結(jié)構(gòu)損傷初步探測后，需要進(jìn)行深入檢查，以確定損傷程度是否需要修理。

·基于批準(zhǔn)數(shù)據(jù)的維護(hù)手冊中的檢驗(yàn)和修理工藝步驟有眾多優(yōu)點(diǎn)。如果損傷超出了先前批準(zhǔn)的范圍，進(jìn)行處置時需要制造商或適航部門介入，并且可能需要補(bǔ)充資料驗(yàn)證。使用中發(fā)現(xiàn)的任何脫膠（包括膠接劑失效），應(yīng)報告制造商，并立即采取措施識別和糾正。記錄修理、檢查和返工等維護(hù)活動。

·質(zhì)量管理是在車間或在飛機(jī)上進(jìn)行的機(jī)體膠接結(jié)構(gòu)修理的基礎(chǔ)。膠接結(jié)構(gòu)修理時的環(huán)境和清潔度需要控制，使之達(dá)到鑒定和結(jié)構(gòu)驗(yàn)證所確定的水平。維修使用的膠接劑和基底材料需要根據(jù)批準(zhǔn)的規(guī)范進(jìn)行控制和鑒定。該規(guī)范包含儲存、搬運(yùn)、材料特性等要求。膠接需要的消耗性材料也需要控制，以保證膠接維修的完整性。

·修理工作首先是確定結(jié)構(gòu)損傷程度，包括必要的檢查和工藝處理。對于具體的修理工作，表面準(zhǔn)備、膠接劑混合、修理材料的使用和膠接固化等工藝步驟應(yīng)確定、適用和完整，且設(shè)備、工裝和輔助設(shè)施適用于膠接修理工作。

·按批準(zhǔn)的膠接修理程序，執(zhí)行并記錄過程控制和質(zhì)量檢查。質(zhì)量管理應(yīng)當(dāng)明確修理過程中的化學(xué)活性膠接表面準(zhǔn)備和加熱速率、固化溫度、保持時間等控制在外場存在的問題。

·對檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的不符合項(xiàng)和缺陷，需要相應(yīng)的處置措施。返工和驗(yàn)收程序應(yīng)基于批準(zhǔn)的資料。

3.5其他問題

膠接結(jié)構(gòu)的其他合格審定考慮為：

·在工業(yè)界各組織（如MIL-HDBK-17、SAE AMS-P17、SAECACRC、ASTM等）的幫助下，復(fù)合材料工程數(shù)據(jù)庫、規(guī)范、指南、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)不斷發(fā)展。在膠接結(jié)構(gòu)研制、合格審定、生產(chǎn)和維護(hù)工作中鼓勵使用這些資料。特定飛機(jī)結(jié)構(gòu)使用特定資料進(jìn)行驗(yàn)證時，需獲得批準(zhǔn)。

·膠接結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)和使用部門之間應(yīng)協(xié)調(diào)工作。若潛在的膠接問題影響膠接安全和持續(xù)適航，則協(xié)調(diào)工作非常必要。鑒定或結(jié)構(gòu)驗(yàn)證期間的膠接失效，可表明材料不兼容和/或膠接工藝不可靠。生產(chǎn)期間發(fā)現(xiàn)膠接失效時，應(yīng)立即采取措施，查找原因，并將所有相關(guān)的零件和組件與之隔離。使用期間發(fā)現(xiàn)膠接失效，應(yīng)立即采取措施，查找原因，將其與飛機(jī)隔離，進(jìn)行檢查和修理，并立即報告適航當(dāng)局。適航當(dāng)局依據(jù)推測的失效嚴(yán)重程度，決定是否停飛飛機(jī)。

·與設(shè)計、生產(chǎn)和維護(hù)相關(guān)的工程、技術(shù)、檢驗(yàn)人員，應(yīng)當(dāng)基本了解膠接結(jié)構(gòu)和修理相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)問題及工藝程序。培訓(xùn)車間人員，保證其正確執(zhí)行給定的膠接結(jié)構(gòu)工藝步驟和質(zhì)量檢驗(yàn)。培訓(xùn)維護(hù)人員，保證其正確執(zhí)行特定膠接結(jié)構(gòu)工藝步驟和質(zhì)量檢驗(yàn)。

4　結(jié)束語

本文分析了復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)中材料和工藝的鑒定與控制、技術(shù)設(shè)計和結(jié)構(gòu)驗(yàn)證、制造、修理、使用經(jīng)驗(yàn)等技術(shù)問題，闡述了復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)設(shè)計和構(gòu)造、結(jié)構(gòu)驗(yàn)證、生產(chǎn)、持續(xù)適航及其他問題的合格審定考慮，有助于工業(yè)方理解膠接結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)問題和合格審定考慮，為膠接結(jié)構(gòu)的適航性工作提供技術(shù)支持。

［1］Niu M C Y.Composite airframe structures［M］.Beijing：Aviation Industry Press，2010.

［2］Gu S F.Joints for composites materials［M］.Shanghai：Shanghai Jiao Tong University Press，2011.

［3］FAA.AC 21-26，Quality control for the manufacture of com posite structures［S］.

［4］DOT/FAA/AR-96/111，Advanced certification methodology for composite structures［S］.

［5］FAA.FAR 21，Certification p rocedures for products and parts［S］.

［6］FAA.FAR 23，Airworthiness standards:normal，utility，acrobatic，and commuter category airplanes［S］.

Analysis on technical issuesand certification considerations of com posite bond structure

BAIMeng1，LIU Yue-ping2
（1.China Aero-Polytechnology Establishment，Beijing 100028，China；2.China National South Aviation Industry CD.LTD，Zhuzhou 412002，China）

The adverse issuesof composite bond structure，such as complex process and environmental sensitivity challenge the airworthiness work of boned structures.Based on the advanced technical research in bonded structures and successful engineering practices employed in the industry，the technical issues like material and process qualification and control，design development and structural demonstration，manufacturing and repair imp lementation and service experience，and certification considerations of design and construction，structure demonstration，manufacture and continued airworthiness in the bonded structures'airworthinesswork were analyzed so as to provide guidelines for the airworthinesswork of boned structures.

composite；bonded structure；airworthiness requirements；technical issues；certification considerations

白尨（1987-），男，陜西清澗人，碩士，從事適航性與安全性研究工作。

V214.7

A

1672-2620（2015）02-0057-06

2014-09-03；修回日期：2015-02-22