劉健

摘 要：從上個(gè)世紀(jì)中葉為開(kāi)始，復(fù)合材料就已經(jīng)逐步人們的生活，并在越來(lái)越多的產(chǎn)業(yè)中得到了重視和發(fā)展，尤其是在航空航天產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用最引人注目。因?yàn)檫^(guò)去應(yīng)用于航天領(lǐng)域的金屬材料存在許多不足，而復(fù)合材料的出現(xiàn)則有效的彌補(bǔ)了這些不足，并在不少方面有所提升，尤其是在質(zhì)量、耐磨性以及耐腐蝕性等方面。然而，復(fù)合材料的缺陷則在于其容易出現(xiàn)斷裂，因此便催生航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修補(bǔ)技術(shù)。在面對(duì)航天用結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制品出現(xiàn)難以避免的損傷時(shí)，為了恢復(fù)原結(jié)構(gòu)的使用性能，減少材料浪費(fèi)就需要航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修補(bǔ)技術(shù)。因此，復(fù)合材料的修補(bǔ)技術(shù)越來(lái)越引起工程技術(shù)人員的重視，國(guó)內(nèi)外紛紛開(kāi)展復(fù)合材料修補(bǔ)技術(shù)的研究。

關(guān)鍵詞：航空；復(fù)合材料；結(jié)構(gòu)；修補(bǔ)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TQ436.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）23-0056-02

1 概 述

復(fù)合材料修補(bǔ)的設(shè)計(jì)和可行性研究最早始于上個(gè)世紀(jì)70年代初葉。當(dāng)時(shí)，美國(guó)和蘇聯(lián)的冷戰(zhàn)正處于關(guān)鍵時(shí)期，也是太空競(jìng)賽的重要節(jié)點(diǎn)，因此，以英美為首的資本主義國(guó)家開(kāi)始積極投入資源研究復(fù)合材料的修補(bǔ)技術(shù)，并且采取了積極而嚴(yán)密的保密機(jī)制。而我國(guó)的復(fù)合材料修補(bǔ)技術(shù)研究直到上個(gè)世紀(jì)的80年代中后期才開(kāi)始籌建。在1989年，我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)某飛機(jī)副油箱水平安定板支臂裂紋進(jìn)行了以碳纖維復(fù)合材料為補(bǔ)片的外場(chǎng)修補(bǔ)，標(biāo)志著我國(guó)航天材料修補(bǔ)技術(shù)及工藝應(yīng)用開(kāi)端。然而，我國(guó)在該項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)上落后于發(fā)達(dá)國(guó)家太多，加上各國(guó)之間的技術(shù)交流缺乏有效的途徑，這使得我國(guó)的航空符合材料結(jié)構(gòu)修補(bǔ)技術(shù)研究綜合水平不高。尤其是在某些特點(diǎn)材料結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)上缺乏足夠深入和系統(tǒng)的研究，其中的不足之處表現(xiàn)在多個(gè)方面，不僅僅是對(duì)該復(fù)合材料的研究和修補(bǔ)技術(shù)上，更表現(xiàn)在有限元模擬和工程應(yīng)用技術(shù)儲(chǔ)備等方面。

因此，這也是本文介紹結(jié)構(gòu)復(fù)合材料修補(bǔ)技術(shù)的初衷，希望可以有更多力量投入到在航空領(lǐng)域材料結(jié)構(gòu)修補(bǔ)技術(shù)的研究和應(yīng)用當(dāng)中。

2 航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷及修補(bǔ)的分析

2.1 航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷

復(fù)合材料在制造和應(yīng)用的階段往往容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性的損傷，這主要是由于該類材料在物質(zhì)組成和系統(tǒng)性能上具有一定的特殊性。然而，該類材料往往具有較高的物質(zhì)成本，整個(gè)部件的置換往往需要耗費(fèi)大量勞務(wù)成本和物質(zhì)成本，因此，往往對(duì)航空復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)損傷采取修補(bǔ)的方式，使之再次投入使用。對(duì)于修補(bǔ)技術(shù)而言，首先便是需要對(duì)復(fù)合材料的損傷特點(diǎn)進(jìn)行分析，并通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)損傷詳情和材料組成差異性的分析，決定相應(yīng)的修理工作。

具體而言，航空復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)損傷往往分為高速?zèng)_擊損傷與低速?zèng)_擊損傷兩個(gè)大的類別，其修補(bǔ)技術(shù)也需要根據(jù)這兩類損傷的不同具體確定。因?yàn)榈退贈(zèng)_擊損傷所附帶的能量水平較低，所以其引發(fā)的復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的層間分離和集體裂紋，其材料結(jié)構(gòu)表明并不會(huì)有太明顯的特征，但是這類損傷也會(huì)使得材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度大大減弱，無(wú)法繼續(xù)發(fā)揮使用性能。而高速?zèng)_擊損傷的表象則相對(duì)明確，因?yàn)榫哂写罅康哪芰?，而且相?duì)集中，因此所造的破壞和易見(jiàn)性損傷都明顯，例如裂縫、空洞、斷裂等等。

2.2 航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)原則

2.2.1 基本的修補(bǔ)原則

航空復(fù)合材料的基本修補(bǔ)原則主要包括了便捷性、時(shí)效性、經(jīng)濟(jì)效益以及使用性能的恢復(fù)等諸多方面。

具體來(lái)看，第一，需要修補(bǔ)之后的強(qiáng)度和硬度滿足使用要求，同時(shí)還需要保障材料在結(jié)構(gòu)性上的完整，無(wú)論是承載狀況還是使用性能都能恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)水平。第二，需要在修補(bǔ)的過(guò)程中要盡可能少影響機(jī)械整體結(jié)構(gòu)、重量以及其他性能，控制在可接受的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。第三，還需要材料表明的平整性、光潔度以及完備性，這主要是為了保障航空設(shè)備的外形不發(fā)生變化，減少對(duì)設(shè)備的啟動(dòng)影響。第四，由于修補(bǔ)具有較強(qiáng)的操作性，同時(shí)不需要太多的器材和設(shè)備。第五，修補(bǔ)具有在經(jīng)濟(jì)效益是符合標(biāo)準(zhǔn)的，需要保障成本是處于可接受的范圍內(nèi)。

2.2.2 結(jié)構(gòu)性修補(bǔ)的原則

對(duì)于從事修補(bǔ)的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，除開(kāi)對(duì)于基本修補(bǔ)原則的注重之外，還需要對(duì)結(jié)構(gòu)性修補(bǔ)原則引起重視。首先，需要保障修補(bǔ)通道的預(yù)設(shè)置，方便今后檢修工作和強(qiáng)化工作的進(jìn)行。其次，要對(duì)頻繁損壞的位置進(jìn)行設(shè)計(jì)方案上的優(yōu)化。最后，還需要強(qiáng)化對(duì)組合構(gòu)件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，降低單一項(xiàng)目修補(bǔ)所帶來(lái)的難度，及其對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響。除此之外，還需要盡量減少對(duì)整體構(gòu)建的置換和裝卸，進(jìn)一步避免安裝所帶來(lái)的時(shí)間成本。

3 航空符合材料結(jié)構(gòu)修補(bǔ)技術(shù)的分類

3.1 機(jī)械連接類

機(jī)械類的修補(bǔ)技術(shù)大多是通過(guò)焊接和鉚接來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常而言，這類修補(bǔ)需要在所需修補(bǔ)的位置外表覆蓋補(bǔ)片，然后通過(guò)螺栓或鉚釘對(duì)補(bǔ)片進(jìn)行固定。這樣一來(lái)，被損壞位置在經(jīng)過(guò)修補(bǔ)之后有可以維系完整的載荷傳遞路線，滿足其原有的功能性需求，具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，而且在操作上也相對(duì)簡(jiǎn)單。同時(shí)這類修補(bǔ)技術(shù)也有效地避免在修補(bǔ)過(guò)程出現(xiàn)冷藏和加熱的需求，因此對(duì)輔助設(shè)備功能性要求較低。在最后階段的修補(bǔ)連接件處理上并不需要投入太多的技術(shù)施工，同時(shí)又滿足了效率和便捷性的需求，具有相對(duì)可靠的修補(bǔ)性能。然而，該類修補(bǔ)技術(shù)模式也存在一定的技術(shù)缺陷，尤其是連接孔的位置會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力過(guò)于集中的問(wèn)題，需要引起高度的重視。

同時(shí)，這類機(jī)械連接修補(bǔ)技術(shù)還存在不少的問(wèn)題需要解決。

①補(bǔ)片采用的材質(zhì)（一般采用欽合金、鋁合金、不銹鋼等纖維復(fù)合材料）、厚薄以及形態(tài)；

②緊固件的材質(zhì)（常用單面螺栓或抽芯鉚釘）和類型；

③緊固件的位置排布（間距一般為4～5D，孔邊距為3D，保持和鉚釘孔的間距）；

④科學(xué)的打孔技術(shù)；

⑤打孔對(duì)于整體結(jié)構(gòu)的效果；

⑥緊固件的安裝、配置以及保存問(wèn)題。

3.2 膠接類

膠接類修補(bǔ)技術(shù)可以直接從名稱進(jìn)行理解，是指通過(guò)特殊的膠體將損壞位置與補(bǔ)片進(jìn)行連接固定，以實(shí)現(xiàn)使用性能的恢復(fù)。膠接法的應(yīng)用，使得損壞部位的修補(bǔ)模式有了更多的選擇空間和更強(qiáng)的可調(diào)節(jié)性，可以實(shí)現(xiàn)切除填補(bǔ)，這也使得膠接類修補(bǔ)法主要分為貼補(bǔ)、挖補(bǔ)等不同的類別。

首先是貼補(bǔ)修補(bǔ)，其本質(zhì)是利用外部補(bǔ)片的膠接完成對(duì)損傷位置的修補(bǔ)，但是能夠用到貼補(bǔ)修補(bǔ)的損傷位置并不多，一般只能在平面損傷中進(jìn)行修補(bǔ)，而且大多都是不會(huì)影響到整體氣動(dòng)外形的部位。通常應(yīng)用到貼補(bǔ)補(bǔ)片模式的材料也具有較多的選擇空間，除了可以選用鈦、鋁、不銹鋼等金屬材質(zhì)之外，還可以直接運(yùn)用碳/環(huán)氧、硼/環(huán)氧等類型的復(fù)合材料。然而事實(shí)上，對(duì)于這類外貼補(bǔ)片的材料選擇，往往會(huì)優(yōu)先選用和母體材質(zhì)相近的材料完成修補(bǔ)工作。

其次是固化完成的復(fù)合材料層板，鈦、鋁合金金屬材料。膠接修補(bǔ)模式可以有效減少在修補(bǔ)中所消耗的時(shí)間成本，并且對(duì)修補(bǔ)位置的氣動(dòng)外形影響也相對(duì)較小。挖補(bǔ)修補(bǔ)，應(yīng)用這類修補(bǔ)的主要原因是因?yàn)檫@類損傷部位需要進(jìn)行高強(qiáng)度的清理，然后再由新材料進(jìn)行填補(bǔ)。而這類修補(bǔ)技術(shù)也可以根據(jù)填充模式的不同進(jìn)行劃分，主要是斜接填充和階梯填充兩大類。

以斜接填充法為例，主要是將損壞位置進(jìn)行二次修整，保證其呈現(xiàn)斜面狀，然后采用新的材料進(jìn)行補(bǔ)充，而對(duì)于基于膠接面的剪切則可以保證其勻稱性，同時(shí)避免載荷偏離、剝離應(yīng)力過(guò)小的問(wèn)題，所以修補(bǔ)效果更好，特別是關(guān)于厚層合板方面的修補(bǔ)完全可以忽略厚度因素，就可以保證修補(bǔ)位置表面恢復(fù)光潔。然而，相比貼補(bǔ)法的特點(diǎn)分析，這類修補(bǔ)模式往往對(duì)操作工藝具有較高的要求，而且會(huì)耗費(fèi)較大的時(shí)間成本，還需要特別的操作環(huán)境和操作設(shè)備，因此，在一般的廠家并不容易開(kāi)展。加上階梯修補(bǔ)本身與斜接修補(bǔ)就有不少的相似性，只是階梯修補(bǔ)需要將損壞位置修整為階梯型，再利用新選用的修補(bǔ)材料進(jìn)行填充。然而，這類修補(bǔ)模式往往需要對(duì)修補(bǔ)工作的操作人員有較高的要求，不僅僅需要利用專業(yè)的設(shè)備，還需要高超的技術(shù)水平和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度。值得注意的是，這類修補(bǔ)模式需要對(duì)沒(méi)有損失的部位進(jìn)行清除，因此會(huì)衍生出不少的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 其他修補(bǔ)類

對(duì)于航空復(fù)合材料而言，除了其本身材料構(gòu)成上的特殊性之外，還有其所運(yùn)用領(lǐng)域的特殊性，綜合下來(lái)，其易受損的狀況也比普通金屬材料要頻繁的多。因此，該類材料的修補(bǔ)模式也和其他傳統(tǒng)修補(bǔ)模式存在一定的差異性。

因此，除了前兩種常用的修補(bǔ)方法之外，我國(guó)在技術(shù)發(fā)展的過(guò)程中也涌現(xiàn)出了不少的新型修補(bǔ)模式。其中發(fā)展和應(yīng)用狀況相對(duì)良好的主要是：電子束固化修補(bǔ)、光固化修補(bǔ)以及微波修復(fù)等等。這類修補(bǔ)模式往往具有相對(duì)較高的修補(bǔ)效率，通常適用于非補(bǔ)片式的修補(bǔ)需求，例如微波修補(bǔ)，則主要采用的是一種特殊的“膠接”方法，即在損壞地方加入微波吸收劑，然后強(qiáng)化該位置的磁導(dǎo)率，然后以特定的微波施加設(shè)備對(duì)修補(bǔ)位置導(dǎo)入微波，使之在較短的時(shí)間周期可以構(gòu)建全新的高強(qiáng)度修復(fù)面，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)于損傷位置的修補(bǔ)，恢復(fù)其使用性能。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著時(shí)代的發(fā)展，航空復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域和前景也得到了進(jìn)一步的顯現(xiàn)，同時(shí)也催生航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修補(bǔ)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展和完善。然而，我國(guó)目前的航空符合材料及其修補(bǔ)的發(fā)展還相對(duì)較慢，與發(fā)達(dá)國(guó)家存在較大的差異。

因此，需要國(guó)家加大對(duì)航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修補(bǔ)技術(shù)的支持和引導(dǎo)，尤其是對(duì)教育產(chǎn)業(yè)的引導(dǎo)和扶持，讓更多的人可以有平臺(tái)接觸該知識(shí)，通過(guò)擴(kuò)大教育基礎(chǔ)加大高級(jí)技術(shù)人才對(duì)該領(lǐng)域研究的深入，為我國(guó)航空復(fù)合材料修補(bǔ)技術(shù)的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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