「飛機複合材料整容術」

牛逼的「飛機複合材料整容術」

複合材料已在民用飛機的結構上廣泛應用。複合材料的最大優點是耐腐蝕和對疲勞不敏感，以及可以有效的減輕飛機的重量。

因此研究飛機複合材料維修具有較高的實際工程意義。

1

飛機複合材料

1.1

應用種類

飛機複合材料結構通常被稱為"纖維增強塑料"。這是因為它使用高強度的纖維增強材料，嵌入在一種樹脂基體里，以層或層片的形式疊加起來，形成層板。然後使用一種精確控制的加壓加熱工藝把該層板固化為一種非常堅固和堅硬的結構。

組成飛機複合材料的組元有纖維增強材料，基體和界面層。

纖維增強材料體是承載的組元，均勻地分布在基體中，並對基體起增強（韌）作用；

基體是起著連接纖維增強材料，使複合材料獲得一定的形狀，並保護纖維增強材料的作用；

界面層是包覆在增強體外面的塗層，其功能是傳力，同時防止基體對纖維增強材料的損傷，並調節基體與纖維增強材料之間的物理、化學結合狀態，確保纖維增強材料作用的發揮。

通過界面層產生的複合效應，可以使複合材料超越原來各組元的性能，達到最大幅度改善強度或韌性的目的。飛機複合材料不但是多組元的材料，而且，材料的機械性能和物理性能隨方向而變化，也是各向異性的材料。

2

複合材料的損傷

2.1

複合材料基體樹脂裂紋損傷

複合材料層合板在承受拉伸載荷或交變載荷時，我們首先能在偏軸層內觀察到基體裂紋。最早出現裂紋的往往是90°鋪層，其後是其他偏軸層。一般說來，相對軸向載荷方向的角度越小，越不容易形成基體樹脂裂紋。偏軸層內的基體樹脂裂紋是偏軸層內的主要損傷形式。基體樹脂裂紋的起始依賴於該層內的應力水平。只要層內的應力水平達到了基體樹脂材料的破壞強度，或者雖應力水平低於基體樹脂的破壞強度，但經過足夠的載荷循環，偏軸層內就會出現基體樹脂裂紋。偏軸層內的基體樹脂裂紋損傷與鋪層順序有關。

例如，[0/90/ 45]s層合板90°鋪層中的裂紋比[0/ 45/90]s層合板90°鋪層中的裂紋多。所有偏軸層的裂紋加在一起，有60%～90%的裂紋產生在20%疲勞壽命以前。但是，出現大量的基體樹脂裂紋並不影響構件應用時的安全性，大量的靜力試驗和疲勞試驗都證明了複合材料具有獨特的"損傷-安全"特性。

2.2

複合材料撞擊損傷

複合材料耐撞擊的性能較差。常會因受到外來物撞擊而產生損傷。當撞擊能量低於某個水平時，雖然目視不能覺察到損傷，這種損傷可能導致強度顯著降低。複合材料結構在使用過程中，可能會因受到撞擊而產生各式各樣的損傷，可分為硬物體撞擊和軟物體撞擊損傷。

硬物體的撞擊往往是引起複合材料的局部損傷，可能導致複合材料強度明顯下降，甚至在短時間的疲勞過程中發生疲勞破壞。飛機起飛和著陸滑跑時跑道上的石子以及空中飛行時遇到冰雹，都可能使複合材料構件產生撞擊損傷；另外，在製造和維護過程中，不正確的維護行為，例如跌落工具的撞擊等也會使複合材料構件產生撞擊損傷。

軟物體的撞擊主要是指飛鳥的撞擊。這種撞擊有時直接造成結構破壞，有時只引起局部損傷。主要取決於撞擊物的質量、材料、撞擊速度、幾何形狀和撞擊時的偏斜角度。

2.3

複合材料層間分層損傷

在面內軸向載荷作用下，沿著複合材料構件邊緣會產生層間應力或壓應力（垂直層合板平面方向）。如果外載荷（靜載荷）引起的層間應力是拉應力，並且超過了材料的層間強度，那麼自由邊緣處將會產生分層。應當指出，當交變應力水平低於開始分層的靜應力水平時，在疲勞壽命初期也可能產生分層。

複合材料層合板的鋪層順序將決定在自由邊緣處產生的層間法嚮應力是拉應力還是壓應力。例如，[30/90]s層合板在拉伸載荷作用下，自由邊緣處產生的層間法嚮應力是拉應力，而在壓縮載荷作用下所產生的是壓應力，所以，[30/90]s層合板在拉伸載荷作用下，將產生廣泛的分層損傷，而在壓縮載荷作用下，不會產生如此嚴重的分層損傷。原因是它在壓縮載荷作用下，自由邊緣處的層間法嚮應力是壓應力。[90/30]s層合板在壓縮載荷作用下，自由邊緣處產生層間拉應力，所以它在壓縮載荷下產生分層損傷。另外，還應指出，兩個90°鋪層粘貼在一起，易在自由邊緣處引起分層損傷。採用縫紉或編織布包覆邊緣的方法和提高基體材料的層間強度，都可以提高層間抗分層破壞的能力。

3

複合材料損傷的修理

3.1

複合材料修理設備

在複合材料結構修理固化過程中，需要對修理部位進行加溫；在修理過程中，常用的加溫設備有烘箱和加熱毯，也可以選擇使用熱壓罐。熱壓罐使用正壓來壓實材料鋪層，同時使用氮氣和空氣的熱混合氣體，通過高速循環來固化材料。烘箱使用真空袋內的負壓來壓實材料鋪層，同時使用高速循環的空氣來固化材料。加熱燈用於固化低溫修理。加熱燈與修理表面的距離將決定修理部位的溫度，需要一個可調節的支架來變換到修理部位的距離。加熱燈不能接觸或接近修理部位或部件，否則會造成修理區域或部件的損壞。同時可以使用熱電偶來測量表面溫度，如果在加熱燈直接光束下的溫度比較高，可以使用熱補儀控制器來控制加熱燈的溫度。電熱毯由兩層硅膠夾一層金屬電阻加熱元件構成。複合材料修理使用每平方英寸上輸出5瓦功率的電熱毯。為確保修理部位的邊緣也能充分固化，應使用比修理區域大4英寸的電熱毯。

在修理中可以設定一個指示最高溫度的熱電偶來控制修理固化周期，熱補儀在修理固化周期中可以監控真空袋中的真空水平，如果真空袋出現異常，熱補儀會發出報警。

3.2

複合材料修理輔助材料

輔助材料是修理完後它並不成為修理部件的一部分。輔助材料指的是在修理過程中被用來輔助固化工藝或幫助固化達到正確的纖維-樹脂比率的材料。

輔助材料有：分離膜/織布、吸膠材料和透氣棉、真空袋膜、做真空袋的密封膠帶等。這些材料有不同的成分、厚度和溫度範圍可供選擇。

分離膜/織布在需要控制樹脂流動的情況下使用，或與樹脂/膠黏劑接觸使用。

無孔分離膜/織布作為一種隔離物，起隔離作用。

有孔分離膜/織布允許樹脂和空氣通過，在固化之後可以輕易地從部件上去除。吸膠材料和透氣棉可以是同一種材料，但有不同的應用。這種材料吸收力強，多孔，通常由聚酯材料製成。吸膠材料用來吸收部件上的多餘樹脂，給樹脂固化時的化學揮發物以及空氣提供通道，便於它們在固化過程中逸出。透氣棉通常用於不與樹脂接觸的情況下，只在真空袋膜與其他真空袋材料之間使用，為空氣從鋪層的逸出提供通道。密封膠帶用於部件和真空袋膜之間，起空氣密封作用，產生修理所需要的真空壓力。

3.3

複合材料修理材料

1.樹脂材料：

樹脂用於浸漬纖維織物，樹脂是雙組分環氧樹脂系列。在兩組分混合使用前，各組分可以在室溫下保存。

2.纖維織物：

纖維織物（纖維織物和纖維單向帶）是濕鋪層修理的鋪層材料。濕鋪層修理由用戶採用纖維織物浸塗樹脂進行的鋪層修理。

*本文來自《科學與財富》, 2015(7):60-61 倪吉敏

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