直升机用复合材料蜂窝夹层结构脱胶的修理

发表时间：2020-09-08T06:16:32.876Z 来源：《防护工程》2020年14期 作者： 姜吉明

[导读] 合材料越来越多的应用在直升机结构件中，如何在常温下快速修理直升机用复合材料结构件已成为军民各行业的研究重点航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江省 哈尔滨市 150060

摘要：合材料越来越多的应用在直升机结构件中，如何在常温下快速修理直升机用复合材料结构件已成为军民各行业的研究重点。复合材料蜂窝夹层结构具有比强度、比刚度高等优异的力学性能，以及良好的隔音降噪、耐腐蚀和抗疲劳性能，该结构中还可以安装嵌入件，使得承载较低、重量较小的设备易于安装。目前，该结构已广泛应用在直升机结构上，如舱门、口盖、内饰、进气道和整流罩等非承力结构，地板、蒙皮、框腹板、梁腹板、尾梁等承力结构。 关键词：蜂窝夹层；脱胶；修理

复合材料蜂窝夹层结构是由上、下复合材料面板通过胶膜或胶粘剂与蜂窝相连的一种结构，由于该结构的面板较薄，蜂窝夹层间有明显的胶接界面，所以在使用中不可避免地会发生面板分层、板芯脱胶及面板损伤和蜂窝塌陷等损伤。我国复合材料专业起步较晚，有些专家在这方面作了很多工作，但未取得突破性的进展，没能在飞机复合材料蜂窝夹层结构件上实现工程化应用。近年来复合材料蜂窝结构件在我国飞机上的应用比率不断增大，数量不断增多，迫切需要其修理技术，以提高结构件损伤后的使用寿命和降低使用维护成本。 一、设计与工艺

复合材料蜂窝夹层结构不同损伤有不同的修理方法，本文主要对非穿透损伤的蜂窝壁板进行修理研究。非穿透性损伤是指一面蒙皮及芯子的损伤。

1、修理材料及方法。一般认为，复合材料蜂窝夹层结构修理用材料应相同于原材料结构，而性能和工艺又应处于同一水平为佳，也可选择工艺上更为简便但对其它性能影响不大的材料。当无法获得原结构用材料而不得不选用其作材料时，除了考虑材料的基本性能之处，还须考虑其湿热性能、耐热性能、耐介质性能和疲劳性能等。本次修理的树脂基复合材料蜂窝夹层结构的材料组成碳纤维、环氧树脂体系、蜂窝、环氧类型的高温胶粘剂和中温胶粘剂。复合材料蜂窝夹层结构的不同损伤类型和损伤程度有不同的修理方法，一般可以分为贴补法、挖补法、注射法等。挖补法又可以分为单面挖补和双面挖补。贴补法适用于载荷不大、气动外形要求不高、较薄的平面形制件。注射法仅限于分层脱粘及孔边缘损伤的修理。本文对非穿透损伤的蜂窝壁板进行修理，所以选用了挖补修理法。由于挖补修理方法不存在偏心载荷，补强板的剥离应力较小，因此采用这种修理方法的效果较好。

2、修理工艺。首先对修理表面进行清洁，从损伤表面除去所有的尘屑并用溶液进行清洗及干燥。除去零件表面的漆层，确定损伤类型。可以采用手工打磨除去漆层，但要注意打磨时，须要沿着表面纤维方向进行操作，以免损伤纤维。打磨除去漆层的区域须清洁及干燥。在被修理区域施加受控热源除湿，如采用电吹风、辐射灯或电热毯等热源，也可在真空条件下进行加热干燥处理，即用真空袋膜对整个被修理区域进行密封，抽真空不小于0．05MPa，加热至60一100％．干燥处理至少1h。然后，用打磨片沿纤维方向对损伤的铺层进行打磨至一个给定的带圆角的几何形状，采用镂铣机除去局部损坏的蜂窝芯子材料。芯子除去后仔细地清理残留的杂质。最后对切口处的蒙皮进行加工，按设计要求可加工成锥面或阶梯形面，表面应光滑，用专用清洁设备和溶剂清理胶接面并干燥。

补片按工艺可分为预固化补片和预浸料补片，其制备方法基本相同。补片的选用取决于具体的工艺。预同化复合材料补片的制备是按设计要求给定的材料、铺层、厚度、尺寸进行下料及铺贴，按工艺进行预同化成型，最后剪切、修整并整形补片，以获得最佳的尺寸和补片外形，也可适当地进行倒角或采用砂纸进行胶接面的打磨处理。预浸料复合材料补片的制备是按设计给定的材料、铺层、厚度、尺寸等进行下料，铺放在工作台上的四氟乙烯薄膜上，然后按照直径由小到大的顺序均匀递增铺贴，制成的补片放置在事先准备好的平板上以免变形，最后在修补胶接时一起固化成型。补片放在待修理区域后，在其上面放置一层带孔的聚四氟乙烯隔离膜，然后在修理区域边缘至少放置两根热电偶并用压敏胶带固定，以便准确测量固化时的温度；然后放置吸胶层，根据预浸料的含胶量控制吸胶层的层数，吸胶层上再放置一层聚四氟乙烯布起隔离作用，上面放置均压板(可以是金属或橡胶的)保证外形质量；最后在修理区域周边放置一圈腻子条，用真空袋膜将修理区域密封，抽真空等待固化。树脂基复合材料固化过程一般包括升温、保温和降温阶段。升、降温速率一般不低于3。C／min，保温时间即固化时间按具体工艺确定。

修理后要进行无损探伤检测，确定修理后的质量是否满足要求；按要求进行外形修整，清除边缘多余的胶，并小心打磨修理最表面一层的边缘，尽可能使其平滑，最后喷漆交付。 二、蜂窝夹层结构脱胶的修理 1、脱胶缺陷 / 损伤的修理

（1）修理容限。复合材料蜂窝夹层结构的修理要求较高，耗时费力，“过度”修理甚至会适得其反。因此，修理前需要先确定修与不修、能修与不能修的界限，即修理容限。修与不修的界限需要根据结构受载情况，开展比对试验确定；能修与不能修的界限则根据修理的

技术难度和经济成本确定。 如 F-18 的修理指南规定脱胶缺陷 / 损伤直径小于 19mm 可不修理，脱胶缺陷 / 损伤直径大于 75mm 时报废不能修。

（2）脱胶范围的确定。脱胶修理前，需要通过目视、敲击及无损检测方法确定脱胶的程度。 脱胶程度确认时，应注意：当两处或两处以上脱胶距离较近时，将其作为同一处脱 胶处理；当一处脱胶跨域两个结构分区时，按修理要求较高区域修理。 （3）修理方法

1）注射修理，指用流动性和渗透性好的低粘度树脂， 注入脱胶区域并固化粘合的修理方法。该方法无需去除脱胶区域的材料，主要用于修理整流罩、舱门、口盖和内饰等复合材料制件上范围较小的蜂窝脱胶。

2）挖补法。指将存在缺陷 / 损伤的复合材料铺层和蜂窝去除，并更换蜂窝及铺层的方法。该方法因可以修复制件气动外形，产生的修补应力较小，基本不存在偏心载荷，增重小等优势而成为主流的复合材料结构修理方法，主要用于修理面积较大、情况较严重的缺陷 / 损伤，是蒙皮、腹板、尾梁等承力结构蜂窝脱胶的主要修理方法。有研究表明，按完好制件铺层挖补法修理后，制件的承载能力恢复到完好制件的 80～90%，其主要原因是由于挖补法在原有缺陷基础上进一步扩孔，加大了损伤面积。使用该方法修理时，应考虑适当增加修理铺层的数量，以保证制件修理后的强度。

3）贴补法。指在结构缺陷 / 损伤的外部，通过胶接或胶接共固化来固 定一外部补片以恢复结构的强度、刚度及使用性能。 该方法主要用于对气动外形要求不高复合材料制件的修理。有研究表明，采用贴补法修理后（贴补铺层与原铺层相同）， 制件破坏模式与完好件相同，均发生在制件的非修理部位，说明经该方法修理后，贴补处已达到或超过母体的强度。

基于复合材料快速修理进行了相关研究，主要方法有微波修理法、光固化预浸修理技术等。相信随着复合材料修理技术的深入研究，直升机用复合材料蜂窝夹层结构脱胶会实现低成本、又快又好地修理。 参考文献：

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