飞机夹层结构复合材料零部件的损伤形式及修理方法

常见飞机蜂窝板损伤形式及修理方法航空器复合材料中的蜂窝板是由薄而强的两层面板中间胶接蜂窝材料而成的一种新型复合材料，也称蜂窝层合结构(见图1)。其面板选材有金属板、玻璃纤维、石英纤维、碳纤维等；夹心材料主要有芳纶、玻璃纤维、铝合金及发泡型结构。蜂窝可制成不同的形状。飞机上的蜂窝结构是由耐腐蚀夹心、面板、衬垫、隔板（假梁）、边肋等零件胶合而成。面板与夹芯之间用胶膜胶接，蜂窝夹芯用芯子胶和耐腐蚀胶根据实际需要形状施加真空压力后加温胶接成型。图1蜂窝夹心板结构一、航空复合材料蜂窝结构损伤种类根据航空复合材料蜂窝结构部件在使用过程中可能出现损伤的情况，我们可以大致将胶接蜂窝结构部件的损伤分以下5类：1、表面损伤图2典型表面凹坑此类损伤一般通过目视检查发现，包括表面擦伤、划伤、局部轻微腐蚀、表面蒙皮裂纹、表面小凹坑和局部轻微压陷等。这类损伤一般对结构强度不产生明显的削弱。2、脱胶及分层损伤该损伤是指纤维层与层之间或面板与夹芯之间的树脂失效缺陷，主要通过敲击检查、超声波检测等手段发现。此类损伤一般不引起结构外观变化，大多是在生产过程中造成的初始缺陷，并在反复使用过程中缺陷不断扩展而导致的。脱胶或分层面积过大会引起整体复合材料强度的削弱，应及时予以修补。3、单侧面板损伤这类损伤包括单侧面板局部压陷、破裂或穿孔，一般通过目视检查即可发现。该类型损伤能使一侧面板和蜂窝夹芯都受到损伤（表面塌陷），对气动性能和结构强度影响较大。一旦发现该类损伤必须经过修理和检验确认后方能能重新使用。4、穿透损伤该类型损伤是指蜂窝部件出现穿透性损伤、严重压陷和较大范围的残缺损伤等。此类损伤对结构性能和强度有严重的影响，根据受损情况立即予以修理或按需更换新件。5、内部积水该损伤原因主要由于蜂窝结构边缘或蜂窝材料对接边缘密封不严或密封失效，在长期使用过程中由于雨水渗透、油液浸泡以及水汽冷凝而造成蜂窝夹芯出现积水。虽然一般情况蜂窝内部积水不会造成严重影响；但在冬季日夜气温变化较大的情况下，由于积液结冰膨胀将会会造成复合材料部件内部树脂基体脱胶；同时在积液的长期浸泡下也会使复合材料的树脂基体的胶接强度大幅降低而降低部件的整体性能；特别是各类复合材料制备的舵面、襟翼、翼身整流罩及发动机部件等，均应及时检查其内部蜂窝结构的积水情况并作出相应修理措施。目前该类损伤主要通过红外热成像、X-射线检测仪等手段进行检测。二、蜂窝结构的检查方式1、目视检查目视检查法是使用最广泛、最直接的无损检测方法。主要借助放大镜和内窥镜观测结构表面和内部可达区域的表面，观察明显的结构变形、变色、断裂、螺钉松动等结构异常。它可以检查表面划伤、裂纹、起泡、起皱、凹痕等缺陷；尤其对透光的玻璃钢产品，可用透射光检查出内部的某些缺陷和定位，如夹杂、气泡、搭接的部位和宽度、蜂窝芯的位置和状态、镶嵌件的位置等。2、手锤敲击法用于单层蒙皮蜂窝结构。用手锤敲击蜂窝结构的蒙皮，根据不同的声响来判断蜂窝结构是否脱胶。敲击时，注意锤头与蒙皮垂直，力度适当，以能判断故障不损坏蒙皮表面为宜。为使判断准确，可先在试件上试验。敲击回声清脆是良好，沉闷是脱粘。3、外场在位检测的便携式相控阵超声波C扫描检测系统图复合材料便携式相控超声波探伤随着便携式相控阵超声波探伤仪技术的发展，超声C扫描复合材料外场在位检测已经可以实现；它具有很高的检测分辨率，可以定位损伤所处的纤维层；且无需耦合，可用于平面、曲面及装配后结构件的检测。只需针对不同的材料和结构形式，按要求调整回波间隔方式和回波幅度方式便可成像，能更直接快速的NDT检测蜂窝结构分层和内部脱胶损伤情况。4、用X射线探伤机进行检查目前适用于外场检验的TS1605-2型携带式X射线探伤机，一般可用作12mm以下厚度钢板的内部探伤，也可用作探测蜂窝结构内部的夹芯开裂、积水等事故。三、蜂窝结构的修理简介1、复合材料蜂窝结构修理的一般要求（1）在对某飞机各蜂窝部件的损伤修补时，所使用的材料和设备应按规定进行存放和保管，并定期复验和更换。（2）对现场进行的修补处理情况应有详细的记录以备检查。在对脱粘或夹芯、蒙皮受到损伤修补后，应用SY-III型声阻探伤仪对修补情况进行检查，确认修补质量合格后方可使用，最后应采用与原结构相同的表面防护措施。（3）修复的构件在增重不多，气动性能损失不大的条件下，应尽可能接近原结构的强度。一般要求单块平尾增重＜1500g，单块副翼增重＜1000g，单块襟翼增重＜1300g，方向舵增重＜2000g。（4）所有修补必须避免应力集中。截面形状变化要和缓，避免突变；所有棱角处应倒圆，尽量采用圆形补片。（5）经过修补后的蜂窝部件表面应光滑平整，过渡区应均匀变化，尽量避免补片突出，当突出不可避免时，凸出的补片应制出倒角过渡。（6）尽量采用与原结构相同的材料来更换切除部分。（7）修补部位的周边应用密封胶密封，防止潮气和雨水渗入。（8）在同一部位不允许进行重复修补，必要时须扩大范围2～3倍进行修倍进行修补，但同一翼面上不得有两处。（9）对带配重的舵面（如方向舵）蜂窝部分修补后应检查重量平衡情况。2、修理方法根据以上的损伤方式，胶接蜂窝结构可用如下方法修理。（1）用填补法修理表面擦伤、划伤、局部轻微腐蚀，以及表面裂纹、压坑、压陷对于蒙皮裂纹，在裂纹两端各钻直径为2mm的止裂孔，用细纱纸轻轻打磨裂纹部位，用胶粘加强并堵住止裂孔。对于镁边条裂纹，在边条端头裂纹采取圆滑过度切除裂纹部位防止裂纹扩展。必要时可更换镁边条。对于表面压痕与凹陷，用细纱纸打磨损伤部位，选用胶填平，室温固化24小时后用刮刀修整。（2）用灌补法修理各种脱粘脱粘可发生于构件的边缘或中央，将检查的脱粘范围标在蒙皮上，根据脱粘面积、部位、钻注胶孔和溢胶孔。按配比条件配制胶。用注射器往脱粘的缺陷里注胶，直至周边各溢胶孔有胶溢出为止，当胶液从其他孔溢出时，将胶孔堵住以防胶液流掉。注胶时应使脱胶面倒置，以保证胶液停留在脱粘区蜂窝夹芯的根部。当各孔都有胶溢出时要停止注胶，置部件于室温!/小时固化，清理表面余胶。修补后用声阻仪检查修补质量。外形应光滑平整过度均匀。各蜂窝结构后缘的缺口变形等缺陷的修补方法类同，可先将缺陷修光，然后用修补胶胶接一块能包复整个缺陷两侧的补片即可。（3）用镶补法修复单侧面板及夹芯损伤当损伤面积不超过40CM2时，可将损伤面积打磨干净，用胶灌平加温固化。当损伤面积超过40CM2时，一般采用不加补片的镶补法修理。（4）用挖补法修补穿透性损伤或构件的局部残缺损伤根据损伤情况挖除损伤结构，配制夹芯、盖板使之与切口吻合，将损伤面下表面用铝板垫平，在切口周边下盖板芯上涂修补胶装配，加热固化之后，将上盖板涂胶盖在切口上再加热固化。（5）蜂窝内积水的排除对检查出的积水区按需要在下翼面钻不大于直径为!..的小孔排水；用&!的电热器烘干，确认无积水后经排水孔注入胶，再经过加温固化，最后用声阻仪检查确认无脱粘后交付使用。对进行排水处理的蜂窝要认真检查密封情况，并对排水区用胶认真密封孔洞。