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中国民航大教授平:大力发展复合材料修理
发布人: 腾博会国际官网 来源: 腾博会国际官网登录 发布时间: 2021-01-31 20:38

  平:国际先进的复合材料修理技术能力随着复合材料在飞机结构中的用量及应用部位的变化而发生着改变。空客A350飞机和波音787飞机开创性地将先进复合材料的用量提升到飞机总重量的50%以上,几乎所有的主结构材料均采用了复合材料。而之前空客A320、A330等机型复合材料用量仅占结构总重量的15%左右;波音777飞机中复合材料的重量约占11%,早期的波音747-100飞机中复合材料的重量仅占1%。复合材料制造技术进步的同时也对复合材料的修理技术能力提出挑战。航空器制造商在传统复合材料结构修理技术的基础上,相继开发了更便捷、更有针对性的复合材料结构件的修理技术。以波音787复合材料结构修理技术为例,波音787的复合材料结构设计成和铝结构一样可以用螺栓打补丁修理,飞机可以迅速返回执行飞行计划。另外,波音公司针对飞机服役过程中机身容易受到各种冲击损伤的情况,设计了一种“快速复合材料修理”(QCR),可以修复承力结构上的小型损伤区域。QCR即采用轻薄的预固化补片粘贴在损伤部位,提供暂时性修理,使飞机可继续服役到下一个检验期。一般来说,在结构的任何部位,在许用损伤容限内,均可采用这种修理。在标准化方面,波音公司限定了787上结构材料的种类数量,从而方便修理商储备修理材料。波音787结构修理手册涵盖的复合材料结构修理更详细、可操作性更强。

  先进复合材料修理技术正在发生很大的变革。事实上,大多数复合材料修理培训还只是一种非常普通的、粗略的介绍。希昂复合材料系统公司认为,随着复合材料在主体结构中的应用日趋增多,按照流程进行操作以及对无损检测结果进行高技术的判读,对于复合材料结构完整性非常必要。目前,希昂复合材料系统公司正在考虑解决这一问题,例如,应用实验情境的方法进行模拟培训,在实验室为维修人员提供一些修理不恰当或误操作后的复合材料修理件,然后由维修人员讨论并指出导致最终错误的关键环节和重要原因。与此同时,英国吉凯恩集团正在着手研制一种自动化修理技术,该技术先用激光将每层复合材料中的树脂熔化,剩下松动的碳纤维用刷子刷掉,即可处理下一层复合材料。整个操作流程十分快捷,一名维修人员可同时操作多台机器设备,效率很高。欧洲航空防务及航天公司一直在努力开发飞机复合材料构件自动化修理技术,包括损伤检测、表面准备、修理补片制备、补片安装及修理后质量检查。与此同时,宇航中心正在研究一种自动树脂注入修理技术,目的是进一步开发挖补修理能力,包括采用计算机控制打磨技术去除损伤、修补织物内自动注入树脂及固化,尤其适用于曲面较大构件损伤的修理,可以降低修理的复杂性。

  平:从“九五”开始,国内的航空航天材料院所、民航以及部分高校就开始系统研究复合材料损伤修理技术,对层合板的挖补、贴补修理和蜂窝夹层结构损伤换芯修理进行了深入研究,出版了《复合材料结构修复指南》。但是,这些工作多结合各单位自身技术及应用特点开展,而且仅局限在军用飞机复合材料的修理方面,并不完全适用于民机。

  对于民用飞机的复合材料修复,只有民航系统对波音飞机和空客飞机复合材料损伤修理进行过一些研究,但还没有通过适航认证的民机复合材料损伤修理的成套技术,复合材料的修理基本依赖国外技术支持,并且相当一部分复合材料损伤还要送国外修理。我国民航维修领域有关复合材料的修理技术、设备(工具)、人才和经验等方面都极其有限,在复合材料修理现场的绝大多数工具都是他国产品。

  对此,我国航空维修领域的决策者们应给予高度重视,要在航空维修领域大力普及复合材料基础知识及正确的复合材料修理概念和模式;督促航空设计研究机构加大复合材料损伤特点及损伤容限研究力度;要重视复合材料损伤检测技术及设备的应用研究;要开发更为简便、高效的复合材料修理技术、设备。

  平:复合材料的损伤检测既是损伤评价的依据,也是复合材料结构修理的前提与基础,在确定是否可修以及修理方案以前,必须对损伤部件进行彻底的无损检查,以确定损伤的类型与程度。现有的飞机复合材料结构常用的无损检测技术包括:

  目视检测法是使用最广泛、最直接的无损检测方法。它可以检查出褪色、表面划伤、裂纹、起泡、起皱、凹痕、富胶、贫胶等缺陷;敲击检测法是利用小锤或其他工具轻轻敲击复合材料制件,通过辨听声音差异来查找损伤,适用于检测夹层结构面芯脱粘、层合板分层以及脱胶等损伤,但受操作者的经验影响较大;射线检测法利用X射线成像原理检测复合材料内部损伤,特别适合于检测夹层结构的内部损伤以及复合材料中的夹杂,对垂直于材料表面的裂纹也具有较高的检测灵敏度和可靠性,对树脂聚集与纤维聚集也有一定的检测能力,也可测量小厚度复合材料铺层中的纤维弯曲等缺陷,但对复合材料中最为常见的分层缺陷检测比较困难,对平行于材料表面的裂纹射线检测技术也不;超声检测法是利用超声波的反射情况来判定损伤的类型、与深度等信息,可以用于检测孔隙率、分层、脱胶、夹杂、疏松、裂纹等大部分损伤类型,主要包括有脉冲反射法、穿透法、反射板法、共振法、法等,它们各有特点,可根据材料结构的不同选用合适的检测方法;涡流检测法的基本原理是利用涡流探头中线圈通以交变电流后,能够在线圈附近的检测试样中产生涡流,该涡流又能产生一个交变反,交变反会改变线圈,从而使流经线圈中的电流也随之改变,当线圈上的电压恒定,线圈中电流变化引起线圈变化,通过测量线圈的变化,就可以得到试样内部的缺陷信息;红外成像检测法:当复合材料内部存在损伤时,将改变其热传导特性,此时通过热成像装置就可显示损伤的和大小。

  平:根据不同的损伤类型以及损伤部位的结构特点,应采用不同的结构修理方法。典型的复合材料结构修理方法可分为机械连接修理与胶接修理方法:

  机械连接修理方法。该方法是将补片通过机械连接盖住损伤或缺陷区域完成修理的一种方法。补片即可用金属板,又可用复合材料板。金属板中多用钛板和铝板,连接方法多用螺接和铆接,特别是单面铆接。机械连接修理便于外场使用,方便快捷,但有应力集中,有时会影响气动外形。临时性修理应用该法,条件具备时再将其拆去,改用胶接的永久性修理。

  胶接修理方法。胶接修理法又可分为注射法、混合物填充法、贴补法、嵌入式补片修理法(挖补法)和夹层结构修理。注射法一般用于修复层合板中的小分层(特别是边层)以及蜂窝夹芯中蒙皮与蜂窝芯脱胶等。该方法通过将流动性较好的树脂注入分层或脱粘的损伤区,采用常温固化或加热固化,以修理复合材料结构中的损伤。混合物填充法与注射法类似,只不过填充物多为短切纤维-树脂混合物。该方法一般用于修复小范围的表面损伤以及紧固件孔损伤。贴补法是指在损伤结构区域粘贴胶膜和补片,补片可以是预先固化好的复合材料层压板,也可以是钛、铝等合金制作的金属板。为了减小剥离应力和剪应力集中,补片边缘常设计成楔形角度。嵌入式补片修理法(挖补法)是通过打磨或切割的方法清除复合材料损伤部位,再与预浸料补片或预浸渍的湿铺层补片胶接,填补新材料的一种修理方法。根据去除损伤部位形状的不同分为阶梯法和斜接法。挖补法是较先进的方法,适用范围广、恢复结构强度高,而且外形恢复较好,是一种永久性修理方法。夹层结构修理,夹层结构是由上、下蒙皮通过胶膜或胶粘剂与芯子相连接的一种结构,由于该结构的蒙皮较薄,和芯子之间有明显的胶接界面,所以在使用中常会发生蒙皮分层、板芯脱胶以及蒙皮损伤和芯子塌陷等缺陷。对于不同损伤程度,采用不同的修理方法。

  平:未来五年,国内航空维修将迎来飞速发展期,中国航空公司运营的客机和货机总数将超过2850架,中国航空维业市场规模将达到450亿元以上。新增维修技术人员需要在2.4万人以上。大力发展复合材料维修技术将会大幅度降低复合材料部件维修成本、提高维修效率,进而减少飞机在厂时间,可为维修机构及航空公司带来巨大的经济效益。

  平:国际先进的复合材料修理技术能力随着复合材料在飞机结构中的用量及应用部位的变化而发生着改变。空客A350飞机和波音787飞机开创性地将先进复合材料的用量提升到飞机总重量的50%以上,几乎所有的主结构材料均采用了复合材料。而之前空客A320、A330等机型复合材料用量仅占结构总重量的15%左右;波音777飞机中复合材料的重量约占11%,早期的波音747-100飞机中复合材料的重量仅占1%。复合材料制造技术进步的同时也对复合材料的修理技术能力提出挑战。航空器制造商在传统复合材料结构修理技术的基础上,相继开发了更便捷、更有针对性的复合材料结构件的修理技术。以波音787复合材料结构修理技术为例,波音787的复合材料结构设计成和铝结构一样可以用螺栓打补丁修理,飞机可以迅速返回执行飞行计划。另外,波音公司针对飞机服役过程中机身容易受到各种冲击损伤的情况,设计了一种“快速复合材料修理”(QCR),可以修复承力结构上的小型损伤区域。QCR即采用轻薄的预固化补片粘贴在损伤部位,提供暂时性修理,使飞机可继续服役到下一个检验期。一般来说,在结构的任何部位,在许用损伤容限内,均可采用这种修理。在标准化方面,波音公司限定了787上结构材料的种类数量,从而方便修理商储备修理材料。波音787结构修理手册涵盖的复合材料结构修理更详细、可操作性更强。

  先进复合材料修理技术正在发生很大的变革。事实上,大多数复合材料修理培训还只是一种非常普通的、粗略的介绍。希昂复合材料系统公司认为,随着复合材料在主体结构中的应用日趋增多,按照流程进行操作以及对无损检测结果进行高技术的判读,对于复合材料结构完整性非常必要。目前,希昂复合材料系统公司正在考虑解决这一问题,例如,应用实验情境的方法进行模拟培训,在实验室为维修人员提供一些修理不恰当或误操作后的复合材料修理件,然后由维修人员讨论并指出导致最终错误的关键环节和重要原因。与此同时,英国吉凯恩集团正在着手研制一种自动化修理技术,该技术先用激光将每层复合材料中的树脂熔化,剩下松动的碳纤维用刷子刷掉,即可处理下一层复合材料。整个操作流程十分快捷,一名维修人员可同时操作多台机器设备,效率很高。欧洲航空防务及航天公司一直在努力开发飞机复合材料构件自动化修理技术,包括损伤检测、表面准备、修理补片制备、补片安装及修理后质量检查。与此同时,宇航中心正在研究一种自动树脂注入修理技术,目的是进一步开发挖补修理能力,包括采用计算机控制打磨技术去除损伤、修补织物内自动注入树脂及固化,尤其适用于曲面较大构件损伤的修理,可以降低修理的复杂性。

  平:从“九五”开始,国内的航空航天材料院所、民航以及部分高校就开始系统研究复合材料损伤修理技术,对层合板的挖补、贴补修理和蜂窝夹层结构损伤换芯修理进行了深入研究,出版了《复合材料结构修复指南》。但是,这些工作多结合各单位自身技术及应用特点开展,而且仅局限在军用飞机复合材料的修理方面,并不完全适用于民机。

  对于民用飞机的复合材料修复,只有民航系统对波音飞机和空客飞机复合材料损伤修理进行过一些研究,但还没有通过适航认证的民机复合材料损伤修理的成套技术,复合材料的修理基本依赖国外技术支持,并且相当一部分复合材料损伤还要送国外修理。我国民航维修领域有关复合材料的修理技术、设备(工具)、人才和经验等方面都极其有限,在复合材料修理现场的绝大多数工具都是他国产品。

  对此,我国航空维修领域的决策者们应给予高度重视,要在航空维修领域大力普及复合材料基础知识及正确的复合材料修理概念和模式;督促航空设计研究机构加大复合材料损伤特点及损伤容限研究力度;要重视复合材料损伤检测技术及设备的应用研究;要开发更为简便、高效的复合材料修理技术、设备。

  平:复合材料的损伤检测既是损伤评价的依据,也是复合材料结构修理的前提与基础,在确定是否可修以及修理方案以前,必须对损伤部件进行彻底的无损检查,以确定损伤的类型与程度。现有的飞机复合材料结构常用的无损检测技术包括:

  目视检测法是使用最广泛、最直接的无损检测方法。它可以检查出褪色、表面划伤、裂纹、起泡、起皱、凹痕、富胶、贫胶等缺陷;敲击检测法是利用小锤或其他工具轻轻敲击复合材料制件,通过辨听声音差异来查找损伤,适用于检测夹层结构面芯脱粘、层合板分层以及脱胶等损伤,但受操作者的经验影响较大;射线检测法利用X射线成像原理检测复合材料内部损伤,特别适合于检测夹层结构的内部损伤以及复合材料中的夹杂,对垂直于材料表面的裂纹也具有较高的检测灵敏度和可靠性,对树脂聚集与纤维聚集也有一定的检测能力,也可测量小厚度复合材料铺层中的纤维弯曲等缺陷,但对复合材料中最为常见的分层缺陷检测比较困难,对平行于材料表面的裂纹射线检测技术也不;超声检测法是利用超声波的反射情况来判定损伤的类型、与深度等信息,可以用于检测孔隙率、分层、脱胶、夹杂、疏松、裂纹等大部分损伤类型,主要包括有脉冲反射法、穿透法、反射板法、共振法、法等,它们各有特点,可根据材料结构的不同选用合适的检测方法;涡流检测法的基本原理是利用涡流探头中线圈通以交变电流后,能够在线圈附近的检测试样中产生涡流,该涡流又能产生一个交变反,交变反会改变线圈,从而使流经线圈中的电流也随之改变,当线圈上的电压恒定,线圈中电流变化引起线圈变化,通过测量线圈的变化,就可以得到试样内部的缺陷信息;红外成像检测法:当复合材料内部存在损伤时,将改变其热传导特性,此时通过热成像装置就可显示损伤的和大小。

  平:根据不同的损伤类型以及损伤部位的结构特点,应采用不同的结构修理方法。典型的复合材料结构修理方法可分为机械连接修理与胶接修理方法:

  机械连接修理方法。该方法是将补片通过机械连接盖住损伤或缺陷区域完成修理的一种方法。补片即可用金属板,又可用复合材料板。金属板中多用钛板和铝板,连接方法多用螺接和铆接,特别是单面铆接。机械连接修理便于外场使用,方便快捷,但有应力集中,有时会影响气动外形。临时性修理应用该法,条件具备时再将其拆去,改用胶接的永久性修理。

  胶接修理方法。胶接修理法又可分为注射法、混合物填充法、贴补法、嵌入式补片修理法(挖补法)和夹层结构修理。注射法一般用于修复层合板中的小分层(特别是边层)以及蜂窝夹芯中蒙皮与蜂窝芯脱胶等。该方法通过将流动性较好的树脂注入分层或脱粘的损伤区,采用常温固化或加热固化,以修理复合材料结构中的损伤。混合物填充法与注射法类似,只不过填充物多为短切纤维-树脂混合物。该方法一般用于修复小范围的表面损伤以及紧固件孔损伤。贴补法是指在损伤结构区域粘贴胶膜和补片,补片可以是预先固化好的复合材料层压板,也可以是钛、铝等合金制作的金属板。为了减小剥离应力和剪应力集中,补片边缘常设计成楔形角度。嵌入式补片修理法(挖补法)是通过打磨或切割的方法清除复合材料损伤部位,再与预浸料补片或预浸渍的湿铺层补片胶接,填补新材料的一种修理方法。根据去除损伤部位形状的不同分为阶梯法和斜接法。挖补法是较先进的方法,适用范围广、恢复结构强度高,而且外形恢复较好,是一种永久性修理方法。夹层结构修理,夹层结构是由上、下蒙皮通过胶膜或胶粘剂与芯子相连接的一种结构,由于该结构的蒙皮较薄,和芯子之间有明显的胶接界面,所以在使用中常会发生蒙皮分层、板芯脱胶以及蒙皮损伤和芯子塌陷等缺陷。对于不同损伤程度,采用不同的修理方法。

  平:未来五年,国内航空维修将迎来飞速发展期,中国航空公司运营的客机和货机总数将超过2850架,中国航空维业市场规模将达到450亿元以上。新增维修技术人员需要在2.4万人以上。大力发展复合材料维修技术将会大幅度降低复合材料部件维修成本、提高维修效率,进而减少飞机在厂时间,可为维修机构及航空公司带来巨大的经济效益。

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