复合材料胶接修复飞机金属结构关键技术及应用

复合材料胶接修复飞机金属结构关键技术及应用

王杰 宋群贝 郝宇

石家庄海山实业发展总公司，050200

摘要：复合材料胶接修复技术凭借其高效的传载能力、较低的工艺实施难度和优异的抗疲劳性能，逐渐成为航空领域金属构件修复的首选方法。通过优化胶接修复的材料体系设计、补片设计及表面处理技术，胶接修复能够有效增强损伤结构的力学性能。本文分析了复合材料胶接修复的技术特点，探讨了其在航空领域的实际应用及未来发展方向。

关键词：复合材料、胶接修复、航空修复技术、表面处理

引言

随着航空技术的发展，飞机在长时间服役过程中不可避免地会出现金属构件的疲劳损伤。传统的机械修复方法存在诸多局限性，如应力集中、载荷传递效率低等问题。复合材料胶接修复技术因其传载能力强、工艺便捷且抗疲劳性能优越，逐渐成为航空金属损伤修复的重要手段。本文将从复合材料胶接修复的传载能力、工艺实施性、材料体系设计及表面处理等多个方面探讨其技术特点和应用价值，为未来复合材料胶接修复技术的广泛应用提供理论支持。

1复合材料胶接修复技术特点

1.1传载能力

胶接修理同机械连接相比，有较高的载荷传递效率。在机械连接修理过程中，由于紧固件安装需要一定的边距，通常为孔径的2～3倍，导致跨越间隙处有一部分缺少紧固的区域。同时，由于装配间隙的存在，飞机服役过程中在机身振动和外部载荷的作用下，紧固件有可能发生移动和转动。复合材料胶接接头内的载荷是通过整个结构表面的剪切力进行传递的。由于传递载荷面积大，胶粘剂远远大于金属紧固件的比刚度。传递的长度决定了载荷从损伤结构传递至复合材料胶接补片的效率，小的传递长度等同于高的接头刚度，传输长度随胶粘剂厚度和剪切柔性而增大，因此，胶接需优化胶层厚度及剪切强度。

1.2工艺实施性强

复合材料胶接修复通过补片对金属损伤区域进行加强修复，针对不同类型金属损伤，可以针对性地开展损伤修复，工艺实施性强，与金属角盒相比，高性能复合材料补片存在诸多优点。

1）可设计性强。飞机金属构件损伤类型随机性强，针对不同大小、形状的金属损伤，可以设计相应的复合材料胶接补片。针对飞机不同承载，可以根据实际传载方向进行复合材料补片铺层角度的设计，保证补片修复后载荷传递路径不会发生突变，即保证零件承载方向的性能优异。

2）抗疲劳性能强。得益于复合材料自身优异的力学性能，采用复合材料补片胶接修复后的金属损伤结构在循环载荷作用下具有高破坏应变和耐久性，从而使金属损伤结构处于较高弹性应变水平，补片破坏风险较小。

3）优异的可成型性。飞机零部件构型复杂，在复杂外形情况下，金属角盒往往需要根据零件图纸进行钣金、钳工加工，而复合材料胶接修复仅需人为进行复合材料补片的裁剪、粘贴，成本更低，生产周期短，在外场保障中优势更为明显。

4）表面处理要求低。金属角盒通常需进行阳极化等表面处理以保证环境可靠性。

2复合材料胶接修复关键技术

2.1胶接修复材料体系设计

航空构件结构形状多样，材料体系复杂，服役环境苛刻，对复合材料胶接修复材料体系有着严格的要求。补片作为胶接修复的主体材料，需要具备高的强度、刚度，在飞机金属损伤维修工艺中，通常选用硼/环氧、碳/环氧和玻璃纤维等复合材料作为补片。其中，硼/环氧材料是最早由澳大利亚空军设计的材料体系，比强度高，比刚度高，与航空金属材料热匹配性能好，且避免了碳纤维复合材料的电化学腐蚀，是目前应用最为广泛的胶接补片材料。胶粘剂则是将补片与待修复金属构件粘结在一起的核心材料，复合材料胶接修复的质量主要受胶粘剂性能的影响。根据航空构件使用要求，通常要求胶粘剂具备良好的抗疲劳性能、抗剪切性能和抗剥离性能。受限于航空装配服役环境，胶粘剂还需要具备一定的油液耐受性和抗湿热老化性能。目前常用的复合材料胶粘剂通常包括两类：一类为胶膜型胶粘剂，通常为丁腈系环氧树脂材料，如AF130、AF126等，国产化的相关材料包括J-42、J-159等，这类材料可以在复合材料胶接过程中单独使用，通常为中温固化；另一类为双组分胶粘剂，根据一定的体积或重量配比作为A-B胶混合使用，如SY-23B、J-48等。在实际工程应用中，一方面需要考虑胶粘剂材料自身的剪切强度、剥离强度等界面力学性能，另一方面需要分析胶接修复的固化工艺要求、环境限制等。由于航空服役环境极为恶劣，通常需要根据实际情况对胶粘剂进行一定改性，使其满足特殊使用要求，如添加偶联剂以提高胶粘强度，添加橡胶以提升胶粘层的韧性等。

2.2补片设计

航空构件损伤形式多样，损伤位置、尺寸等随机性强，在开展复合材料胶接修复过程中，通常需要根据实际损伤形式进行个性化的补片设计，从而实现个性化修复。需要考虑的设计要素通常包括补片的尺寸、形状以及铺层角度[18]。根据实验和理论计算研究，补片的几何尺寸对最终胶接修复质量有着直接影响。在裂纹长度一定的情况下，适当增加补片的长度和宽度能够有效提升结构修复强度，补片的厚度和长度存在最佳配比，能够实现裂纹尖端应力强度因子最小化。由于复合材料通常由纤维进行承载，因此在进行补片铺层设计时，通常将损伤结构的最大受力方向作为纤维方向。虑及成本、补片重量、修复质量等因素，通常补片的最大长度设置为裂纹长度的1倍，而厚度约为待修复金属构件厚度的二分之一。为了避免补片边缘位置发生应力集中，补片的几何形状不应太过特殊，根据应力强度因子理论，通常选择圆形、椭圆形、多边形。其中，对于多边形补片，在补片边缘处应当设置足够的圆角过渡。在补片体积相同的条件下，相较于增加面积，增加厚度可以使尖端应力强度因子下降约18%。在补片边缘的厚度方向，还应当设计一定锥度的楔形，实现从补片到待修复构件在厚度方向上的均匀过渡，从而避免补片边缘厚度突变引起的应力集中。

2.3表面处理

由于航空金属构件与复合材料粘结性较差，并且长期服役后，在力－热－电－磁等多因素的耦合作用下，金属构件通常会产生毛刺、腐蚀等表面损伤，不利于胶接修复工艺的开展，通常需要对待修复工件进行一定的表面处理，以增加表面的湿润性、附着力和清洁度。然而，过度的表面处理会导致构件表面粗糙度过大，反而导致胶接层产生气孔等缺陷，降低修复质量。目前常用的表面处理工艺包括机械打磨、溶剂清洗、无槽化学氧化等，应用最为广泛的为机械打磨和化学处理相结合的办法，先用砂纸或者角磨机对金属构件表面进行机械打磨，改变其表面形貌，增加粗糙度和接触面积，增强粘接面上的机械啮合作用，然后使用磷酸阳极化（PANTA）进行处理。另一种典型方法是先使用化学溶剂进行表面清洗，去除影响粘接的各种外来物、氧化物、疏松层等，再对待修复表面进行机械喷砂，最后采用硅烷耦合剂进行处理。美国空军已审查批准的用于铝合金连接构件的表面处理方法为喷砂（硅烷）处理和使用磷酸阳极化抑制系统（PACS）的磷酸阳极化。

3结束语

复合材料胶接修复技术以其独特的技术优势，在航空金属损伤修复中展现了巨大的潜力。通过合理设计补片、优化胶接材料和表面处理工艺，胶接修复能够在提高修复效果的同时，降低修复成本和周期。随着复合材料和胶粘剂技术的不断进步，胶接修复技术将在未来得到更广泛的应用，为航空器的安全运行和延长使用寿命提供有力保障。

参考文献

[1]穆志韬,牛勇,李旭东,等.复合环境下金属损伤复合材料胶接修复结构疲劳寿命试验研究[J].玻璃钢/复合材料,2015,(12):18-22.

[2]刘国春,谢宗蕻,苏霓.复合材料胶接修补飞机金属结构技术的研究进展及关键技术[J].材料导报,2007,(10):90-94.

[3]钱若力,徐建新.损伤金属飞机结构的复合材料胶接修补技术研究[J].民用飞机设计与研究,2002,(02):19-22+27-28.