复合材料航空应用及其修复

复合材料航空应用及其修复第1页/共54页一.航空复合材料概述复合材料是由两种或两种以上的不同材料、不同形状、不同性质的物质复合形成的新型材料。一般由基体材料和功能组元所组成。复合材料可经设计，即通过对原材料的选择、各组分布设计和工艺条件的保证等，使原组分材料优点互补，因而呈现了出色的综合性能第2页/共54页复合材料的历史早期飞机为复合材料，由木质框架，金属丝支架和织物组成。焊接钢质框架从20世纪20年代早期开始代替木质框架。轻质铝壳结构则从20世纪30年代开始采用。到20世纪50年代完全转变成“全金属”飞机的过程完成。

第3页/共54页复合材料的今天随着玻璃纤维、凯夫拉尔、碳纤维等复合材料的发展，并且早期复合材料结构的使用预示着复合材料运用的辉煌。

在飞机上翼尖小翼、雷达罩和尾锥上少量玻璃纤维增强塑料的使用标志着飞机设计上复合材料的重新应用。从那时起复合材料在这些部件上的成功应用导致在每一种新机型上复合材料应用的增加。波音747使用了超过10,000平方英尺表面的复合材料结构。在过去几年当中先进复合材料技术运用到诸如大翼面板、地板梁等主要结构上。显而易见对基本复合材料结构和复合材料结构修理技术的理解对于航空公司人员来说是多么重要。第4页/共54页先进复合材料优异的力学性能和明显的减重效果在航空器领域得到广泛认可。随着飞机性能的不断提高，作为现代飞机结构材料的复合材料的应用已由小型、简单的次承力构件发展到大型、复杂的主承力构件。在飞机机翼、机身、操纵面、起落架舱门、蒙皮、安定面、雷达罩等部件多处使用。第5页/共54页复合材料的优点：相对不易腐蚀不会产生金属疲劳可设计载荷可减少连接部件（同步成型）减重，节油第6页/共54页复合材料的缺点：原料高成本（增强纤维，如CF）制造维修人力成本高，耗时力学性能受温度湿度影响高检测损伤难度大可导致铝等电位低的金属腐蚀第7页/共54页纤维织布材料第8页/共54页二.复合材料在飞行器上的应用

先进复合材料技术的实际应用在飞行器设计与制造中具有重要的地位。这是因为复合材料的许多优异性能，如比强度和比模量高，优良的抗疲劳性能，以及独特的材料可设计性等，都是飞行器结构盼望的理想性能。高性能飞行器要求结构重量轻，从而可以减少燃料消耗，延长留空时间，飞得更高更快或具有更好的机动性；也可以安装更多的设备，提高飞行器的综合性能。第9页/共54页

减轻结构的重量可大大节约飞机的使用成本，取得明显的经济效益。据国外有关资料报告，先进战斗机每减重1kg，就可节约1760美元。西方国家在很短的时间内就实现了从非受力件和次受力件到主受力件应用的过渡，无论是用量还是技术覆盖面都有了很大的发展。目前正在研制的战斗机中所使用的复合材料可占飞机结构总重量的50%以上。飞机隐身技术的发展与应用，进一步扩大了对复合材料技术的需求。在继民用飞机中出现全复合材料飞机（如LearFan2100，Starship和Vayager）之后又出现了全复合材料机身的隐身轰炸机B2。此外，也只有采用了复合材料，才使前掠翼得以在X-29上实现。第10页/共54页全球鹰无人侦察机第11页/共54页B2隐形轰炸机第12页/共54页第13页/共54页第14页/共54页F-18战斗机第15页/共54页第16页/共54页第17页/共54页第18页/共54页空客A320第19页/共54页TAG公司推出全复合材料机体无人直升机第20页/共54页目前，国内飞机型号应用复合材料的比例越来越高，应用复合材料的部件越来越大，复合材料构件的结构也越来越复杂，复合材料构件已经逐步从次承力构件到主承力构件转变，复合材料的垂直安定面、水平尾翼、前机身、舱门、整流罩等构件已在多种型号飞机上使用并形成了批量生产能力。机翼、旋翼等主承力构件也已经在小批量生产。第21页/共54页

国内复合材料在飞机上应用最多的是新研制的中、高空长航时无人机，其机体复合材料的使用量达到70%，机翼翼展18米，为全复合材料结构；其中，机翼整体盒段运用设计工艺一体化技术，将机翼的前、后梁，上蒙皮和所有中间肋整体共固化成型，在复合材料应用技术上有所突破。在自行设计制造的直升机上，应用复合材料最多的是Z10专用武装直升机，其主桨叶、尾桨叶和尾段为全复合材料结构。第22页/共54页长航时无人机Z10武装直升机第23页/共54页第24页/共54页C/C复合材料在高超飞行器中应用炭/炭（C/C）复合材料是一种新型高性能结构、功能复合材料，具有高强度、高模量、高断裂韧性、高导热、隔热优异和低密度等优异特性，在机械、电子、化工、冶金和核能等领域中得到广泛应用，并且在航天、航空和国防领域中的关键部件上大量应用。我国对C/C复合材料的研究和开发主要集中在航天、航空等高技术领域，较少涉足民用高性能、低成本C/C复合材料的研究。第25页/共54页导弹、载人飞船、航天飞机等,在再入环境时飞行器头部受到强激波，对头部产生很大的压力，其最苛刻部位温度可达2760℃,所以必须选择能够承受再入环境苛刻条件的材料。设计合理的鼻锥外形和选材，能使实际流入飞行器的能量仅为整个热量1%～10%左右。对导弹的端头帽,也要求防热材料在再入环境中烧蚀量低，且烧蚀均匀对称,同时希望它具有吸波能力、抗核爆辐射性能和全天候使用的性能。三维编织的C/C复合材料，其石墨化后的热导性足以满足弹头再入时由160℃至气动加热至1700℃时的热冲击要求，可以预防弹头鼻锥的热应力过大引起的整体破坏;其低密度可提高导弹弹头射程，已在很多战略导弹弹头上得到应用。除了导弹的再入鼻锥，C/C复合材料还可作热防护材料用于航天飞机。第26页/共54页第27页/共54页第28页/共54页涡轮发动机

C/C复合材料在涡轮机及燃气系统(已成功地用于燃烧室、导管、阀门)中的静止件和转动件方面有着潜在的应用前景,例如用于叶片和活塞，可明显减轻重量,提高燃烧室的温度,大幅度提高热效率。

美国F22、F100、F119军机和俄罗斯航空发动机上已经采用炭/炭制作航空发动机燃烧室、导向器、内锥体、尾喷管鱼鳞片和密封片及声挡板等。

第29页/共54页F-22第30页/共54页第31页/共54页三.飞机复合材料的修理

铺层修理第32页/共54页

真空包和热补仪第33页/共54页

真空包和热补仪第34页/共54页一个典型的维修案例第35页/共54页维修步骤找出损伤区域打磨、割除损伤抽真空干燥待修部件清洁维修区域填补损伤蜂窝用胶膜、发泡胶修理蜂窝制作铺层进行铺层真空包热补仪固化维修维修质量检测并恢复漆层第36页/共54页找出损伤区域第37页/共54页确定损伤区域（NDT）无损检测设备确认损伤（BMS8-276)第38页/共54页找出损伤区域第39页/共54页打磨、割除损伤第40页/共54页抽真空干燥待修部件第41页/共54页清洁维修区域第42页/共54页填补损伤蜂窝第43页/共54页用胶膜、发泡胶修理蜂窝第44页/共54页制作铺层第45页/共54页第46页/共54页真空包热补仪固化维修第47页/共54页第48页/共54页维修合格检验