先进复合材料讲义（八）：复合材料的固化及复合蜂窝夹层修补

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复合材料的固化

固化循环是用于固化热固性树脂体系或预浸料的时间、温度、压力循环。修补物的固化与原零件材料的固化同样重要。不同于金属修复的材料是预制的，复合材料修复需要技术人员制造材料。这包括所有的存储、加工和质量控制功能。飞机维修的修复周期从材料储存开始。储存不当的材料在用于修复之前就会开始固化。所有的时间、温度、要求必须满足并记录在案。参考飞机结构修理手册，以确定需要修理的零件的正确修复周期。

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室温固化

室温固化在节能和便携方面最有利。室温固化湿式铺层修补不能恢复原来250°F（121℃）或350°F（176．67℃）固化组件的强度或耐久性，通常用于非关键组件的湿式玻璃纤维铺层修补。室温固化修复可以通过加热来加速。在150°F（65．56℃）时达到最大性能。一个真空袋可以用来巩固层板，并为空气和挥发物逃逸提供一个路径。

02

高温固化

所有的预浸料都用高温循环进行固化。一些湿铺层修补使用升高的固化循环，以增加修复强度和加快固化过程。固化烤箱和热粘结器使用真空袋来巩固层板，并为空气和挥发物逃逸提供一条路径。高压罐使用真空和正压来巩固层板，并为空气和挥发物逃逸提供一条路径。大多数加热装置使用可编程计算机控制运行固化循环。操作者可以从可用的修复周期菜单中进行选择，也可以编写自己的程序。

热电偶放置在修复附近，它们为加热装置提供温度反馈。复合材料的典型固化温度为250°F（121℃）或350°F。（176．67℃）在烤箱或高压罐中固化的大零件的温度可能与在固化周期中的烤箱或高压罐的温度不同，因为它们的作用就像一个散热器。零件的温度对于正确的固化是最重要的，因此在零件上放置热电偶来监测和控制零件的温度。用于测量烘箱或高压釜温度的烘箱或高压釜空气温度探针并不总是确定零件固化温度的可靠设备。如果零件或工具充当散热器，那么烘箱温度和零件温度会有很大的不同。

高温固化周期至少包括三个部分：

?升温：加热装置在设定温度下升温，通常在每分钟3°F（－16．1℃）至5°F（－15℃）之间。

?保温：加热装置在预定的时间内保持温度。

?冷却：加热装置在设定的温度下冷却。冷却温度通常低于每分钟5°F。当加热装置低于125°F时，可拆卸该部件。当用高压釜固化零部件时，请务必在打开门之前释放高压釜内的压力。如图53所示

图53：高压釜固化过程

固化过程是通过对层压板施加热量和压力来完成的。随着温度的升高，树脂开始软化和流动。在较低的温度下，很少发生反应。任何挥发性污染物，如空气或水，在这段时间用真空从层压板中抽出。通过施加压力，通常是真空（大气压力）压实层压板；高压釜施加额外的压力，通常为50－100 psi。当温度接近最终固化温度时，反应速率大大增加，树脂开始凝胶硬化。在最终固化时保持可以使树脂完成固化并获得所需的结构性能。

复合蜂窝夹层修补

目前航空航天复合材料部件中有很大一部分是易损坏的轻型夹层结构。由于夹层结构是粘结结构，面板较薄，通常通过粘结修复夹层结构的损伤。

对夹层蜂窝结构的修复使用了与最常见的面板材料类似的技术，如玻璃纤维、碳纤维和Kevlar?。凯夫拉纤维通常用玻璃纤维修复。如图54所示。

图54蜂窝夹层结构的典型修复

01

损伤的分类（级）

短期修复可以满足强度要求，但受时间或飞行周期的限制。在修复的寿命结束时，必须拆除并更换修复。临时修复可以恢复组件所需的强度。但是，这种修复不会恢复组件所需的持久性。因此，它有不同的检查间隔或方法。永久修复是指恢复部件所需的强度和耐久性的修复。修复具有与原部件相同的检查方法和间隔。

02

夹层（三明治）结构

堆心微损坏（填料和灌封修复）

封装修复可用于修复小于0．5英寸的夹层蜂窝结构的损伤。蜂窝材料可以留在原地，也可以移除，用灌封化合物填充，以恢复一些强度。封装修复不能恢复部件的全部强度。

灌封胶通常是环氧树脂填充中空玻璃，酚醛或塑料微球，棉花，混合剂或其他材料。该灌封复合材料还可以用作装饰修复边缘和表皮面板的填充物。灌封胶也用于夹层蜂窝板作为螺栓和螺钉的硬点。灌封复合材料比原来的核心重，这可能影响飞行控制平衡。必须计算修复的重量，并与SRM规定的飞行控制重量和平衡限制进行比较。

03

一侧或双侧面板的损伤需要更换和修复

注：以下步骤并不替代飞机特定结构维修手册（SRM）。不要认为一个制造商使用的修理方法适用于另一个制造商。

步骤1：检查损坏情况

薄层压板可以进行目视检查和敲击测试，以确定损伤情况。如图55所示，较厚的层压板需要更深入的NDI方法，如超声检查。检查损坏附近是否有水、油、燃料、污垢或其他异物进入。水可以用x光、背光或湿气探测器来检测。

图55：敲击测试技术

步骤2：清除损坏区域的水

在部件修复之前，需要将水从蜂窝芯中清除。如图56所示，如果不除去水，在高温固化循环过程中，水会沸腾，面板会膨胀芯板，造成更大的损坏。蜂窝芯中的水在高海拔地区的低温下也会结冰，这可能会导致面板脱落。

图56：真空袋法干燥零件

步骤3：移除损伤

把部件上的损坏部位修剪成圆角的光滑形状，或圆形或椭圆形。不要损坏未损坏的层、芯或周围材料。如芯核也损坏了，将芯核修剪成与芯皮相同的轮廓。如图57所示：

图57：清除核心损伤

步骤4：预置损坏区域

使用软盘砂光机或旋转垫砂光机在清理后的损伤周围用均匀的锥度砂光。一些制造商给出了一个锥度比，如1：40，而另一些制造商则规定了一个锥度距离，如每层现有的锥度距离有1英寸的重叠。去除外部饰面，包括比锥度边框至少大1英寸的区域的导电涂层。用干燥的压缩空气和吸尘器清除所有沙尘。使用沾有许可溶剂的干净布清洁受损区域。如图58所示：

图58：打磨修复区域

步骤5：安装蜂窝芯（湿铺层）

用刀切割更换的芯子。芯塞必须与原芯具有相同的型号、等级和品级。芯细胞的方向应与周围材料的蜂窝状方向一致。塞形物必须修剪到合适的长度，并用认可的清洁剂进行溶剂清洗。

对于湿铺层修补，剪下两层适合未损坏表皮内表面的编织织物。用树脂浸渍织物层，放在洞里。使用灌注化合物周围的核心，并把它放在洞内。对于预浸料修补，剪下一片贴合孔的胶膜，在堵塞物周围使用发泡胶粘剂。堵塞物应该碰到洞的两侧。将堵塞物的芯核与原初材料对齐。用真空袋修补区域，并使用烤箱、高压釜或热毯对更换的核心进行固化。湿铺层修补可在室温至150°F（65．56℃）下固化。预浸料修补必须在250°F（121℃）或350°F（176．67℃）下固化。通常，更换的核芯是单独的周期固化，而不是与补丁共固化。在固化后，必须用磨砂将堵塞物与周围区域齐平。如图59所示：

图59：核芯更换

步骤6：准备和安装修复层

参考修理手册，了解正确的修理材料和修理所需的层数。通常情况下，比原来安装的层数多安装一层。将层厚裁成正确的尺寸和方向。修理层厚的安装方向必须与被修理的原层方向一致。用树脂浸渍层，用于湿铺层修复，或从预浸料中除去衬底材料。铺层通常采用最小的铺层第一锥度铺层顺序。如图60所示：

图60：修补安装

步骤7：用真空袋装好修补物

一旦铺层材料到位，使用真空袋安装来去除空气和加压修复固化。安装真空袋说明请参见图61。

图61：真空处理

步骤8：固化修复

在所需的修复周期内修复。湿铺层修补可在室温下固化。可将温度升高至150℉（65．56℃）以加速固化。预浸料修补需要在升高的固化周期内固化。如图62所示，从飞机上取下需要修复的部件，可以在热房间、烤箱或高压釜中进行固化。加热毯用于飞机上的维修。

固化后取出封装材料，并检查修补情况。修补应该没有坑，水泡，树脂盈亏的区域。用砂纸轻轻打磨修补补丁，使其表面光滑，不会损坏纤维。应用表面处理和导电涂层（防光波）。

图62：固化修复

步骤9：维修后检查

通常使用目视、轻拍或超声波检查来做修补厚的检查。如果发现缺陷，则要拆除修复的补丁。如图63所示：

图63：维修后检查

如果飞行控制面板进行了修复，请执行平衡检查，并确保修复的飞行控制面板在SRM的范围内。如果不这样做，可能会导致飞行控制颤振，影响飞行安全。

未完待续

原文标题:先进复合材料讲义（八）：复合材料的固化及复合蜂窝夹层修补