復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到一個新的高度，復(fù)合材料維修技術(shù)也在不斷地發(fā)展和進(jìn)步。2019年9月3-4日，HEATCON公司和SAMPE聯(lián)合舉辦了復(fù)合材料維修技術(shù)培訓(xùn)，HEATCON公司重點講解了新型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理的新技術(shù)、操作過程、設(shè)備原理并進(jìn)行現(xiàn)場演示操作，培訓(xùn)內(nèi)容包括HCS7600雙真空處理（DVD），HCS3100修理罐以及固化加熱溫度均勻性控制等技術(shù)。

復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用始于上世紀(jì)60年代，最早開始研發(fā)和使用復(fù)合材料的飛機(jī)部件有整流罩、擾流板、飛行控制部件等。由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢是強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕、抗疲勞性能好等，所以復(fù)合材料的應(yīng)用量在航空航天領(lǐng)域持續(xù)增長，復(fù)合材料在航空航天結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域變得越來越重要。當(dāng)前新一代的大型客機(jī)已被設(shè)計和制造成全復(fù)合材料機(jī)身、全復(fù)合材料機(jī)翼的結(jié)構(gòu)；由此復(fù)合材料在整體飛機(jī)結(jié)構(gòu)的比重大幅上升，如波音777飛機(jī)的復(fù)合材料重量占比為11%，而在波音787飛機(jī)的復(fù)合材料重量占比達(dá)到了50%。

隨著這些復(fù)合材料應(yīng)用占比較大的飛機(jī)的投入運(yùn)營，全球眾多MRO、航空公司為應(yīng)對新型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修理進(jìn)行了人員培訓(xùn)、設(shè)備設(shè)施配備等準(zhǔn)備工作。為了滿足這些先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修理技術(shù)要求，行業(yè)從業(yè)人員需要對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、材料及工具設(shè)備進(jìn)行深入的了解和認(rèn)識。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件在制造時使用的主要設(shè)備為熱壓罐和烘箱，而飛機(jī)的機(jī) 身、機(jī)翼等主承力結(jié)構(gòu)部件均是在熱壓罐內(nèi)制造的，這是因為熱壓罐在滿足復(fù)合材料溫度固化工藝的同時還可以提供高正壓的環(huán)境。全復(fù)合材料機(jī)身、機(jī)翼等部件是由十幾層甚至幾十層的碳纖維單向帶或碳纖維織物預(yù)浸料等材料按設(shè)計的方向和層數(shù)在模具上完成鋪層，然后裝載到熱壓罐內(nèi)執(zhí)行固化工藝，完成制造過程。

幾乎所有復(fù)合材料的制造或修理過程都要面臨的一個挑戰(zhàn)便是孔隙率問題，這也解釋了為什么很多復(fù)合材料部件的制造要在熱壓罐內(nèi)高正壓的環(huán)境下完成，其主要目的是通過施加高正壓來降低復(fù)合材料制品的孔隙率。在烘箱或者其他熱壓罐外的操作，通過抽真空的方式理想情況下只能獲取到最大一個大氣壓的壓力。

孔隙率是指空隙體積在材料中的占比。在復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域，孔隙是指部件內(nèi)部沒有被樹脂或纖維充實的空間。復(fù)合材料部件中的孔隙是由多方面的因素導(dǎo)致的，而且讓復(fù)合材料部件的孔隙率達(dá)到0的水平也是非常困難的。

為保證復(fù)合材料部件的性能，將孔隙率控制在盡可能低的水平是極其必要 的，這是因為復(fù)合材部件的力學(xué)性能如剪切強(qiáng)度、彈性模量等和孔隙率水平有著直接的相關(guān)關(guān)系。據(jù)試驗和研究驗證發(fā)現(xiàn)，孔隙率每增加1%復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的層間剪切強(qiáng)度會降低7%或更高。如圖1所示，層間剪切強(qiáng)度和孔隙率的對應(yīng)關(guān)系。通常對復(fù)合材料部件來說，孔隙率水平要控制在2.5%以下；有些情況下，放寬到5%以內(nèi)也是可以接受的。

復(fù)合材料內(nèi)部出現(xiàn)空隙的因素包括空氣滯留、揮發(fā)物及排氣、樹脂滲透、工具及真空袋漏氣等。相對應(yīng)地，降低空隙率水平的方法有：優(yōu)化抽真空效果，如提高抽真空壓力、檢查并消除真空袋漏氣；對材料施加高正壓壓力；改善氣泡移動性，將氣泡排出等。

如前面所提到的，復(fù)合材料機(jī)翼、機(jī)身等部件均是通過在熱壓罐內(nèi)執(zhí)行加 溫加壓工藝完成固化過程的，其降低孔隙率的原理是通過使用熱壓罐，對材料施加高達(dá)幾個大氣壓的壓力。當(dāng)這些復(fù)合材料部件完成制造并組裝成飛機(jī)，而在飛機(jī)裝配過程中出現(xiàn)意外損傷；或者飛機(jī)交付給客戶，在飛機(jī)運(yùn)營過程中出現(xiàn)損傷，就需要面對維修這些損傷的問題。

航空復(fù)合材料維修已有幾十年的歷史，目前各大MRO、航空公司修理和運(yùn)營的主流機(jī)型是復(fù)合材料占比相對較低的經(jīng)典機(jī)型，如波音737系列、波音777系列、空客320系列、空客330 系列。當(dāng)前主要的修理方式方法包括：針對6層或6層以下的損傷或結(jié)構(gòu)，采用抽真空施加負(fù)壓的方式加壓，運(yùn)用熱補(bǔ)儀、電熱毯或其他加熱設(shè)備控制溫度工藝的方式來完成局部損傷的修理；而針對6層以上的損傷或結(jié)構(gòu)以及其他手冊特殊要求的結(jié)構(gòu)，是將部件拆解下來，采用進(jìn)熱壓罐的方式來完成修理，如反推的修理。對于復(fù)合材料部件的二次或多次進(jìn)罐修理也存在一定的風(fēng)險，因為進(jìn)罐時部件將要經(jīng)受整體二次加熱，會導(dǎo)致一些區(qū)域出現(xiàn)鼓包等問題。針對該問題，HEATCON公司研發(fā)推出HCS3100系列修理罐（US Patent 7,137,799; Canadian Patent: 2,534,014），由于采用的是電熱毯局部加熱的方式，部件不會整體二次或多次受熱，同時罐體也可以滿足施加正壓的要求，大大降低了風(fēng)險，并且還可以大幅度地降低電能消耗、提高修理循環(huán)效率。關(guān)于HCS3100系列修理罐，在本次復(fù)合材料維修技術(shù)培訓(xùn)上也進(jìn)行了案例講解。

當(dāng)類似787這樣的新一代飛機(jī)的整體復(fù)合材料機(jī)身、機(jī)翼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷以后，原來常用的修理方式方法就變得不完全適用。首先，全復(fù)合材料機(jī)身、機(jī)翼結(jié)構(gòu)均為數(shù)十層的層板結(jié)構(gòu)，因此抽真空施加一個負(fù)壓壓力無法滿足修理工藝要求；其次，對MRO和航空公司來說，將這些部件拆解下來進(jìn)罐修理也已經(jīng)不太現(xiàn)實，如波音787是整體分段的機(jī)身結(jié)構(gòu)、整體復(fù)合材料機(jī)翼。即便理論上允許拆解并配備超大型熱壓罐，其產(chǎn)生的成本也是無法接受的。

針對這些問題，結(jié)合當(dāng)前新型的復(fù)合材料修理技術(shù)和方法的發(fā)展及應(yīng)用，在復(fù)合材料維修技術(shù)培訓(xùn)上，HEATCON重點講解了雙真空處理工藝（DVD）修理方法。圖2為HEATCON公司制造的HCS7600系列DVD.

圖2

與熱壓罐通過施加高正壓加壓的方式降低孔隙率水平的原理不同，雙真空處理工藝是一種通過排出復(fù)合材料內(nèi)滯留的空氣以及揮發(fā)物等降低復(fù)合材料孔隙率的技術(shù)。當(dāng)復(fù)合材料機(jī)翼、機(jī)身層板結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷后，為了實現(xiàn)局部原位修理，在將損傷清除并完成粘接面的準(zhǔn)備工作后，接下來要進(jìn)行的就是采用雙真空處理工藝制作復(fù)合材料預(yù)固化修理補(bǔ)片。其工藝的原理和過程如下：

雙真空指的是圖3所示的V1內(nèi)真空和V2外真空。首先根據(jù)處理好的損傷粘接面確定和裁剪需要使用的預(yù)浸料修理材料的層數(shù)、方向及大小，然后將這些材料按照正確的順序和方向鋪層并放置在V1內(nèi)真空里面。各項設(shè)置工作和檢查工作完成后，將V1和V2先后調(diào)節(jié)至最大真空值，并注意保持V2≤V1的狀態(tài)，這個過程可以阻止氣泡將嵌在預(yù)浸料鋪層之間，從而有效地使這些氣泡在V1的作用下排出。接下來開始執(zhí)行設(shè)置好的預(yù)固化溫度工藝過程，對鋪層進(jìn)行加熱和保溫處理過程，隨著溫度的升高，預(yù)浸料內(nèi)的樹脂黏度開始降低，流動性增強(qiáng)，這個過程中可以進(jìn)一步排出鋪層內(nèi)的氣泡以及產(chǎn)生的揮發(fā)物。一旦預(yù)設(shè)的雙真空加壓時間完成，即可通過旋轉(zhuǎn)DVD設(shè)備上的調(diào)節(jié)閥將V2調(diào)至釋放模式，并繼續(xù)保留V1，在V1的作用下，將預(yù)浸料鋪層進(jìn)行壓實，直至預(yù)設(shè)的整個工藝時間完成。至此，復(fù)合材料修理預(yù)固化補(bǔ)片的制作完成，通過旋轉(zhuǎn)DVD設(shè)備上的調(diào)節(jié)閥將V1也調(diào)至釋放模式，然后將制作完成的補(bǔ)片取出。

圖3

不同的材料，其處理工藝溫度和時間要求會有所不同，并且補(bǔ)片制作過程 中的加熱和保溫溫度是低于該材料的最終固化溫度的，所以雙真空工藝制作的預(yù)固化修理補(bǔ)片并沒有完全固化。

通過雙真空處理工藝（DVD）制作完成預(yù)固化補(bǔ)片后，接下來就是將補(bǔ)片安裝在被修理位置，并將固化工藝按照預(yù)固化補(bǔ)片材料的最終固化工藝參數(shù)要求進(jìn)行設(shè)置，以此來完成最終的固化修理工藝。通常的操作過程是，根據(jù)修理材料的要求，在準(zhǔn)備好的修理粘接面上敷設(shè)一層符合要求的膠膜，然后將預(yù)固化補(bǔ)片精準(zhǔn)正確地放置在被修理位置。后續(xù)的工作和常規(guī)的修理方式方法類似，進(jìn)行放置熱電偶、脫模布、分離膜、電熱毯、制作真空袋等各項操作，然后執(zhí)行固化工藝，完成原位修理。

實際的修理操作過程中，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)和位置，還會涉及到熱分布檢查等各項細(xì)化工作。

本次的復(fù)合材料維修技術(shù)培訓(xùn)進(jìn)行了實際的補(bǔ)片粘接修理展示。所使用的修理樣板采用碳纖維預(yù)浸BMS8 276 Type 40, Class2, Style 6K 70 PW 制作，為10層材料鋪層的結(jié)構(gòu)，鋪層方向從上往下依次分為0°/+45°/90°/45°/0°/ 0°/45°/90°/+45°/0°。其所需要修理的層數(shù)為上面7層，修理區(qū)域采用階梯打磨的方式，處理完成的結(jié)構(gòu)如圖4所示。BMS8 276 的固化溫度為350°F（177℃）。

 

圖4

該修理的鋪層層數(shù)為7層，所以需要采用雙真空處理工藝進(jìn)行制作預(yù)固化補(bǔ)片（受培訓(xùn)場地條件的限制并沒有進(jìn)行現(xiàn)場的實際操作），補(bǔ)片效果如圖5所示。在補(bǔ)片鋪層時，最大的鋪層放置在最底層，所以圖5自上而下每層的方向依次為：+45°/0°/0°/+45°/90°/45°/0°。

圖5

將圖5所示補(bǔ)片安裝在被修理區(qū)域之前，首先在修理粘接面放置一層固化溫度為350°F（177℃）的 BMS5154 膠膜，如圖6所示；然后將預(yù)固化修理補(bǔ)片按照正確的方向和位置放置到修理粘接位置。

圖6

在完成補(bǔ)片的放置后，在修理區(qū)域周圍放置多個測溫?zé)犭娕?，然后依次放置脫模布、有孔隔離膜、吸膠布、無孔隔離膜、電熱毯、透氣棉等材料并完成真空袋的制作。接下來，對真空袋抽真空加壓，并查找和排除掉漏氣點，確保抽真空的效果符合要求。所有這些工作完成，便可以讓熱補(bǔ)儀執(zhí)行已經(jīng)設(shè)置好的固化工藝程序，進(jìn)行補(bǔ)片的固化，如圖7所示。本次的固化工藝控制使用的是 HCS9000B 型單區(qū)熱補(bǔ)儀。

圖7

本次修理使用的固化工藝執(zhí)行完成后，拆除真空袋、各種分離膜、脫模布及熱電偶等材料查看固化修理效果，如圖8所示。

圖8

隨著復(fù)合材料在各個應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，新型復(fù)合材料部件的結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜，不僅對修理工藝和處理方法提出了新的要求，也對復(fù)合材料修理使用各種設(shè)備和附件提供出了更高的標(biāo)準(zhǔn)要求。

采用雙真空處理工藝制作預(yù)固化補(bǔ)片的工藝方法可以有效地解決全復(fù)合材 料機(jī)身、全復(fù)合材料機(jī)翼等新型復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)的原位修理問題。該工藝處理方法對傳統(tǒng)復(fù)合材料修理方式方法及復(fù)合材料在其他領(lǐng)域的研究和應(yīng)用具有很重要的借鑒意義。