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航空复合材料的检测修理与现场管理研究

 2022-09-27 10:33:49 来源:民航资源网 作者:陈志多  [投稿排行榜]

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      民航资源网2022年9月27日消息:摘要:复合材料是由金属材料、陶瓷材料或高分子材料等两种或两种以上的材料经过复合工艺而制备的多相材料,各种材料在性能上互相取长补短,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、石墨、橡胶、陶瓷、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、石棉纤维、碳化硅纤维、金属丝和硬质细粒等它可以发挥各种材料的优点,克服单一材料的缺陷,扩大材料的应用范围。

      首先概述航空复合材料的种类、各自的基本原理和特点,并且阐述航空复合材料具体应用。

      其次讲述航空器复合材料的常见损伤形式与分析,与之相对应的维修方法。

      再次详细阐述简述无损检测的种类和基本工作原理,应用于航空复合材料损伤检测的常规方法。

      最后简要论述航空复合材料检测与修理的可靠性,维修现场管理对航空企业运行的效率、安全的重要性。

      关键词:复合材料;检测;修理;热成像;电子散斑干涉(ESPI);区域;监控;6S

      Aviation composite materials inspection repair and on-site management research

      Chenzhiduo

      (China Southern Airlines General Aviation Ltd. Maintenance Department,zhuhai 519000)

      Abstract: Composite materials are made of two or more materials such as metal materials, ceramic materials or polymer materials by composite process.Various materials complement each other in performance, so that the composite material's comprehensive performance is better than that of the original composition of the material and meets a variety of different requirements. Composite substrate materials are divided into metal and non-metallic categories. Metal substrates are commonly used in aluminum, magnesium, copper, titanium and its alloys.Non-metallic substrates are mainly synthetic resins, graphite, rubber, ceramics, carbon and so on. Reinforced materials mainly are fiberglass, carbon fiber, boron fiber, Ardex fiber, asbestos fiber, silicon carbide fiber, wire and hard fine grains etc.It can play the advantages of various materials, overcome the defects of a single material and expand the scope of application.

      First of all,it outlines the types of  aviation composites materials , their basic principles and characteristics, and describe the specific application.

      Secondly, it describes the common damage forms, analysis of aircraft composite materials, and the corresponding maintenance methods.

      Also,it describes the types and basic principle of nondestructive testing in detail, and apply it to the conventional method of aviation composite damage detection.

      Finally, it briefly discusses the reliability of aviation composite materials detection,repair,and the importance of maintenance site management to the efficiency and safety of aviation enterprises.

      Key words: composite material; detection; repair; thermal imaging; electron-speckle interference (ESPI); area; monitoring; 6S

      1航空复合材料的种类和特性分析

      1.航空复合材料的种类与特性分析

      以树脂(塑料)作基体的复合材料称为树脂基复合材料。常用的树脂体系有酚醛、环氧、聚酯等类型。其增强纤维有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维以及芳纶等。根据所用增强物不同,亦称为玻璃纤维复合材料(或称玻璃纤维增强塑料),碳纤维复合料,芳纶复合材料,混杂纤维复合材料等。树脂基复合材料是现代发展迅速的新型工程材料。该材料是目前最有广泛应用前途的复合材料。尤其是碳纤维、芳纶复合材料被用于飞机、航天器、火箭、导弹、汽车及其他运输工具,体育运动器械、化工等领域。今后,在各工业领域它也将有广泛发展和扩大应用的前途。

      1.1.玻璃纤维

      玻璃纤维亦称玻璃钢。系以玻璃纤维及织物增强树脂制得的复合材料。纤维分连续纤维和短切纤维;织物有平纹、斜纹、缎纹、无捻布等。树脂基体品种很多,常用有不饱和聚酯、环氧、酚醛等热固性树脂和尼龙、聚砜、聚苯醚等热塑性树脂。

      特种玻璃是具有某些特殊物理、化学性能的纤维,无碱、中碱、耐碱及高强纤维作增强体使用最多;高碱玻纤耐化学性能好,主要用于制作耐腐蚀制件;无碱玻纤电绝缘性优良,介电损耗极小、耐热性能好,广泛用作电绝缘材料;高强度玻纤有美国的S纤维、法国的R纤维、日本的T纤维、中国的S2纤维,被用作高性能复合材料增强体,可制造火箭发动机壳体、飞机螺旋桨叶及雷达罩等部件。

      1.2.碳纤维增强树脂基复合材料

      以碳纤维及其织物为增强体、树脂为基体制成的复合材料。碳纤维品种很多,按原料分有聚丙烯腈、沥青、酚醛、人造丝基碳纤维等;按力学性能分为通用型和高性能型,细分有高强、超高强、中模、高模、超高模型等类。树脂包括热固性和热塑性的多种类型树脂。复合材料制造方法通常先将纤维(织物)浸渍树脂制成预浸料,将预浸料剪裁铺叠制成制件坯料,然后再用各种工艺方法经加温、加压固化成型。

      碳纤维复合材料属予高性能先进材料,具有高比强度和比模量,优良的耐疲劳性能,高阻尼、减震特性,良好的耐腐蚀、抗磨损性,能进行整体成形,有效减少零部件和机械连接的紧固件,选用该类材料是各类机械设计和制造中减轻结构重量的重要途径。如飞机的机身、机翼、垂尾等结构件用碳纤维复合材料代替铝合金,可使结构重量减轻30%左右。

      2.航空复合材料在直升机的应用

      由于直升机对发动机功率的严格,需要大功率和小重量和体积,所以复合材料是最早用在直升机上面的。50年代已经用bell系列的直升机上,现代的直升机复合材料的使用率高达70%,可见其的重要性。下面就是西科斯基70年代末的典型直升机的复合材料分布图2-1。

    南航通航供图1

      2.1.常见损伤形式与分析

      航空复合材料结构的损伤形式多种多样,如结构件的分层、脱胶、起皱、表面划伤、凹陷、冲击损伤和裂纹等。根据损伤对飞机机体结构的影响程度可以将损伤分为两类:

      第一类是允许型损伤,如图2-2,即这类损伤不发生在结构的关键部位,且程度较轻,不会影响结构的完整性以及显著降低构件的性能,如构件表面的划伤以及轻微的冲击损伤等,但也应观察损伤是否会影响气动外观并有进一步扩展的可能,进而致使结构刚度、强度的下降,如是这样,也应及时修理。

    南航通航供图2

      第二类是应当立即处理型损伤,如图2-3,这类损伤会影响到结构的完整性并引起性能下降,致使结构的强度与刚度低于设计的最低允许水平。处理方式可根据损伤的严重程度以及修复的经济性进行判断,对于一般的损伤可进行修理,如蒙皮的损伤。如果损伤非常严重,即使修复后的构件也难以满足刚度、强度以及性能要求,或是从经济性角度考虑是不合理的,一般进行换件处理。

    南航通航供图3

      复合材料的损伤大部分是由于制造的缺陷或使用维护不当而引起的。设计与制造中的缺陷是造成复合材料结构件“先天缺陷”的主要原因。

      2.2.修理方法

      对航空复合材料的维修级别通常可根据实施维修的级别进行相应划分。如在基层级维修单位完成的复合材料维修工作可看作基层级修理,同理在工厂完成的维修工作可视为工厂级修理。基层级的修理通常是由外场维护人员对损伤构件进行的快速修理,而工厂级的修理是将损伤构件送达修理厂或是承制厂,由熟练的工人在完善的设备条件下进行的修理。

      从工艺角度讲,对复合材料实施修理的方法主要有胶接和铆(螺)接两种。选用何种修理工艺主要是根据构件的类型、对构件强度、刚度的要求以及实施修理的环境进行选择。

      2.2.1.胶接修理方法

      胶接修理方法的使用范围很广,从简单的表面划痕、凹坑处理到主承力结构件的修理都可使用。这种方法的优点是引起的应力集中小,且对结构增重小。根据是否使用补片,又可将其分为无补片修理方式与补片式修理方式,其通用修理步骤通常为以下4步法:

      (1)确定修理范围,用防磨胶带粘接比损伤区≥1英寸的范围区,先用120~180#气动砂纸盘粗打磨范围区直至显现复合材料基材,然后用220~320#气动砂纸盘精打磨范围区,去陳并用无尘棉纺布沾丙酮清洁打磨区域。

      (2)按修理区的面积对损伤进行补对应的环氧树脂胶,或剪切以1英寸为递增的修理基材,一般不少于3层的覆盖补片,用浸渍环氧树脂或预浸基材法对损伤区域进行受力方向交叠铺设修补。注意在25℃常温下树脂的凝固时间为40分钟,需在此时间内完成铺设,如图2-4。

    南航通航供图4

      (3)在大于修理去3英寸的范围内进行真空袋法平整环氧树脂胶体,用电热毯或烘箱进行温度曲线120℃加热固化,如图2-5,特殊要求的需要加压罐体。

    南航通航供图5

      (4)清除外物,检查修补区完好,用240~320号砂纸打磨平整多余树脂胶体,按要求喷涂100μmm厚的环氧底漆后再加一层聚氨酯面漆,如图2-6。

    南航通航供图6

      3.无损检测的种类、基本原理和航空复合材料的损伤检测方法

      准确地检测出复合材料的缺陷和损伤的存在部位并准确评估损伤程度,是对其进行合理修复的关键。

      3.1.无损检测的种类、基本原理

      无损探伤检测是利用物质的声、光、磁和电等特性,在不损害或不影响被检测对象使用性能的前提下,检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性,给出缺陷大小,位置,性质和数量等信息。有代表性的无损检测技术有射线检测(RT)、超声检测(UT)、磁粉检测(MT)、渗透检测(PT)和电磁检测(ET)等。这些方法各有所长,也各有其局限性。尽管目前存在着以上已基本趋于成熟的五大标准检测技术,但热成像无损检测技术仍以其独特的优点得到了人们的广泛重视。

      由于复合材料是基本上不导电、不导磁的,所以针对上述6大无损检测技术,能用在进行复合材料检测的只有射线检测(RT)、声发射检测(UT)和热成像检测。下面着重介绍这3种目前常用的检测方法。

      3.2.声波发射技术(AEUT)

      声波发射是机械波在材料中能以一定的速度和方向传播,遇到声阻抗不同的异质界面(如缺陷或被测物件的底面等)就会产生反射。这种反射现象可被用来进行超声波探伤,最常用的是脉冲回波探伤法探伤时,脉冲振荡器发出的电压加在探头上(用压电陶瓷或石英晶片制成的探测元件),探头发出的超声波脉冲通过声耦合介质(如机油或水等)进入材料并在其中传播,遇到缺陷后,部分反射能量沿原途径返回探头,探头又将其转变为电脉冲,经仪器放大而显示在示波管的荧光屏上。根据缺陷反射波在荧光屏上的位置和幅度(与参考试块中人工缺陷的反射波幅度作比较),即可测定缺陷的位置和大致尺寸。

      3.3.射线技术(RT)

      射线的种类很多,其中易于穿透物质的有X射线、γ射线、中子射线三种。这三种射线都被用于无损检测,是指用X射线或γ射线穿透试件,以胶片或电子显示屏作为记录信息的器材的无损检测方法,该方法是最基本的,应用最广泛的一种非破坏性检验方法。

      原理:射线能穿透肉眼无法穿透的物质使胶片感光,当X射线或r射线照射胶片时,与普通光线一样,能使胶片乳剂层中的卤化银产生潜影,由于不同密度的物质对射线的吸收系数不同,照射到胶片各处的射线强度也就会产生差异,便可根据暗室处理后的底片各处黑度差来判别缺陷。射线检测的局限性还在于成本很高,且射线对人体有害。

      4.航空复合材料的损伤检测方法

      复合材料广泛用于飞机操纵面、雷达罩和结构承力件。航空复合材料通常为轻质高强的蜂窝夹层或粘结结构,可以显著提高飞机性能。在飞机服役过程中,复合材料构件受静载荷、冲击、疲劳、腐蚀和辐射等各种因素影响,容易产生损伤缺陷,如裂纹、脱粘、分层、碎芯和积水等,严重影响飞机的性能和结构完整性。所以,必须对飞机复合材料进行无损检测(NDT)这项工作非常重要,也是近年来无损检测领域的研究热点之一。航空复合材料结构复杂,呈现各向异性,给无损检测带来很大困难.

      (1)维修实际中常用的检测方法有目视检测法以及仪器检测法,目视检测法是通过观察或借助于敲击来判断损伤的部位、发生面积以及损伤程度,如通过目视检测法来检测直升机复合材料桨叶表面的裂纹与脱胶、分层等损伤,如图4-1敲击法检测。

    南航通航供图7

      (2)仪器检测法是指借助于先进的无损检测仪器进行损伤的检测,常用的方法有超声波检测、热成像检测、X光检测与散斑干涉技术检测等,仪器检测法可以较准确地判断构件内部是否存在分层、裂纹和断裂等损伤。根据检测结果即可对损伤进行评估,确定对损伤的处理方法。进行损伤评估的主要依据是检测到的损伤严重程度以及发生位置。

      5.维修现场6S管理

      6S管理是5S的升级,6S即整理(SEIRI)、整顿(SEITON)、清扫(SEISO)、清洁(SEIKETSU)、素养(SHITSUKE)、安全(SECURITY)如图5-1,6S是在兴起于日本企业5S管理的基材上发展起来的。它对以航空安全为首位的航空业尤为重要

    南航通航供图8

      5.1.6S管理中6要素的定义

      (1)整理是将现场放置物品的空间分为有用物品空间和无用物品空间,将无用的物品清理出去,从而节约空间,达到活用空间的目的。

      (2)整顿是对未整理的物品即有用的物品按照规定的位置摆放,并将其分类,做出标识,这样以来能够大大减少寻找物品的时间。

      (3)清洁主要是对工作场所中的设备仪器工作服上的污迹灰尘进行清除,并检查相关设备重要管道和阀门是否有漏油漏水或漏气的情况,从而保证工作区域的整洁干净。

      (4)规范则是建立健全各种管理体制,层层落实责任,明确考核标准,严格执行考核制和奖惩制,有利于明确责任,规范员工行为。

      (5)素养则要求每个工作人员都要具备良好的工作素质和业务能力,能够严格按照规章制度办事,工作积极,主动上进。

      (6)安全管理重视员工的安全教育,使员工树立安全意识,保证工作的安全进行。

      5.2.6S管理的作用

      5.2.1.提高生产效率

      在航空公司的实际工作中,往往需要利用大量的工具设备仪器等进行工作,甚至还会用到以往的生产资料和相关信息,6S管理要求将不必要的物品清除出去,对有用物品进行分离和标记,这样就使工作场所更加宽敞整洁,寻找物品和资料的时间就会大大减少,有效提高了生产效率。

      5.2.2.提高管理效率

      在日常工作中,需要收集整理大量的信息资料和技术文件,通过6S管理,将管理部门收集的资料和文件进行分岁愁并存档,降低了管理部门工作人员的工作量,提高了管理效率。

      5.3.3.提高员工的整体素养

      6S管理要求员工有良好的素质和工作能力,从行动上落实自己素养的提升,员工对工作的认识不断在此过程中得到改变,认识到不仅要提高工作热情和积极性,还要不断创新和学习,提高自己的工作质量,加上通过6S管理,这对于提高员工的整体素养具有重要作用如图5-2复合材料6S分区图。

    南航通航供图9

      4.确保生产安全

      对于特殊作业环境来说,必须将安全作为管理工作中的核心,6S管理使用维修现场的分区规划,划分了已用、在用和待用,定期对设备、仪器等进行清理和检查,并制定科学的措施对工作现场实行有效的监督,贯彻落实了安全生产制度,大大降低了安全事故的发生率,为公司的安全生产提供了重要保障。

      由此可见将6S管理应用于航空公司复合材料的修理和无损检测中具有重要作用。

      结论

      综上所述,复合材料在航空工业中应用越来越广泛,但是其结构复杂性给无损检测、维修带来很大困难。这应当能够促进我国在该领域的基础和应用研究,复合材料的修理技术的成本、效率、质量、安全性和通用性之间往往存在矛盾。从手工操作到自动化,既要考虑用户的成本可接收性,又要考虑检测仪器的轻便可使用性。

      总之,低成本高效率和高可靠性是航空复合材料维修、无损检测技术发展的基本要求。长远来看,航空复合材料无损检测技术将从地面离位或原位检测向机载实时健康监控方向发展,结合现代精细的6S管理,预测潜在缺陷和诊断早期故障,采取有效措施保证结构完整性和飞行安全。

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