復合材料航空應用及其修復第1頁/共54頁一.航空復合材料概述復合材料是由兩種或兩種以上的不同材料、不同形狀、不同性質的物質復合形成的新型材料。一般由基體材料和功能組元所組成。復合材料可經設計，即通過對原材料的選擇、各組分布設計和工藝條件的保證等，使原組分材料優點互補，因而呈現了出色的綜合性能第2頁/共54頁復合材料的歷史早期飛機為復合材料，由木質框架，金屬絲支架和織物組成。焊接鋼質框架從20世紀20年代早期開始代替木質框架。輕質鋁殼結構則從20世紀30年代開始采用。到20世紀50年代完全轉變成“全金屬”飛機的過程完成。

第3頁/共54頁復合材料的今天隨著玻璃纖維、凱夫拉爾、碳纖維等復合材料的發展，并且早期復合材料結構的使用預示著復合材料運用的輝煌。

在飛機上翼尖小翼、雷達罩和尾錐上少量玻璃纖維增強塑料的使用標志著飛機設計上復合材料的重新應用。從那時起復合材料在這些部件上的成功應用導致在每一種新機型上復合材料應用的增加。波音747使用了超過10,000平方英尺表面的復合材料結構。在過去幾年當中先進復合材料技術運用到諸如大翼面板、地板梁等主要結構上。顯而易見對基本復合材料結構和復合材料結構修理技術的理解對于航空公司人員來說是多么重要。第4頁/共54頁先進復合材料優異的力學性能和明顯的減重效果在航空器領域得到廣泛認可。隨著飛機性能的不斷提高，作為現代飛機結構材料的復合材料的應用已由小型、簡單的次承力構件發展到大型、復雜的主承力構件。在飛機機翼、機身、操縱面、起落架艙門、蒙皮、安定面、雷達罩等部件多處使用。第5頁/共54頁復合材料的優點：相對不易腐蝕不會產生金屬疲勞可設計載荷可減少連接部件（同步成型）減重，節油第6頁/共54頁復合材料的缺點：原料高成本（增強纖維，如CF）制造維修人力成本高，耗時力學性能受溫度濕度影響高檢測損傷難度大可導致鋁等電位低的金屬腐蝕第7頁/共54頁纖維織布材料第8頁/共54頁二.復合材料在飛行器上的應用

先進復合材料技術的實際應用在飛行器設計與制造中具有重要的地位。這是因為復合材料的許多優異性能，如比強度和比模量高，優良的抗疲勞性能，以及獨特的材料可設計性等，都是飛行器結構盼望的理想性能。高性能飛行器要求結構重量輕，從而可以減少燃料消耗，延長留空時間，飛得更高更快或具有更好的機動性；也可以安裝更多的設備，提高飛行器的綜合性能。第9頁/共54頁

減輕結構的重量可大大節約飛機的使用成本，取得明顯的經濟效益。據國外有關資料報告，先進戰斗機每減重1kg，就可節約1760美元。西方國家在很短的時間內就實現了從非受力件和次受力件到主受力件應用的過渡，無論是用量還是技術覆蓋面都有了很大的發展。目前正在研制的戰斗機中所使用的復合材料可占飛機結構總重量的50%以上。飛機隱身技術的發展與應用，進一步擴大了對復合材料技術的需求。在繼民用飛機中出現全復合材料飛機（如LearFan2100，Starship和Vayager）之后又出現了全復合材料機身的隱身轟炸機B2。此外，也只有采用了復合材料，才使前掠翼得以在X-29上實現。第10頁/共54頁全球鷹無人偵察機第11頁/共54頁B2隱形轟炸機第12頁/共54頁第13頁/共54頁第14頁/共54頁F-18戰斗機第15頁/共54頁第16頁/共54頁第17頁/共54頁第18頁/共54頁空客A320第19頁/共54頁TAG公司推出全復合材料機體無人直升機第20頁/共54頁目前，國內飛機型號應用復合材料的比例越來越高，應用復合材料的部件越來越大，復合材料構件的結構也越來越復雜，復合材料構件已經逐步從次承力構件到主承力構件轉變，復合材料的垂直安定面、水平尾翼、前機身、艙門、整流罩等構件已在多種型號飛機上使用并形成了批量生產能力。機翼、旋翼等主承力構件也已經在小批量生產。第21頁/共54頁

國內復合材料在飛機上應用最多的是新研制的中、高空長航時無人機，其機體復合材料的使用量達到70%，機翼翼展18米，為全復合材料結構；其中，機翼整體盒段運用設計工藝一體化技術，將機翼的前、后梁，上蒙皮和所有中間肋整體共固化成型，在復合材料應用技術上有所突破。在自行設計制造的直升機上，應用復合材料最多的是Z10專用武裝直升機，其主槳葉、尾槳葉和尾段為全復合材料結構。第22頁/共54頁長航時無人機Z10武裝直升機第23頁/共54頁第24頁/共54頁C/C復合材料在高超飛行器中應用炭/炭（C/C）復合材料是一種新型高性能結構、功能復合材料，具有高強度、高模量、高斷裂韌性、高導熱、隔熱優異和低密度等優異特性，在機械、電子、化工、冶金和核能等領域中得到廣泛應用，并且在航天、航空和國防領域中的關鍵部件上大量應用。我國對C/C復合材料的研究和開發主要集中在航天、航空等高技術領域，較少涉足民用高性能、低成本C/C復合材料的研究。第25頁/共54頁導彈、載人飛船、航天飛機等,在再入環境時飛行器頭部受到強激波，對頭部產生很大的壓力，其最苛刻部位溫度可達2760℃,所以必須選擇能夠承受再入環境苛刻條件的材料。設計合理的鼻錐外形和選材，能使實際流入飛行器的能量僅為整個熱量1%～10%左右。對導彈的端頭帽,也要求防熱材料在再入環境中燒蝕量低，且燒蝕均勻對稱,同時希望它具有吸波能力、抗核爆輻射性能和全天候使用的性能。三維編織的C/C復合材料，其石墨化后的熱導性足以滿足彈頭再入時由160℃至氣動加熱至1700℃時的熱沖擊要求，可以預防彈頭鼻錐的熱應力過大引起的整體破壞;其低密度可提高導彈彈頭射程，已在很多戰略導彈彈頭上得到應用。除了導彈的再入鼻錐，C/C復合材料還可作熱防護材料用于航天飛機。第26頁/共54頁第27頁/共54頁第28頁/共54頁渦輪發動機

C/C復合材料在渦輪機及燃氣系統(已成功地用于燃燒室、導管、閥門)中的靜止件和轉動件方面有著潛在的應用前景,例如用于葉片和活塞，可明顯減輕重量,提高燃燒室的溫度,大幅度提高熱效率。

美國F22、F100、F119軍機和俄羅斯航空發動機上已經采用炭/炭制作航空發動機燃燒室、導向器、內錐體、尾噴管魚鱗片和密封片及聲擋板等。

第29頁/共54頁F-22第30頁/共54頁第31頁/共54頁三.飛機復合材料的修理

鋪層修理第32頁/共54頁

真空包和熱補儀第33頁/共54頁

真空包和熱補儀第34頁/共54頁一個典型的維修案例第35頁/共54頁維修步驟找出損傷區域打磨、割除損傷抽真空干燥待修部件清潔維修區域填補損傷蜂窩用膠膜、發泡膠修理蜂窩制作鋪層進行鋪層真空包熱補儀固化維修維修質量檢測并恢復漆層第36頁/共54頁找出損傷區域第37頁/共54頁確定損傷區域（NDT）無損檢測設備確認損傷（BMS8-276)第38頁/共54頁找出損傷區域第39頁/共54頁打磨、割除損傷第40頁/共54頁抽真空干燥待修部件第41頁/共54頁清潔維修區域第42頁/共54頁填補損傷蜂窩第43頁/共54頁用膠膜、發泡膠修理蜂窩第44頁/共54頁制作鋪層第45頁/共54頁第46頁/共54頁真空包熱補儀固化維修第47頁/共54頁第48頁/共54頁維修合格檢驗