CN110877464A - 飞行器复合材料快速修理的标准硬补片法 - Google Patents

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刘斌
曹双辉
高弄玥
汤博森
高一迪
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    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C73/00—Repairing of articles made from plastics or substances in a plastic state, e.g. of articles shaped or produced by using techniques covered by this subclass or subclass B29D
    • B29C73/04—Repairing of articles made from plastics or substances in a plastic state, e.g. of articles shaped or produced by using techniques covered by this subclass or subclass B29D using preformed elements
    • B29C73/10—Repairing of articles made from plastics or substances in a plastic state, e.g. of articles shaped or produced by using techniques covered by this subclass or subclass B29D using preformed elements using patches sealing on the surface of the article

Abstract

本发明公开了一种用于飞机复合材料快速修理的标准硬补片法，包括：传统修理存在的技术问题，快速修理操作步骤，实物修理效果示例。根据权利要求书1所述的用于飞机复合材料快速修理的标准硬补片法，其特征在于：具体步骤为1)根据材料要求，选取与原母材相同或相当材料进行逐层按方向铺贴，2)将铺贴完成的材料放入热压罐进行成型，并进行超声波无损检测，3)将成型好的补片毛坯进行精确数控加工，并同时将补片外形形成3D型供标准磨头制造使用，加工成为需求补片，4)将标准补片编号，5)利用打磨磨头对将损伤结构打磨后，在标准补片上与原结构连接面使用粘合剂将标准补片与受损部位进行精准粘接，就地进行固化，一次成型。

Description

飞行器复合材料快速修理的标准硬补片法
技术领域
本发明属于连续纤维增强复合材料结构修补工艺制备领域，特别涉及一种有利于压缩修理周期的快速的标准硬补片修补方法。
背景技术
目前连续纤维复合材料在航空、航天领域使用较为广泛，具有比刚度和比强度较高、抗疲劳、耐腐蚀的优点，如在波音787结构用量达到50％以上。连续纤维复合材料作为飞机表面结构的材料，在受到冲击等服役载荷时容易产生不可见和可见损伤，大大降低了所用结构的承载能力，需及时修复。特别是针对民机对压缩停场时间的迫切需求，以及军用飞机战时对作战效率的强烈要求，对复合材料结构修理的快速化提出新的挑战。
传统的修复方法是对损伤区域进行打磨后，将预浸料或修复材料逐层地铺贴，然后就地固化成型。这种方法有两个缺点：第一，对外场设备、人员、环境要求高，成本较大，尤其是军用飞机战时的服役环境下尤为不利开展；第二，一旦铺贴好的材料经过真空袋、微波、电烤灯等设备加热固化，补片的工艺质量不可控，若出现初始制备损伤，不易检测更不易去除重新修补，即使重新修补，势必带来更长的停场时间。
[1]徐绯，刘斌，等.综述：复合材料修理技术研究进展[J].玻璃钢/复合材料，2014(8):105-112.
[2]刘斌，等.飞机复合材料斜胶接修补结构的冲击损伤[J].复合材料学报,2018,35(10):2698-2705.
发明内容
要解决的技术问题：
传统的飞行器复合材料结构损伤修补工艺是在维修现场铺贴预浸料，然后通过真空袋、热补仪等加压、加热设备进行固化，称之为“软补法”，其缺点是现场需要的设备、预浸料存储条件都较为苛刻，软补片的质量难以在0.1MPa不到的压力条件下具有较低的孔隙率和较好的固化强度，而且一旦固化成型补片难以拆卸。为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种飞行器复合材料快速修理的标准硬补片法，采用事先根据飞行器型号、部件特性、方案需求进行设计，在工厂(非维修现场)的热压罐等相对于热补仪更好的设备(0.4MPa压力及以上，温度可精确控制，固化尺寸可更大)加工出各种尺寸、厚度、铺层、材料的补片(如贴补补片、挖补楔形补片、挖补阶梯补片等)，然后将补片在修理厂进行标准补片分类存放形成标准补片库。一旦发生损伤事件，根据事先制定的标准补片维修方案，选取标准补片中特定的规格，直接将该标准补片采用胶粘剂与处理好的原结构进行就地固化。若需要挖补，则根据预先制定的标准打磨标准打磨工具(图1、图2)一次性进行复合材料损伤部位的空腔打磨成形，而软补法由于不能事先预知挖补空腔的精确外形尺寸，因此只能现场打磨，打磨时间久、打磨精度不够，因此硬补法不但补片可以标准化，挖补的打磨磨头也可以标准化。另外，标准硬补法避免了预浸料等对冷库的需求，节省用电，而且这些补片在出厂时已经过严格的无损检测，可保证补片内无初始损伤，避免了传统软补法的加工质量问题。
本发明的技术方案是：一种飞行器复合材料快速修理的标准硬补片法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：根据标准硬补片的材料要求，选取与原母材相同或相当(可替换)的材料，进行逐层按方向铺贴；
步骤二：将铺贴完成的材料放入热压罐进行成型(固化温度70-130℃，固化时间1小时-48小时，固化压力0.1MPa-0.4MPa)，成型之后进行超声波无损检测(C扫描、B扫描等)或工业CT，确保材料无初始损伤；
步骤三：将成型好的硬补片毛坯进行精确数控加工，并同时将数控加工的标准硬补片外形形成3D数据模型供后续标准模具磨头工具制造使用，加工成为具有矩形、圆形、椭圆形等平面形状的标准硬补片或者适用于挖补的楔形和阶梯形标准硬补片；
步骤四：将标准硬补片根据飞行器型号、部件、结构元件等进行编号，用于快速修理使用；
步骤五：利用普通打磨磨头(适用于贴补)或者本发明提出的标准打磨磨头(适用于楔形挖补和阶梯形挖补)对将损伤结构打磨后，在标准硬补片上与原结构连接面贴胶膜或液态树脂胶等粘合剂，将标准硬补片与受损部位进行精准粘接，随后就地(现场)进行热补仪、电烤灯等固化，一次成型快速、精准、修补质量高。
本发明的进一步技术方案是：所述连续纤维复合材料为碳纤维环氧树脂基复合材料。
本发明的进一步技术方案是：所述标准硬补片为工厂热压罐及数控精准加工的严格制造的标准硬补片。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明利用工厂内可控的严格工艺，可进行批量不同规格的标准硬补片制备、加工与无损检测等，无需外场或修理厂就地加工补片，节省了修补时间，达到快速修理的目标，而且补片内部质量高、无缺陷，有利于飞行器的持续适航。
本发明使用胶膜或液态胶将标准补片与母材进行粘接后固化，只有胶接面是修理现场需要控制的固化单元，修理后可现场无损检测，如该胶接面有缺陷可以较为容易地及时将补片拆卸更换并重新粘接固化。避免了预浸料等对冷库的需求，节省用电，而且这些补片在出厂时已经过严格的无损检测，可保证补片内无初始损伤，避免了传统软补法的加工质量问题。同时，压缩了打磨时间，尤其是挖补方案，可利用本发明的一次性成形标准打磨工具进行精准空腔成形。
具体效果通过附图及以下实例对比详细说明。
附图说明
图1为标准硬补法中楔形挖补标准打磨磨头工具。
图2为标准硬补法中阶梯挖补标准打磨磨头工具。
图3为快速修理过程热补仪温度随时间变化图；
图4为实例1编织复合材料圆形标准补片修补示意图；
图5为实例1编织复合材料方形标准补片修补示意图；
图6为实例1编织复合材料椭圆形标准补片修补示意图。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的是实物制作。
实施例1：
采用2D编织T700(日本东丽公司生产)环氧树脂复合材料，进行标准硬补片制备、加工、修补，具体包括以下步骤：(1)根据标准补片的材料要求，选取与原母材相同或相当(可替换)的材料，进行逐层按方向铺贴，采用2D编织T700(日本东丽公司生产)环氧树脂复合材料，厚度3mm；(2)将铺贴完成的材料放入热压罐或其他设备进行成型，成型压力0.4MPa，固化温度120摄氏度，固化时间1天，成型之后采用超声波b扫描进行无损检测，确保材料无初始损伤；(3)将成型好的补片毛坯进行加工，加工成为具有矩形、圆形、椭圆形三种平面形状的标准补片；(4)将损伤结构打磨后，并用丙酮表面处理，在标准补片上贴环氧树脂胶膜粘合剂，将标准补片与受损部位进行精准粘接，随后就地进行热补仪固化，热补仪使用美国Briskheat品牌通过适航认证的热补仪进行抽真空、加热固化，压力0.1MPa，温度125摄氏度，固化时间2小时，一次成型快速、精准、修补质量高。

Claims (3)

1.一种飞行器复合材料快速修理的标准硬补片法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：根据标准硬补片的材料要求，选取与原母材相同或相当(可替换)的材料，进行逐层按方向铺贴；
步骤二：将铺贴完成的材料放入热压罐进行成型(固化温度70-130℃，固化时间1小时-48小时，固化压力0.1MPa-0.4MPa)，成型之后进行超声波无损检测(C扫描、B扫描等)或工业CT，确保材料无初始损伤；
步骤三：将成型好的硬补片毛坯进行精确数控加工，并同时将数控加工的标准硬补片外形形成3D数据模型供后续标准模具磨头工具制造使用，加工成为具有矩形、圆形、椭圆形等平面形状的标准硬补片或者适用于挖补的楔形和阶梯形标准硬补片；
步骤四：将标准硬补片根据飞行器型号、部件、结构元件等进行编号，用于快速修理使用；
步骤五：利用普通打磨磨头(适用于贴补)或者本发明提出的标准打磨磨头(适用于楔形挖补和阶梯形挖补)对将损伤结构打磨后，在标准硬补片上与原结构连接面贴胶膜或液态树脂胶等粘合剂，将标准硬补片与受损部位进行精准粘接，随后就地(现场)进行热补仪、电烤灯等固化，一次成型快速、精准、修补质量高。
2.如权利要求1所述的一种飞行器复合材料快速修理的标准硬补片法，其特征在于：所述连续纤维复合材料为碳纤维环氧树脂基复合材料。
3.如权利要求1所述的一种飞行器复合材料快速修理的标准硬补片法，其特征在于：所述标准硬补片为工厂热压罐及数控精准加工的严格制造的标准硬补片。
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