復合材料在航空航天領域的應用已經(jīng)達到一個新的高度，復合材料維修技術也在不斷地發(fā)展和進步。2019年9月3-4日，HEATCON公司和SAMPE聯(lián)合舉辦了復合材料維修技術培訓，HEATCON公司重點講解了新型復合材料結構修理的新技術、操作過程、設備原理并進行現(xiàn)場演示操作，培訓內(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。

復合材料在航空領域的應用始于上世紀60年代，最早開始研發(fā)和使用復合材料的飛機部件有整流罩、擾流板、飛行控制部件等。由于復合材料結構的主要優(yōu)勢是強度高、重量輕、耐腐蝕、抗疲勞性能好等，所以復合材料的應用量在航空航天領域持續(xù)增長，復合材料在航空航天結構應用領域變得越來越重要。當前新一代的大型客機已被設計和制造成全復合材料機身、全復合材料機翼的結構；由此復合材料在整體飛機結構的比重大幅上升，如波音777飛機的復合材料重量占比為11%，而在波音787飛機的復合材料重量占比達到了50%。

隨著這些復合材料應用占比較大的飛機的投入運營，全球眾多MRO、航空公司為應對新型復合材料結構的修理進行了人員培訓、設備設施配備等準備工作。為了滿足這些先進復合材料結構的修理技術要求，行業(yè)從業(yè)人員需要對復合材料結構、材料及工具設備進行深入的了解和認識。

復合材料結構部件在制造時使用的主要設備為熱壓罐和烘箱，而飛機的機 身、機翼等主承力結構部件均是在熱壓罐內(nèi)制造的，這是因為熱壓罐在滿足復合材料溫度固化工藝的同時還可以提供高正壓的環(huán)境。全復合材料機身、機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浸料等材料按設計的方向和層數(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。在復合材料應用領域，孔隙是指部件內(nèi)部沒有被樹脂或纖維充實的空間。復合材料部件中的孔隙是由多方面的因素導致的，而且讓復合材料部件的孔隙率達到0的水平也是非常困難的。

為保證復合材料部件的性能，將孔隙率控制在盡可能低的水平是極其必要 的，這是因為復合材部件的力學性能如剪切強度、彈性模量等和孔隙率水平有著直接的相關關系。據(jù)試驗和研究驗證發(fā)現(xiàn)，孔隙率每增加1%復合材料結構的層間剪切強度會降低7%或更高。如圖1所示，層間剪切強度和孔隙率的對應關系。通常對復合材料部件來說，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，復合材料機翼、機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，對材料施加高達幾個大氣壓的壓力。當這些復合材料部件完成制造并組裝成飛機，而在飛機裝配過程中出現(xiàn)意外損傷；或者飛機交付給客戶，在飛機運營過程中出現(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、航空公司修理和運營的主流機型是復合材料占比相對較低的經(jīng)典機型，如波音737系列、波音777系列、空客320系列、空客330 系列。當前主要的修理方式方法包括：針對6層或6層以下的損傷或結構，采用抽真空施加負壓的方式加壓，運用熱補儀、電熱毯或其他加熱設備控制溫度工藝的方式來完成局部損傷的修理；而針對6層以上的損傷或結構以及其他手冊特殊要求的結構，是將部件拆解下來，采用進熱壓罐的方式來完成修理，如反推的修理。對于復合材料部件的二次或多次進罐修理也存在一定的風險，因為進罐時部件將要經(jīng)受整體二次加熱，會導致一些區(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。關于HCS3100系列修理罐，在本次復合材料維修技術培訓上也進行了案例講解。

當類似787這樣的新一代飛機的整體復合材料機身、機翼結構出現(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，全復合材料機身、機翼結構均為數(shù)十層的層板結構，因此抽真空施加一個負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罐修理也已經(jīng)不太現(xiàn)實，如波音787是整體分段的機身結構、整體復合材料機翼。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，結合當前新型的復合材料修理技術和方法的發(fā)展及應用，在復合材料維修技術培訓上，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合材料內(nèi)滯留的空氣以及揮發(fā)物等降低復合材料孔隙率的技術。當復合材料機翼、機身層板結構出現(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備工作后，接下來要進行的就是采用雙真空處理工藝制作復合材料預固化修理補片。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)行設置好的預固化溫度工藝過程，對鋪層進行加熱和保溫處理過程，隨著溫度的升高，預浸料內(nèi)的樹脂黏度開始降低，流動性增強，這個過程中可以進一步排出鋪層內(nèi)的氣泡以及產(chǎn)生的揮發(fā)物。一旦預設的雙真空加壓時間完成，即可通過旋轉DVD設備上的調(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，將預浸料鋪層進行壓實，直至預設的整個工藝時間完成。至此，復合材料修理預固化補片的制作完成，通過旋轉DVD設備上的調(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固化修理補片并沒有完全固化。

通過雙真空處理工藝（DVD）制作完成預固化補片后，接下來就是將補片安裝在被修理位置，并將固化工藝按照預固化補片材料的最終固化工藝參數(shù)要求進行設置，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，在準備好的修理粘接面上敷設一層符合要求的膠膜，然后將預固化補片精準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)不同的結構和位置，還會涉及到熱分布檢查等各項細化工作。

本次的復合材料維修技術培訓進行了實際的補片粘接修理展示。所使用的修理樣板采用碳纖維預浸BMS8 276 Type 40, Class2, Style 6K 70 PW 制作，為10層材料鋪層的結構，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，處理完成的結構如圖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行制作預固化補片（受培訓場地條件的限制并沒有進行現(xiàn)場的實際操作），補片效果如圖5所示。在補片鋪層時，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；然后將預固化修理補片按照正確的方向和位置放置到修理粘接位置。

圖6

在完成補片的放置后，在修理區(qū)域周圍放置多個測溫熱電偶，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，便可以讓熱補儀執(zhí)行已經(jīng)設置好的固化工藝程序，進行補片的固化，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

隨著復合材料在各個應用領域的進一步發(fā)展，新型復合材料部件的結構也更為復雜，不僅對修理工藝和處理方法提出了新的要求，也對復合材料修理使用各種設備和附件提供出了更高的標準要求。

采用雙真空處理工藝制作預固化補片的工藝方法可以有效地解決全復合材 料機身、全復合材料機翼等新型復合材料層板結構的原位修理問題。該工藝處理方法對傳統(tǒng)復合材料修理方式方法及復合材料在其他領域的研究和應用具有很重要的借鑒意義。