紀(jì)朝輝，劉闊，李娜，于鴿

（中國(guó)民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300300）

挖補(bǔ)修理對(duì)復(fù)合材料層合板拉伸性能的影響

紀(jì)朝輝，劉闊，李娜，于鴿

（中國(guó)民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300300）

挖補(bǔ)修理是一種先進(jìn)的復(fù)合材料層合板損傷修理技術(shù)，分為斜接法和階梯法兩種類型。本文研究不同修補(bǔ)結(jié)構(gòu)對(duì)斜接法挖補(bǔ)修理試驗(yàn)件力學(xué)性能的影響。對(duì)斜接法楔形砂磨斜坡比率為1：10、1：20、1：30和1：40的復(fù)合材料層合板修理試驗(yàn)件的拉伸性能進(jìn)行了研究，同時(shí)總結(jié)了斜接法修理后試件的斷裂位置特征。結(jié)果表明：斜接法斜坡比率為1：30的挖補(bǔ)修理試件的抗拉強(qiáng)度最好，外加補(bǔ)片會(huì)提高試件的抗拉強(qiáng)度，外加補(bǔ)片層數(shù)2層為宜。斷裂類型主要有脫膠斷裂和補(bǔ)片斷裂。

復(fù)合材料；損傷修理；挖補(bǔ)法；斜坡比率

復(fù)合材料較金屬材料相比，具有比強(qiáng)度、比模量高，耐疲勞、抗腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，在軍事、航空航天、信息技術(shù)、能源工程、海洋工程及民用建筑交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域大量使用，為中國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)起到了不可替代的作用[4-7]。

目前，復(fù)合材料已大量運(yùn)用在民用航空領(lǐng)域，復(fù)合材料構(gòu)件所占重量的百分比已經(jīng)成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先進(jìn)性水平的重要指標(biāo)之一。由于上述的廣泛應(yīng)用，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問(wèn)題成為主要研究方向之一，并且復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷也受到廣泛關(guān)注。

飛機(jī)在服役期間易受到冰雹、鳥(niǎo)撞、跑道沙石等物體的沖擊，飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在裝配過(guò)程中，由于非設(shè)計(jì)載荷、異物撞擊、施工環(huán)境等，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件也很容易出現(xiàn)脫膠、腐蝕、進(jìn)水（蜂窩板構(gòu)件）、撞擊、撕裂等內(nèi)部缺陷和損傷，由于層壓板結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料耐沖擊性能低，復(fù)合材料具有顯著各向異性的特性，在損傷、失效等方面表現(xiàn)為機(jī)理復(fù)雜、現(xiàn)象多樣、判別困難，特別是低速?zèng)_擊下，較難目測(cè)復(fù)合材料的損傷情況，因此受損部位要經(jīng)常檢查并予以及時(shí)的修理。但是，如果復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件一旦出現(xiàn)損傷就立即更換這些損傷構(gòu)件，這將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此如何對(duì)這些缺陷和損傷進(jìn)行修理，以恢復(fù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度是迫切需要解決的問(wèn)題。復(fù)合材料損傷修理技術(shù)也隨之倍受關(guān)注[8]。

復(fù)合材料的損傷修理可以用多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，一般常用的是貼補(bǔ)法和挖補(bǔ)法，挖補(bǔ)法修理是一種永久性的修理方法，目前飛機(jī)維修中多采用這種方法，挖補(bǔ)方法的修理因打磨方式不同，又分為斜接挖補(bǔ)和階梯形挖補(bǔ)[9]。隨著復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件上使用比例的提高以及種類的多樣化，復(fù)合材料對(duì)其修理技術(shù)的要求也更加嚴(yán)格[10]。挖補(bǔ)修理是目前最有效的修理方法，也是一種長(zhǎng)久修理，因?yàn)檎辰友a(bǔ)片在承重補(bǔ)片上的重量施加最小并且重量均勻地分配在粘接補(bǔ)片上[11]。

本文采用斜接挖補(bǔ)法，對(duì)不同修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)件進(jìn)行修理實(shí)驗(yàn)和修理后的力學(xué)性能研究，旨在得到不同修補(bǔ)結(jié)構(gòu)對(duì)斜接修補(bǔ)件的拉伸性能影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

基體材料和修理材料均采用玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸布，修補(bǔ)界面粘接膠膜為中溫固化結(jié)構(gòu)膠粘劑，進(jìn)口。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 層合板固化成型

把玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸布裁剪成所需尺寸，按照[0]10方式進(jìn)行鋪層，抽真空后放入熱壓罐成型，溫度為121.11℃，壓力為3.07 MPa，時(shí)間為150 min，固化成型后機(jī)加工成待修補(bǔ)試件。

1.2.2 試件的修理

預(yù)置缺陷，按照1：10～1：40的比例進(jìn)行楔形打磨，將缺陷部位打磨掉，如圖1所示。用150號(hào)砂紙?jiān)谛扪a(bǔ)區(qū)域輕輕打磨出粗糙度。

圖1 楔形砂磨的形狀照片F(xiàn)ig.1Composite laminates after wedge-shaped sanding

對(duì)缺陷進(jìn)行修理，本文采用斜接挖補(bǔ)修理，將楔形斜面用丙酮去除表面油污，然后鋪上膠膜，將預(yù)浸布以階梯形逐層粘貼到打磨區(qū)域，修理層數(shù)和鋪層方向與原試件一致。

將修理好的試件用HCS9000B熱補(bǔ)儀進(jìn)行固化，固化時(shí)真空度不低于0.075 MPa，固化成型后試件如圖2所示。

圖2 修理后的實(shí)物照Fig.2Repaired composite laminates

1.2.3 拉伸試件的制備及拉伸試驗(yàn)

修理后，把層合板機(jī)加工成型為所需拉伸試驗(yàn)樣條，如圖3所示，以備使用。

圖3 拉伸試驗(yàn)件Fig.3Sketch map of scarf repaired sample

采用型號(hào)為CSS-3910的拉伸試驗(yàn)機(jī)，按照ASTM3039標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)復(fù)合材料層合板修理試件進(jìn)行了靜力拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為2 mm/min，最大載荷100 kN。

采用型號(hào)為MIC00657蔡司光學(xué)顯微鏡，對(duì)拉伸斷裂后試件的斷裂面進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 斜接比率對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

斜接法斜坡比率的不同使其楔形砂磨的長(zhǎng)度不同，從而導(dǎo)致修補(bǔ)材料層合板母板的粘接界面大小不同，最終會(huì)直接影響其修理后的力學(xué)性能，在此研究如圖3所示斜接比率在1：10～1：40范圍下的斜接挖補(bǔ)試件的抗拉強(qiáng)度。表1是不同斜接比率下的試件常溫靜力拉伸試驗(yàn)結(jié)果。

通過(guò)對(duì)斜坡比率的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，斜坡比率較小的試件其復(fù)合材料修理后力學(xué)性能較低，主要是因?yàn)檠a(bǔ)片與基體粘接較短。隨著打磨斜接比率的增加，補(bǔ)片與基體的粘接長(zhǎng)度增加，抗拉強(qiáng)度有所提高，如圖4所示抗拉強(qiáng)度隨著斜接比率的增加而增大，斜接比率1：30時(shí)抗拉強(qiáng)度最好，抗拉強(qiáng)度達(dá)到186.56 MPa。但斜接比率1：40時(shí)抗拉強(qiáng)度又有所降低，原因是打磨區(qū)域過(guò)長(zhǎng)，打磨所造成的試件基體損傷已經(jīng)是修理所不可彌補(bǔ)的，因此復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度下降。

表1 不同斜接比率下的試件常溫靜力拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.1Result of static tensile test of specimens with different slope ratio at room temperature

圖4 斜接比率與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系Fig.4Relationship between tensile strength and slope ratio

2.2 外加補(bǔ)片層數(shù)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

在修補(bǔ)區(qū)域外額外加貼補(bǔ)片會(huì)提高修補(bǔ)試驗(yàn)件的抗拉強(qiáng)度。從表2可以看出，復(fù)合材料損傷修理后試件的抗拉強(qiáng)度隨著外部補(bǔ)片層數(shù)的增加而增大。加1層補(bǔ)片的試件恢復(fù)率比不加補(bǔ)片的試件恢復(fù)率增加了11％，加2層補(bǔ)片的試件恢復(fù)率比加1層補(bǔ)片的試件恢復(fù)率增加了3.07％。這說(shuō)明外部補(bǔ)片層數(shù)的增加會(huì)明顯提高復(fù)合材料損傷修理后的抗拉強(qiáng)度，加2層外部補(bǔ)片的恢復(fù)強(qiáng)度效果并不明顯。加3層補(bǔ)片，其試件的抗拉強(qiáng)度略有下降。因此，對(duì)于3層或3層以上補(bǔ)片的研究并沒(méi)有實(shí)際意義。

表2 不同外加補(bǔ)片層數(shù)的試件常溫靜力拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.2Result of static tensile test of specimens with different external patch layers at normal temperature

2.3 斷裂位置及失效分析

復(fù)合材料在挖補(bǔ)修理后的拉伸試驗(yàn)中，試件的斷口形貌與貼補(bǔ)修理的試件類型一致，主要的斷裂類型是脫膠斷裂和基體開(kāi)裂，斷裂位置如圖5所示。圖5 （a）是補(bǔ)片與斜接基體脫膠，這也是本文拉伸試驗(yàn)中居多的斷裂位置，因?yàn)橹虚g補(bǔ)片處固化完好，強(qiáng)度與完整基體差距較小，所以，在界面處的位置變得比較薄弱，容易最先失效。圖5（b）中在外部的幾層補(bǔ)片也會(huì)斷裂。這是因?yàn)檎麄€(gè)補(bǔ)片是逐層遞增的，外部的幾層補(bǔ)片較薄，容易斷裂，在斷裂的直線位置上，下面是基體，基體的整體強(qiáng)度較好且與補(bǔ)片屬于粘接而成并不是一個(gè)整體，因此補(bǔ)片處的裂紋擴(kuò)展不到下面的基體上，而界面處的粘接強(qiáng)度低于基體，斷裂的走向沿界面展開(kāi)。圖5（c）的斷裂位置在基體處，也是發(fā)生次數(shù)較少的位置。在這種情況下，補(bǔ)片與基體的粘接強(qiáng)度較好，補(bǔ)片加強(qiáng)了打磨斜接處基體的強(qiáng)度，因而在拉伸過(guò)程中基體會(huì)在斜接開(kāi)始的位置產(chǎn)生裂紋，從而引發(fā)基體的撕裂。

圖5 挖補(bǔ)試件的典型斷裂位置Fig.5Typical fracture location of scarf specimen

表3中列出了各位置的斷裂類型及出現(xiàn)次數(shù)，恢復(fù)率是修理后試件的抗拉強(qiáng)度與完整補(bǔ)片的抗拉強(qiáng)度之比，當(dāng)補(bǔ)片和基體粘接不是很牢固時(shí)，斷裂類型以脫膠斷裂為主，當(dāng)補(bǔ)片與基體粘接較牢時(shí)，斷裂類型以基體撕裂為主。典型實(shí)例如圖6所示：圖6（a）為補(bǔ)片與斜接基體脫膠，斷裂面在接觸界面，試件分離成上下兩節(jié)；圖6（b）為脫膠與補(bǔ)片斷裂的混合斷裂，在界面處先發(fā)生脫膠，然后裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致補(bǔ)片斷裂；圖6（c）為基體斷裂，此種修補(bǔ)較好，直接在試件中間處斷裂。

表3 修理后試件的拉伸斷裂類型及出現(xiàn)次數(shù)Tab.3Tensile fracture types and occurrence numbers of repaired samples

圖6 補(bǔ)試件的典型斷裂位置Fig.6Typical fracture location of scarf specimen

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究了不同修補(bǔ)結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料層合板斜接法挖補(bǔ)修理試驗(yàn)件力學(xué)性能的影響，主要包括斜坡比率和外部增加補(bǔ)片層數(shù)2個(gè)影響因素，并觀察和分析了斷裂的類型和斷口形貌，得到以下結(jié)論：在研究1：10～1：40這4個(gè)斜接斜坡比率中發(fā)現(xiàn)，隨著打磨比率的增加，補(bǔ)片與試件基體的粘接長(zhǎng)度較長(zhǎng)，抗拉強(qiáng)度有所提高，斜接比率1：30時(shí)抗拉強(qiáng)度最好，強(qiáng)度達(dá)到186.56 MPa。

挖補(bǔ)的修理工藝中，除了在試件打磨掉的缺陷處貼上與基體相同層數(shù)的補(bǔ)片外，在外部增加幾層加強(qiáng)片會(huì)使得整個(gè)試件的抗拉強(qiáng)度大大提升。試驗(yàn)結(jié)果表明：在外部加上2層補(bǔ)片會(huì)比不加補(bǔ)片的強(qiáng)度提高14.11％，抗拉強(qiáng)度可達(dá)223 MPa。

修理后試件的斷裂位置主要集中在3處，主要斷裂類型為脫膠和基體斷裂。

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（責(zé)任編輯：黃月）

Tensile performance of bonded scarf repair of composite panel

JI Zhao-hui，LIU Kuo，LI Na，YU Ge
（Tianjin Key Lab of Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance，CAUC，Tianjin 300300，China）

Scarf repair of composite material has been proved to be an advanced repairing technology，which consists of beveled joint and ladder joint.The effect of different repairing structure on mechanical properties of beveled joint scarf repair is researched.The tensile properties of repaired composite laminating with slope ratios of 1:10，1:20，1:30 and 1:40 are studied respectively；meanwhile，the location of its fracture is summarized. The results show that the tensile strength of the scarf repaired specimen with the slope ratio of 1:30 is the best.Plus patch can improve the tensile strength of the specimen，and the appropriate number of the plus patch is 2.The fracture types mainly include degumming fracture and complement-chip fracture.

composite materials；damage repair；scarf repair；slope ratios

V257；V267+.46

A

1674-5590（2013）03-0050-04

2012-07-09；

2012-09-03

中央高?；緲I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目（ZXH2010D023）

紀(jì)朝輝（1963—），男，吉林松原人，教授，碩士，研究方向?yàn)椴牧媳砻婀こ?