孫 凱， 晏冬秀， 孔嬌月， 魏 冉， 劉衛(wèi)平

(上海飛機(jī)制造有限公司 航空制造技術(shù)研究所，上海200436)

先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度及比剛度高、耐腐蝕和抗疲勞性能好、可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中得到了大量應(yīng)用［1，2］。其中，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)由于質(zhì)量輕，抗彎強(qiáng)度高，可以在最小質(zhì)量下達(dá)到結(jié)構(gòu)剛性要求，廣泛應(yīng)用于襟副翼、方向舵、升降舵等次承力結(jié)構(gòu)件［3］。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)件由于面板較薄，面板與芯子間存在膠接界面，在制造及使用過(guò)程中，不可避免地會(huì)發(fā)生面板分層、板芯脫粘、面板及芯子損傷乃至穿透損傷的情況，因此，需要對(duì)復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行高效、低成本修理［4］。

膠接修理是復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)常用修理方法［5～8］，一般使用熱補(bǔ)儀或熱壓罐等設(shè)備修補(bǔ)固化。與熱壓罐相比，熱補(bǔ)儀只對(duì)修補(bǔ)區(qū)進(jìn)行固化，不受零件尺寸限制，使用靈活;設(shè)備尺寸小、質(zhì)量輕，攜帶方便;更適于外場(chǎng)修理;修理成本低。因此，熱補(bǔ)儀在復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的膠接修補(bǔ)中有較大的優(yōu)勢(shì)。然而熱補(bǔ)儀使用加熱毯作為熱源，可能造成修補(bǔ)區(qū)存在溫度不均現(xiàn)象，溫度分布不均會(huì)影響復(fù)合材料修補(bǔ)層的固化過(guò)程及固化程度;固化過(guò)程中只能提供真空壓力，不能保證對(duì)修補(bǔ)層進(jìn)行有效壓實(shí)，容易產(chǎn)生分層、孔隙等缺陷［9，10］。這些限制均會(huì)影響蜂窩夾層結(jié)構(gòu)熱補(bǔ)儀修補(bǔ)后的力學(xué)性能。目前，針對(duì)修理分析及修理后力學(xué)性能的研究較多［6，8，10］，但針對(duì)熱補(bǔ)儀修補(bǔ)工藝方面的研究較少。為使熱補(bǔ)儀修補(bǔ)復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)達(dá)到良好的修補(bǔ)效果，實(shí)現(xiàn)其高效率、低成本修理的功能，本工作研究了用熱補(bǔ)儀修補(bǔ)復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的溫度分布情況并提出了解決溫差的建議。針對(duì)HTS/977-2 與HTS/MTM44-1 兩種預(yù)浸料，研究了真空壓力下熱補(bǔ)儀固化修補(bǔ)層的內(nèi)部缺陷情況，根據(jù)研究結(jié)果進(jìn)行了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)不同程度損傷的熱補(bǔ)儀修補(bǔ)實(shí)驗(yàn)，并分析修補(bǔ)后蜂窩夾層件的壓縮性能及彎曲性能的恢復(fù)情況。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與設(shè)備

原材料:CYCOM 977-2-35-12KHTS 預(yù)浸料，簡(jiǎn)稱(chēng)HTS/977-2，單層名義厚度為0.261mm，177℃固化;MTM44-1/HTS(12K)-134-35%RW 預(yù)浸料，簡(jiǎn)稱(chēng)HTS/MTM44-1，名義單層厚度0. 131mm，177℃固化;PL7000.05M 高溫膠膜，名義厚度0.2mm，177℃固化;FM490A 蜂窩拼接膠，121℃或177℃固化;HRH-10-1/8-3.0 芳綸蜂窩芯子，厚度10mm。

設(shè)備:SCH 熱壓罐;HCS9200 熱補(bǔ)儀，加熱毯溫度均勻性為±5℃;Nikon EPIPHOT300 金相顯微鏡;WDW-200E 型力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 溫度分布測(cè)試方法

用熱補(bǔ)儀對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行面內(nèi)方向及厚度方向溫度分布測(cè)試。面內(nèi)方向測(cè)試時(shí)熱電偶放置在蜂窩件面板表面的中心及邊緣;厚度方向測(cè)試時(shí)熱電偶放置在兩側(cè)面板的上、下表面。采用包袋封裝，試板的尺寸均為300mm×300mm。見(jiàn)圖1，圖2。

圖1 蜂窩夾層件面內(nèi)方向溫度測(cè)試示意圖Fig.1 Schematic diagram of in-plane direction temperature testing of honeycomb sandwich structure

圖2 蜂窩夾層件厚度方向溫度分布測(cè)試示意圖Fig.2 Schematic diagram of through-thickness direction temperature testing of honeycomb sandwich structure

1.2.2 固化層數(shù)對(duì)修補(bǔ)層內(nèi)部質(zhì)量影響的研究方法

用熱壓罐固化8 層HTS/977-2 預(yù)浸料的層壓板做母板，在母板上用熱補(bǔ)儀膠接共固化HTS/977-2預(yù)浸料或HTS/MTM44-1 預(yù)浸料來(lái)模擬修補(bǔ)層，修補(bǔ)鋪層為正交鋪層，母板與修補(bǔ)層間使用PL7000.05M 膠膜。試板尺寸均為150mm ×150mm。分別進(jìn)行了單次固化2 層、4 層、5 層、6 層的HTS/977-2預(yù)浸料及4 層、8 層、10 層的HTS/MTM44-1 預(yù)浸料模擬制作修補(bǔ)層的實(shí)驗(yàn)，封裝方式見(jiàn)圖3。

將熱補(bǔ)儀膠接固化的修補(bǔ)層板機(jī)械切割，用金相顯微鏡觀察切割截面的微觀結(jié)構(gòu)及缺陷狀況。

圖3 熱補(bǔ)儀膠接共固化修補(bǔ)示意圖Fig.3 Schematic diagram of co-bonding repair by hot bonder

1.2.3 蜂窩夾層件的制備及力學(xué)測(cè)試

蜂窩夾層件母板壓縮試件尺寸為220mm ×160mm，面板使用HTS/977-2 預(yù)浸料，芯子為10mm厚的HRH-10-1/8-3.0 芳綸蜂窩芯，鋪層順序?yàn)椋?5/0/ －45/90］/C/［90/ －45/0/45］，在試驗(yàn)件端頭夾持區(qū)灌封以避免側(cè)壓時(shí)加載端破壞，熱壓罐成型。

蜂窩夾層件母板彎曲試件尺寸為440mm ×160mm，面板使用HTS/MTM44-1 預(yù)浸料，芯子為10mm 厚的HRH-10-1/8-3.0 芳綸蜂窩芯，鋪層順序?yàn)椋?5/45/0/0/ －45/ －45/90/90］/C/［90/90/ －45/－45/0/0/45/45］，在試驗(yàn)件加載區(qū)灌封以避免加載位置破壞，熱壓罐成型。

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)損傷件制備:模擬損傷采用機(jī)械加工的方式在完好母板上以鉆孔的形式獲得，孔直徑為25mm。損傷程度分別為單面板損傷、面板及芯子損傷、穿透損傷。

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)損傷修補(bǔ)件的制備:挖補(bǔ)斜度為30∶1，壓縮測(cè)試的蜂窩件使用HTS/977-2 預(yù)浸料進(jìn)行修理，1 層附加修理層;彎曲測(cè)試的蜂窩件使用HTS/MTM44-1 預(yù)浸料進(jìn)行修理，2 層附加修理層。不同損傷形式的修理示意圖見(jiàn)圖4。使用熱補(bǔ)儀固化修補(bǔ)層，修補(bǔ)封裝示意圖見(jiàn)圖5。

圖4 不同損傷形式修理示意圖Fig.4 Schematic diagram of repair for different kinds of damage (a)one side panel damage repair;(b)one side panel and core damage repair;(c)penetrate damage repair

圖5 熱補(bǔ)儀修補(bǔ)封裝示意圖Fig.5 Schematic diagram of repair bagging by hot bonder

力學(xué)測(cè)試:使用圖6 所示的夾具進(jìn)行蜂窩件的側(cè)壓試驗(yàn)，在夾具邊緣處設(shè)置立柱以防止蜂窩板壓縮過(guò)程中出現(xiàn)整體失穩(wěn)。使用圖7 所示夾具進(jìn)行蜂窩夾層件的彎曲測(cè)試。用WDW-200E 型試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載。對(duì)完好板及損傷未修板，每種類(lèi)型進(jìn)行3件力學(xué)測(cè)試;對(duì)損傷修補(bǔ)板，每種類(lèi)型進(jìn)行5 件力學(xué)測(cè)試。

圖6 蜂窩夾層件側(cè)壓試驗(yàn)夾具Fig.6 Test fixture for edgewise compression of honeycomb sandwich structure specimens

圖7 蜂窩夾層件彎曲試驗(yàn)夾具Fig.7 Test fixture for bending of honeycomb sandwich structure specimens

2 結(jié)果與討論

2.1 溫差分析

按圖1 所示的封裝方式進(jìn)行蜂窩夾層件的面內(nèi)方向溫度分布測(cè)試，熱電偶均放置在加熱毯的有效加熱區(qū)域內(nèi)，結(jié)果見(jiàn)圖8。在升溫及保溫過(guò)程中，蜂窩夾層件面板的中心及邊緣處的溫度與設(shè)定溫度趨于一致，均在設(shè)定溫度的±5℃以?xún)?nèi)。說(shuō)明使用加熱毯修補(bǔ)固化時(shí)，蜂窩夾層件在加熱毯側(cè)的面內(nèi)溫度是一致的，可以達(dá)到零件表面修補(bǔ)固化對(duì)溫差的要求。

圖8 蜂窩夾層件面板面內(nèi)方向溫度測(cè)試Fig.8 In-plane direction temperature testing of honeycomb sandwich structure specimens

按圖2 所示的封裝方式進(jìn)行蜂窩夾層件厚度方向上的溫度分布測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖9。在升溫及保溫過(guò)程中，加熱毯側(cè)的上面板兩側(cè)的溫度與設(shè)定溫度一致。下面板兩側(cè)的溫度隨著溫度逐漸升高與設(shè)定溫度差值逐漸拉大，在保溫階段溫差恒定。下面板蜂窩側(cè)的溫度要高于下面板外側(cè)的溫度，在保溫階段下面板蜂窩側(cè)的溫度在145℃左右?？梢?jiàn):在蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的單面面板損傷修補(bǔ)時(shí)，在損傷側(cè)使用加熱毯可以達(dá)到修補(bǔ)層的溫度均勻;在需要進(jìn)行蜂窩芯替換的修補(bǔ)時(shí)，在蜂窩夾層件一側(cè)使用加熱毯并一步固化完成的情況下，加熱毯對(duì)側(cè)的蜂窩芯底部膠膜處及對(duì)側(cè)修補(bǔ)層的溫度遠(yuǎn)達(dá)不到固化溫度。因此，對(duì)蜂窩芯替換的修理應(yīng)采取分步修理固化:針對(duì)蜂窩單側(cè)面板及芯子的損傷，先修補(bǔ)固化替換芯子，再固化面板修補(bǔ)層;針對(duì)穿透損傷，先固化單側(cè)面板修補(bǔ)層及替換芯子，再固化另側(cè)面板修補(bǔ)層。

圖9 蜂窩夾層件厚度方向的溫度測(cè)試Fig.9 Through-thickness direction temperature testing of honeycomb sandwich structure specimens

2.2 固化層數(shù)對(duì)修補(bǔ)層板的缺陷影響分析

熱補(bǔ)儀膠接修補(bǔ)固化HTS/977-2 預(yù)浸料的微觀結(jié)構(gòu)照片如圖10 所示。單次修補(bǔ)固化2 層HTS/977-2 的修補(bǔ)效果好，修補(bǔ)層及膠膜內(nèi)部均無(wú)孔隙缺陷;單次修補(bǔ)固化4 層HTS/977-2 的修補(bǔ)效果略差，雖然修補(bǔ)層中不存在孔隙缺陷，但膠膜處存在少許孔隙;單次修補(bǔ)固化5 層HTS/977-2 的修補(bǔ)層中存在少許孔隙;單次固化6 層時(shí)，修補(bǔ)層內(nèi)部存在大量的孔隙缺陷。這是因?yàn)殡S著單次修補(bǔ)固化層數(shù)及厚度的增加，真空壓力下對(duì)修理層數(shù)的壓實(shí)難度也隨之增大，同時(shí)修補(bǔ)層內(nèi)部夾雜的空氣也更難排出。對(duì)HTS/977-2 預(yù)浸料，建議熱補(bǔ)儀最佳單次固化層數(shù)為4 層或5 層。

圖10 熱補(bǔ)儀膠接固化不同層數(shù)HTS/977-2 的微觀結(jié)構(gòu)照片F(xiàn)ig.10 Micrographs of HTS/977-2 plies specimens cured by hot bonder (a)2 plies of HTS/977-2;(b)4 plies of HTS/977-2;(c)5 plies of HTS/977-2;(d)6 plies of HTS/977-2

熱補(bǔ)儀膠接修補(bǔ)固化HTS/MTM44-1 預(yù)浸料的微觀結(jié)構(gòu)照片如圖11 所示。單次修補(bǔ)固化4 層、8層及10 層的HTS/MTM44-1 預(yù)浸料，修補(bǔ)層及膠膜均無(wú)孔隙缺陷，內(nèi)部質(zhì)量良好。2 層HTS/MTM44-1預(yù)浸料的厚度與1 層HTS/977-2 的厚度相同，與熱補(bǔ)儀單次固化同厚度的HTS/977-2 相比，HTS/MTM44-1 有著更好的內(nèi)部質(zhì)量。這是因?yàn)镠TS/MTM44-1 是一種適合非熱壓罐工藝成型(OOA)的材料，預(yù)浸料中的樹(shù)脂沒(méi)有完全浸漬纖維，存在內(nèi)部氣體通路，在只施加真空壓力的條件下固化時(shí)可以排除其中的夾雜氣體，從而實(shí)現(xiàn)良好的內(nèi)部質(zhì)量［11］;而HTS/977-2 是一種適合熱壓罐工藝成型材料，成型過(guò)程中需要0.3 ～0.6MPa 的外壓以實(shí)現(xiàn)好的內(nèi)部質(zhì)量。HTS/MTM44-1 預(yù)浸料，熱補(bǔ)儀最佳單次固化層數(shù)為10 層以上。

圖11 熱補(bǔ)儀膠接固化不同層數(shù)HTS/MTM44-1 試樣的微觀結(jié)構(gòu)照片F(xiàn)ig.11 Micrographs of HTS/MTM44-1 plies specimens cured by hot bonder (a)4 plies of HTS/MTM44-1;(b)8 plies of HTS/MTM44-1;(c)10 plies of HTS/MTM44-1

綜上可見(jiàn):在使用熱補(bǔ)儀修補(bǔ)時(shí)，需確定修補(bǔ)預(yù)浸料的最佳單次固化層數(shù)，一方面能夠確保修補(bǔ)后的內(nèi)部質(zhì)量，另一方面也會(huì)充分利用熱補(bǔ)儀真空壓實(shí)固化的能力，盡可能提高修補(bǔ)效率;不同修補(bǔ)材料在使用熱補(bǔ)儀進(jìn)行修補(bǔ)固化時(shí)，最佳單次固化層數(shù)不同，適合非熱壓罐工藝成型(OOA)的預(yù)浸料在熱補(bǔ)儀的真空壓力下修補(bǔ)固化時(shí)具備一定的修補(bǔ)層內(nèi)部質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)。

2.3 修補(bǔ)后的力學(xué)性能

表1 為HTS/977-2 做面板的蜂窩夾層件在使用原結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行熱補(bǔ)儀修補(bǔ)后的側(cè)壓強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)?？梢钥闯?與損傷未修補(bǔ)件相比，對(duì)單面面板損傷、面板與芯子損傷、穿透損傷三種損傷形式進(jìn)行修補(bǔ)后的蜂窩夾層件的側(cè)壓強(qiáng)度明顯提高，極限側(cè)向壓縮破壞載荷均達(dá)到完好狀態(tài)的79.9%以上。

表2 為HTS/MTM44-1 做面板的蜂窩夾層件在使用原結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行熱補(bǔ)儀修補(bǔ)后的彎曲強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)。從表2 可見(jiàn):與損傷未修補(bǔ)件相比，對(duì)單面面板損傷、面板與芯子損傷、穿透損傷三種損傷進(jìn)行修補(bǔ)后，蜂窩夾層件的彎曲強(qiáng)度明顯提高，極限彎曲破壞載荷均達(dá)到完好狀態(tài)的89.4%以上。

不同損傷程度、不同材料的蜂窩夾層件在使用熱補(bǔ)儀修補(bǔ)后均能有效恢復(fù)側(cè)壓及彎曲強(qiáng)度。由此可見(jiàn)，當(dāng)解決好修補(bǔ)區(qū)溫差過(guò)大問(wèn)題及單次固化修理層數(shù)合適時(shí)，采用熱補(bǔ)儀修補(bǔ)蜂窩夾層件可以實(shí)現(xiàn)良好的修補(bǔ)效果。

3 結(jié)論

(1)采用熱補(bǔ)儀進(jìn)行復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)修補(bǔ)時(shí)，加熱毯側(cè)的面內(nèi)方向溫度及加熱毯側(cè)的面板兩側(cè)厚度方向溫度均勻性好，可以達(dá)到修補(bǔ)固化對(duì)溫差的要求。在蜂窩芯的厚度方向及加熱毯對(duì)側(cè)面板處存在一定的溫度不均勻性。對(duì)蜂窩替換的修理，采用分步修理，可以實(shí)現(xiàn)修補(bǔ)材料的完全固化。

(2)為在熱補(bǔ)儀的真空壓力下固化時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的修補(bǔ)質(zhì)量，需確定修補(bǔ)材料的熱補(bǔ)儀最佳單次固化層數(shù);不同材料的最佳單次固化層數(shù)不同，對(duì)HTS/977-2 預(yù)浸料，熱補(bǔ)儀最佳單次固化層數(shù)為4層或5 層，對(duì)HTS/MTM44-1 預(yù)浸料，熱補(bǔ)儀最佳單次固化層數(shù)為10 層以上;適合非熱壓罐工藝成型的預(yù)浸料在真空壓力下固化時(shí)具備一定的修補(bǔ)質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)。

表1 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)件側(cè)壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Table 1 Edgewise compressive strength test results of honeycomb sandwich specimens

表2 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)件彎曲強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Table 2 Bending strength test results of honeycomb sandwich specimens

(3)實(shí)驗(yàn)中，在解決溫差以保證修補(bǔ)材料完全固化及選用其合適的單次固化層數(shù)以實(shí)現(xiàn)修補(bǔ)層良好的內(nèi)部質(zhì)量的前提下，不同損傷程度的蜂窩夾層件在使用熱補(bǔ)儀挖補(bǔ)修理后力學(xué)性能得到有效恢復(fù)，其中:側(cè)壓強(qiáng)度達(dá)到完好狀態(tài)的79.9%以上，彎曲強(qiáng)度達(dá)到完好狀態(tài)的89.4%以上。

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