路鵬程，王宏洋，李　娜，蘇景新

（中國民航大學(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）

GFRP層合板挖補(bǔ)修理參數(shù)對其拉伸性能的影響

路鵬程，王宏洋，李娜，蘇景新

（中國民航大學(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）

針對民用航空器用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料（GFRP，glass fiber reinforce polymer）層合板，典型損傷通常采用挖補(bǔ)方法進(jìn)行修理，本研究對挖補(bǔ)修理的關(guān)鍵參數(shù)——臺階比率、表面粗糙度、固化溫度等因素對挖補(bǔ)修理結(jié)構(gòu)拉伸性能的影響規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，挖補(bǔ)修理明顯改變了GFRP層板結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，在6種臺階比率（1∶10～1∶60）中，隨著臺階比率的增加，拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在臺階比率為1∶40時，拉伸強(qiáng)度最高，拉伸強(qiáng)度保持率約為51%。在臺階比率為1∶40情況下，修理試樣拉伸強(qiáng)度隨著粘接界面的粗糙度增加而增加；同時，隨著修理固化溫度的增加，拉伸強(qiáng)度也出現(xiàn)先增加后降低的趨勢，250℉時修理試樣拉伸強(qiáng)度最高。

復(fù)合材料；挖補(bǔ)法修理；力學(xué)性能；固化溫度

先進(jìn)復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度、耐腐蝕和疲勞性能好等優(yōu)異特性，在航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如在航空中，已由平尾、擾流板及方向舵等次承力擴(kuò)展至中央翼盒、機(jī)身等主承力結(jié)構(gòu)[1-3]。但其結(jié)構(gòu)在使用壽命期內(nèi)由于各種原因不可避免地會產(chǎn)生損傷。出于安全性和經(jīng)濟(jì)性考慮，部分損傷結(jié)構(gòu)必須實(shí)施修理。挖補(bǔ)法膠接修理對結(jié)構(gòu)外形及氣動特性影響小并具備更高的修理效率，因而得到普遍采用，也是復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)的基本修理方法之一[4-6]。

結(jié)構(gòu)修理的實(shí)施勢必使結(jié)構(gòu)原有力學(xué)特性產(chǎn)生變化，如靜強(qiáng)度、穩(wěn)定性等靜力學(xué)特性以及固有頻率、動力響應(yīng)等動力學(xué)特性。對于航空領(lǐng)域大量應(yīng)用的復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)而言，修理引起的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變化是必須考慮的因素，其對結(jié)構(gòu)能否繼續(xù)安全承載至關(guān)重要[7]。中國目前實(shí)施的大型民機(jī)重大科技專項(xiàng)也提出了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理研究的迫切需求[8]。對于飛機(jī)服役中出現(xiàn)的大量結(jié)構(gòu)損傷，通過及時修理恢復(fù)其結(jié)構(gòu)完整性和力學(xué)性能，使之重新投入使用，是商用飛機(jī)營運(yùn)的重要保證。而修理方案設(shè)計(jì)、修理參數(shù)等是影響結(jié)構(gòu)修理后其力學(xué)特性恢復(fù)的關(guān)鍵因素，對飛機(jī)結(jié)構(gòu)安全使用產(chǎn)生的影響具有重要意義。

綜上所述，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了復(fù)合材料修理工藝的復(fù)雜性。復(fù)合材料損傷的膠接修理工藝參數(shù)對修復(fù)后的力學(xué)性能影響較大，修理工藝流程復(fù)雜，開展挖補(bǔ)膠接修理工藝參數(shù)對GFRP層壓板結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的研究，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

1　實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1材料及試件制備

實(shí)驗(yàn)材料選用日本東麗公司提供的民用航空器用BMS8-79 Style1581玻璃纖維預(yù)浸料；采用熱壓罐成型方法制備試板，拉伸性能測試層合板鋪層方式為[0]4。修理用膠膜為BMS 5-101，Type2，Grade10型中溫固化膠膜。對制備好的試板進(jìn)行無損檢測，確保試板質(zhì)量合格。

1.2挖補(bǔ)修理

采用階梯挖補(bǔ)法對GFRP層合板進(jìn)行修理，修理結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　層板挖補(bǔ)法修理示意圖Fig.1　Schematic diagram of laminate scarf patch repair

修理參數(shù)如表1所示。

表1　層板結(jié)構(gòu)修理參數(shù)Tab.1　Structural repair parameters of laminate

1.3修理后質(zhì)量檢測及力學(xué)性能測試

為了對修理質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，依據(jù)GB1446-83對修理后試樣進(jìn)行目視檢查，之后進(jìn)一步采用PAC公司超聲C掃無損檢測設(shè)備對修理后的試板進(jìn)行檢測，保證修理質(zhì)量的合格性。

采用INSTRON 5598型電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)對同批次完整試件和修理后試件進(jìn)行力學(xué)性能測試。拉伸性能測試方法執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)ASTM D3039，試樣尺寸如圖2所示，每組試件數(shù)量為5個。

圖2　試件尺寸Fig.2　Specimen size

2　結(jié)果討論

2.1修理質(zhì)量檢測

對修理后的GFRP試板進(jìn)行了外觀目視檢查，修理后試板外觀平整，無宏觀缺陷，鋪層結(jié)構(gòu)完整；超聲C掃檢測結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出修理試板中沒有宏觀或微觀缺陷，修理質(zhì)量合格。

圖3　修理后GFRP試板C掃檢測結(jié)果Fig.3　C-scan test results of GFRP test plate after repair

2.2臺階比率對GFRP拉伸性能的影響

針對挖補(bǔ)修理臺階比率設(shè)計(jì)了1∶10～1∶60的6種不同搭接尺寸，圖4為不同搭接尺寸拉伸試樣測試后的照片，可以看出，拉伸斷裂區(qū)域均在修理區(qū)域。

圖4　不同搭接界面尺寸試樣拉伸測試照片F(xiàn)ig.4　Tensile test sample photo of different lap interface size

圖5為臺階比率對GFRP拉伸性能的影響規(guī)律曲線，從圖中可以看出，修理后試樣的拉伸強(qiáng)度明顯低于未修理試樣的拉伸強(qiáng)度，對于GFRP修理試樣，隨著臺階比率的增加，拉伸強(qiáng)度先增加后減少。這是由于在拉伸過程中，拉伸損傷首先發(fā)生在修理鋪層和母板之間的膠層，然后向四周擴(kuò)展，隨著拉伸應(yīng)力的增加，損傷就會沿著補(bǔ)片或母板擴(kuò)展，直至失效。隨著粘接界面尺寸的增加，拉伸過程中粘接界面膠接受力面積增加，拉伸強(qiáng)度隨之增加，且臺階比率為1∶10和1∶20的試樣拉伸失效過程為膠層首先損傷失效，隨之?dāng)U展使補(bǔ)片脫粘或斷裂失效；臺階比率為1∶50和1∶60時，拉伸過程中膠層損傷擴(kuò)展使得母板斷裂；當(dāng)臺階比率為1∶30和1∶40時，拉伸斷裂過程主要為膠層損傷，隨后擴(kuò)展使得補(bǔ)片和母板接近同時失效，斷口較為齊平。因此當(dāng)臺階比率達(dá)到某一臨界值時，隨著臺階比率的增加，薄板結(jié)構(gòu)母板的強(qiáng)度降低，使其抗拉強(qiáng)度下降。在這6種臺階比率中，臺階比率為1∶40時，強(qiáng)度保持率最高，約為51%。將拉伸強(qiáng)度作為首要性能優(yōu)化依據(jù)時，臺階比率為1∶40時的層合板修理后抗拉性能最優(yōu)；另外，考慮到修理工藝可操作性方面的需求以及盡量少地?cái)U(kuò)大損傷部位尺寸，可將粘接界面尺寸控制在1∶30～1∶40之間，挖補(bǔ)試件的拉伸性能也比較穩(wěn)定。

圖5　挖補(bǔ)修理臺階比率對GFRP拉伸性能的影響規(guī)律Fig.5　Effect of scarf patch repair step ratio on tensile properties of GFRP

2.3粘接界面粗糙度對GFRP拉伸性能的影響

選取臺階比率為1∶40的GFRP修理試板，對其粘接界面采用不同粒度砂紙打磨修理，拉伸測試試件的照片如圖6所示，同樣，試樣的拉伸斷裂區(qū)域均在修理區(qū)域。

圖6　粘接界面不同打磨粒度修理試樣拉伸測試照片F(xiàn)ig.6　Tensile test specimen phote of bonding interface of different grinding sizes

圖7為粘接界面粗糙度對修理后試樣拉伸性能的影響規(guī)律曲線，從圖中的測試結(jié)果可以得出，對于GFRP修理試樣，采用不同粒度砂紙打磨，使得界面粗糙度不同，隨著粘接界面粗糙度的降低，拉伸強(qiáng)度隨之降低，粘接界面采用80#砂紙打磨處理后較正常處理粘接界面粗糙度（800#）的拉伸強(qiáng)度提高了14.6%。這可能是由于在膠接修理過程中，相同固化環(huán)境下，粗糙膠接界面更有利于界面的化學(xué)反應(yīng)和機(jī)械結(jié)合。綜合考慮，為了獲得最優(yōu)力學(xué)性能的同時保證修理后試件力學(xué)性能的穩(wěn)定性，粘接界面應(yīng)采用80#砂紙進(jìn)行機(jī)械打磨處理。

圖7　粘接界面粗糙度對GFRP拉伸性能的影響規(guī)律Fig.7　Influence of interface roughness on tensile properties of GFRP

2.4修理固化溫度對GFRP拉伸性能的影響

選取臺階比率為1∶40的試板，如圖8所示，通過不同修理固化溫度對其進(jìn)行修理，然后測試其拉伸性能，試件的斷裂區(qū)域均在修理區(qū)域。

圖9為在不同修理固化溫度下GFRP層合板拉伸強(qiáng)度變化規(guī)律，從圖9中可以看出，對于GFRP修理試樣，BMS8-79 Style1581預(yù)浸料和BMS 5-101，Type 2，Grade 10膠膜材料體系在固化溫度為250℉時，拉伸強(qiáng)度最高，因此最佳固化溫度為250℉，當(dāng)固化溫度升高或降低時，拉伸強(qiáng)度都相應(yīng)下降。這是由于在固化過程中，固化溫度過低，會使膠粘劑無法發(fā)生完全交聯(lián)反應(yīng)，表現(xiàn)為宏觀力學(xué)性能較差；當(dāng)固化溫度過高，對于修理結(jié)構(gòu)，會使得母板發(fā)生二次損傷[9]，降低其力學(xué)性能。

圖8　不同修理固化溫度對GFRP層板拉伸測試照片F(xiàn)ig.8　Tensile test photo under different repair curing temperatures of GFRP

圖9　不同修理固化溫度對GFRP拉伸性能的影響規(guī)律Fig.9　Effect of different curing temperatures on tensile property of GFRP

3　結(jié)語

1）GFRP層合板結(jié)構(gòu)挖補(bǔ)修理明顯改變了原結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，且不同挖補(bǔ)修理參數(shù)對其修理后的力學(xué)性能有不同程度的影響。

2）設(shè)計(jì)的6種臺階比率（1∶10～1∶60）中，隨著臺階比率的增加，拉伸強(qiáng)度及強(qiáng)度保持率先增加后降低，臺階比率為1∶40時，拉伸強(qiáng)度及強(qiáng)度保持率最高。

3）在臺階比率為1∶40時，粘接界面粗糙度對挖補(bǔ)修理拉伸強(qiáng)度也有不同程度的影響，隨著粘接界面粗糙度的降低，抗拉強(qiáng)度下降，80#砂紙打磨粘接界面試件拉伸強(qiáng)度比800#砂紙打磨試件提高了14.6%。

4）在臺階比率為1∶40時，針對BMS8-79 Style1581預(yù)浸料和BMS 5-101，Type 2，Grade 10膠膜材料體系，隨著固化溫度的增加，拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在250℉時，試件的拉伸強(qiáng)度最大。

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（責(zé)任編輯：楊媛媛）

Influence of GFRP laminate’s scarf repair parameters on its tensile properties

LU Pengcheng,WANG Hongyang,LI Na,Su Jingxin
（Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance Key Lab of Tianjin,CAUC,Tianjin 300300,China）

Scarf repair approach is usually adopted to deal with a typical damage in GFRP（glass fiber reinforce polymer）laminate on a civil aviation aircraft.A systematic research is conducted on the influence of scarf repair key parameters such as step ratio,surface roughness and curing temperature upon its tensile properties.Experimental results reveal that scarf repair approach has a significant changing effect on the mechanical properties of GFRP laminated plate structure.Along with the increase of step ratio（from 1∶10 to 1∶60）,the tensile strength appears a trend of decrease following an initial increase.When step ratio is 1∶40,the tensile strength reaches its peak,with a tensile strength retention rate of 51%.In the case of 1∶40 step ratio,the tensile strength of repair specimen increases with an intensity of roughness on the surface of junction.Meanwhile,with the increase of curing temperature,tensile strength also presents a trend of increase after a decrease and the tensile strength of repair specimen reaches its maximum when the temperature is 250℉.

composite;scarf repair;mechanical property;curing temperature

TQ327.3

A

1674-5590（2016）05-0031-04

2016-07-06；

2016-09-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61471364）；中國民用航空局科技基金項(xiàng)目（MHRD20160106）

路鵬程（1987—），男，陜西榆林人，助理實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向?yàn)闃渲鶑?fù)合材料.