劉詩琪 楊 濤 杜 宇

(1 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300387)(2 天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 天津 300387)

復(fù)合材料層合板挖補(bǔ)修復(fù)工藝研究

劉詩琪1，2楊 濤1，2杜 宇2

(1 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300387)(2 天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 天津 300387)

文 摘 針對(duì)不同挖補(bǔ)斜度的復(fù)合材料層合板使用韌性膠黏劑Araldite@2015，對(duì)修補(bǔ)后的試件使用彎曲和拉伸性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：鋪層方式為[±45°]4s層合板在彎曲載荷作用下修補(bǔ)后修補(bǔ)效率最高能達(dá)到119.6%，拉伸載荷作用下修補(bǔ)效率最高能達(dá)到71.4%；鋪層方式為[0°/90°]4s層合板在彎曲載荷作用下修補(bǔ)后修補(bǔ)效率最高能達(dá)到82.1%。結(jié)果可為實(shí)際修補(bǔ)提供依據(jù)和指導(dǎo)。

復(fù)合材料，挖補(bǔ)修補(bǔ)，韌性膠黏劑

0 引言

復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比模量高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、疲勞性能好、耐腐蝕等許多優(yōu)異性能[1]，近年來已經(jīng)越來越多的在民用和軍用領(lǐng)域大量應(yīng)用。伴隨著越來越多的使用，復(fù)合材料出現(xiàn)損傷的幾率也大大增加。為了不影響后續(xù)的使用以及經(jīng)濟(jì)性方面的考慮，復(fù)合材料的修補(bǔ)已成為一個(gè)受到廣泛關(guān)注的問題。對(duì)于這些損傷，在一些承力不大的部位，可以忽略不予修補(bǔ)，但是對(duì)于一些重要部位，大面積更換部件又不經(jīng)濟(jì)劃算[2]，對(duì)原有復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行修補(bǔ)便成為一種經(jīng)濟(jì)可行的方案。

修補(bǔ)大致分為機(jī)械連接修補(bǔ)和膠接修補(bǔ)。機(jī)械連接修補(bǔ)因其需要在原結(jié)構(gòu)上開孔而會(huì)引起不必要的應(yīng)力集中，較少地被應(yīng)用于實(shí)際修補(bǔ)中。而膠接修補(bǔ)能夠很大程度上減小應(yīng)力集中，結(jié)構(gòu)增重小，能最大程度保持氣動(dòng)外形抗腐蝕，并且工藝流程簡潔快速而越來越多的來代替機(jī)械連接修補(bǔ)[3]。

膠接修補(bǔ)主要分為貼補(bǔ)法和挖補(bǔ)法[4]。貼補(bǔ)法和挖補(bǔ)法的主要區(qū)別在于是否對(duì)原損傷孔進(jìn)行重新打磨。貼補(bǔ)法是在原損傷部位上直接粘貼上與原材料相同的補(bǔ)片，而挖補(bǔ)法則是在原損傷結(jié)構(gòu)上進(jìn)行打磨后補(bǔ)以相同材料的補(bǔ)片進(jìn)行粘接修補(bǔ)。

膠接修補(bǔ)在工藝上應(yīng)考慮纖維鋪層、修補(bǔ)角度、膠黏劑選擇等多個(gè)因素[5]。國內(nèi)外在膠接修補(bǔ)方面多采用有限元模擬的方式對(duì)膠接修補(bǔ)的各個(gè)因素進(jìn)行分析，劉佳[6]針對(duì)挖補(bǔ)修補(bǔ)工藝設(shè)計(jì)了不同挖補(bǔ)角度，附加層數(shù)固化成型方法等實(shí)驗(yàn)參數(shù)采用拉伸強(qiáng)度進(jìn)行考察，得到最高強(qiáng)度能恢復(fù)到到未損傷母板的79.5%。劉遂[7]對(duì)經(jīng)穿透挖補(bǔ)修補(bǔ)后的平面編織混雜鋪層層合板的拉伸性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，初始損傷相同時(shí)，挖補(bǔ)斜度為1∶30時(shí)的拉伸強(qiáng)度最高。張興益[8]在研究碳/環(huán)氧復(fù)合材料骨架桁條修補(bǔ)時(shí)提出修補(bǔ)斜度可以為1∶10～1∶30，靜力破壞實(shí)驗(yàn)證明經(jīng)多次重負(fù)加載后其承載強(qiáng)度仍然較高，且最終破壞載荷為180%。Campilho[9]在對(duì)不同挖補(bǔ)角度的層合板進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)采用了韌性膠黏劑[10]得到數(shù)據(jù)與進(jìn)行有限元模擬的數(shù)據(jù)吻合度較高。

1 復(fù)合材料修補(bǔ)參數(shù)的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方案的確定

1.1 試件制備

試件采用SK化工(青島)有限公司的TR50碳纖維預(yù)浸料制備，碳纖維的密度1.77 g/cm3。復(fù)合材料層合板的鋪層數(shù)為16，每層厚度為0.0125 mm。復(fù)合材料層合板的固化采用模具熱壓成型的方法，具體操作是鋪層、壓實(shí)、加熱、冷卻和固化。采用東莞宏正AM-200型全自動(dòng)熱壓、冷卻成型機(jī)上進(jìn)行加熱冷卻固化成型，溫度設(shè)定為140℃、2 h，壓力設(shè)定為100 kg/cm2。Araldite@2015[11]是一種雙組分韌性膠黏劑，具有高剪切模量和高剝離強(qiáng)度，低收縮，固化時(shí)間短，使用時(shí)需要按照體積比1∶1混合。試件制備主要考慮的因素有：

(1)為研究不同纖維鋪層的層合板采用韌性膠黏劑粘接后的力學(xué)性能，選取[±45°]4s和[0°/90°]4s兩種不同鋪層方式的層合板;

(2)挖補(bǔ)斜度選取比較有區(qū)分度的四種斜度：1∶10、1∶15、1∶20、1∶25;

(3)由于復(fù)合材料樹脂基體的性質(zhì)以及考慮到韌性膠黏劑對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有很好的粘接性選擇Araldite@2015膠黏劑。

復(fù)合材料層合板在冷卻完成后應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)測試試件的尺寸合理剪裁，并按照實(shí)驗(yàn)方案打磨出相對(duì)應(yīng)的斜度，打磨完成后應(yīng)采用丙酮清潔打磨表面，打磨好的斜面呈現(xiàn)出規(guī)則的鋪層痕跡。Araldite@2015需粘接時(shí)按照體積比1∶1混合使用 。圖1為膠接示意圖。

1.2 試件形狀和尺寸及測試條件

(1)拉伸試驗(yàn)，通過材料拉伸實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻玫讲牧系目估瓘?qiáng)度、屈服強(qiáng)度和彈性模量等參數(shù)。對(duì)修補(bǔ)后的試件通過拉伸實(shí)驗(yàn)來對(duì)修復(fù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。試件尺寸按照GB3354—1982選取，采用單向拉伸方法測試修補(bǔ)試件的拉伸強(qiáng)度。拉伸試件的名義尺寸為230 mm×25 mm×2 mm(L×b×t)，為保證試件在拉伸過程中端部不首先破壞，在試件兩端分別粘貼規(guī)格為50 mm×25 mm×2 mm的鋁制加強(qiáng)片，加載速度為2 mm/min。

復(fù)合材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)在日本島津(SHIMADZU)的AG-100KNE型萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載速度為2 mm/min。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，每組實(shí)驗(yàn)均采用一個(gè)完好試件作為參照，5個(gè)膠接修補(bǔ)后試件作為試驗(yàn)件對(duì)比。最后用修補(bǔ)效率作為量化判定修補(bǔ)結(jié)果的參數(shù)，修補(bǔ)效率為所有試件在實(shí)驗(yàn)過程中強(qiáng)度的最大值的平均值與完好試件強(qiáng)度的最大值的比值，修補(bǔ)效率超過60%即可認(rèn)為達(dá)到修補(bǔ)的目的[12]。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 對(duì)[±45°]4s鋪層的的試件進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn)

圖2為不同斜度修補(bǔ)后復(fù)合材料試件和完好試件進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn)后得到的典型載荷-行程曲線。隨著斜度的增大，修補(bǔ)試件的強(qiáng)度也隨著增大，當(dāng)斜度超過1∶10時(shí)強(qiáng)度甚至可以超過完好試件的強(qiáng)度。并且在斜度為1∶20和1∶25時(shí)試件在彈性變形區(qū)域能達(dá)到強(qiáng)度的最大值后還能進(jìn)入塑性變形區(qū)。

(a) 1∶10

(c) 1∶20

表1為修補(bǔ)效率計(jì)算結(jié)果。當(dāng)斜度超過1∶10時(shí)修補(bǔ)效果均能超過完好試件，并且在斜度為1∶20時(shí)修補(bǔ)效率達(dá)到最高值119.6%。

表1 [±45°]4s鋪層層合板修補(bǔ)后彎曲性能測試得到修補(bǔ)效率

2.2 對(duì)[0°/90°]4s鋪層的試件進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn)

圖3為不同斜度修補(bǔ)后復(fù)合材料試件和完好試件進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn)后得到的典型行程-載荷曲線。

不同于[±45°]4s鋪層試件的行程-載荷曲線，[0°/90°]4s鋪層試件的行程-載荷曲線表明修補(bǔ)試件沒有進(jìn)入塑性變形區(qū)即失效。[0°/90°]4s鋪層層合板修補(bǔ)后彎曲性能測試得到修補(bǔ)效率見表2。

表2 [0°/90°]4s鋪層層合板修補(bǔ)后彎曲性能測試得到修補(bǔ)效率

隨著斜度的增加，修補(bǔ)試件的強(qiáng)度有明顯增加的趨勢，且能在斜度1∶25時(shí)達(dá)到最佳修補(bǔ)效果。其中，斜度為1∶20和1∶25時(shí)修補(bǔ)效率均超過60%，在1∶25時(shí)甚至能達(dá)到82.1%，雖然修補(bǔ)效率只能達(dá)到[±45°]4s鋪層試件修補(bǔ)效率的最低水平，但仍認(rèn)為達(dá)到修補(bǔ)目的。

2.3 對(duì)[±45°]4s鋪層修補(bǔ)后試件進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn).

圖4為不同斜度修補(bǔ)后復(fù)合材料試件和完好試件進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)后得到的位移-載荷數(shù)據(jù)圖。[±45°]4s鋪層層合板修補(bǔ)后拉伸性能測試得到修補(bǔ)效率見表3。

(a) 1∶10 (b) 1∶15

表3 [±45°]4s鋪層層合板修補(bǔ)后拉伸性能測試得到修補(bǔ)效率

隨著斜度的增加，拉伸試件的最大極限載荷也增加，并且在與完好試件對(duì)比發(fā)現(xiàn)不管斜度多大，修補(bǔ)試件都能在進(jìn)入塑性變形區(qū)之前達(dá)到最大強(qiáng)度，當(dāng)斜度超過1∶15時(shí)甚至能產(chǎn)生微小塑性變形后失效。當(dāng)斜度為1∶15時(shí)修補(bǔ)效率為65.1%，即能達(dá)到修補(bǔ)目的，并且當(dāng)斜度為1∶20和1∶25時(shí)，雖然斜度有所增加，但是修補(bǔ)試件的極限強(qiáng)度并沒有增加，從修補(bǔ)效率上看，1∶20的斜度就可以滿足修補(bǔ)要求。

3 破壞形貌

3.1 [±45°]4s鋪層試件進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn)后的破壞形貌

圖5為[±45°]4s鋪層試件彎曲實(shí)驗(yàn)后的典型試件的破壞形貌。分析表明，修補(bǔ)斜度1∶10和1∶15的試件容易從膠層處斷開，且容易引起靠近膠層附近的纖維的撕裂。而修補(bǔ)斜度達(dá)到1∶20時(shí)試件彎曲實(shí)驗(yàn)后僅僅在膠層處開裂，不會(huì)完全從膠層處斷開，但是開裂處會(huì)引起周圍層合板的分層損傷。修補(bǔ)斜度為1∶25時(shí)試件在達(dá)到最大強(qiáng)度后完全進(jìn)入塑性變形區(qū)，失效形式僅表現(xiàn)為表層纖維損傷。修補(bǔ)斜度越大，膠層越不容易斷開。

3.2 [0°/90°]4s鋪層試件進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn)后的破壞形貌

圖6為對(duì)[0°/90°]4s鋪層的試件進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn)后的典型試件的破壞形貌。對(duì)[0°/90°]4s鋪層的試件進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn)后的斷裂形貌進(jìn)行分析，修補(bǔ)斜度在1∶10和1∶15時(shí)試件容易在膠層處斷開，且垂直于試件長度方向即纖維0°方向容易發(fā)生纖維的撕裂。而當(dāng)斜度為1∶20和1∶25時(shí)試件不會(huì)從膠層處完全斷開，膠層處除了會(huì)出現(xiàn)纖維撕裂外還會(huì)明顯出現(xiàn)分層的情況。

3.3 [±45°]4s鋪層試件進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)后的破壞形貌

圖7為對(duì)[±45°]4s鋪層的試件進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)后的典型試件的破壞形貌。對(duì)[±45°]4s鋪層的試件進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)后的斷裂形貌進(jìn)行分析，隨著修補(bǔ)斜度的增大，膠層斷裂處發(fā)生纖維撕裂的部位越來越多。當(dāng)斜度為1∶10時(shí)失效形式僅表現(xiàn)為膠層處斷裂并無明顯纖維撕裂情況。當(dāng)斜度達(dá)到1∶15時(shí)，除了膠層處斷開以外還伴隨有明顯的纖維撕裂的情況，且撕裂現(xiàn)象通常出現(xiàn)在膠層邊緣處。當(dāng)斜度為1∶25時(shí)，整個(gè)膠層都出現(xiàn)較為明顯的纖維撕裂的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)[±45°]4s鋪層試件修補(bǔ)后進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn)證明，采用Araldite@2015韌性膠黏劑對(duì)試件進(jìn)行膠接修補(bǔ)，隨著斜度的增大試件能達(dá)到的極限強(qiáng)度也隨著增大，并且修補(bǔ)效率最高達(dá)到119.6%，當(dāng)斜度超過1∶15時(shí)，修補(bǔ)后試件能達(dá)到的極限強(qiáng)度甚至超過了完好試件。對(duì)[0°/90°]4s鋪層的試件，隨著斜度的增大試件的極限載荷也隨著增大，但是只有當(dāng)斜度達(dá)到1∶20時(shí)，修補(bǔ)效率達(dá)到61.2%，才能滿足修補(bǔ)目的。

(2)通過對(duì)不同鋪層試件的彎曲實(shí)驗(yàn)后的破壞典型形貌上看，都是隨著斜度的增大，膠層處越來越不容易開裂。當(dāng)斜度較小時(shí)，膠層處斷開后容易出現(xiàn)纖維的撕裂。而當(dāng)斜度逐漸增大時(shí)，試件在達(dá)到彈性變形區(qū)極限載荷時(shí)，不僅表現(xiàn)為纖維撕裂，而且在膠層處有分層現(xiàn)象。

(3)通過對(duì)[±45°]4s鋪層試件修補(bǔ)后進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)斜度達(dá)到1∶15時(shí)修補(bǔ)效率就能達(dá)到63.1%，隨著斜度的增加，修補(bǔ)效率也隨著增加，但是當(dāng)斜度從1∶20增加到1∶25時(shí)，修補(bǔ)效率的增加不明顯，且斜度越大，試件失效后膠層處出現(xiàn)纖維撕裂的部位越大。

(4)通過對(duì)以上數(shù)據(jù)及破壞形貌分析表明，采用Araldite@2015韌性膠黏劑能夠很好的達(dá)到修補(bǔ)的目的，在實(shí)際工況中，選擇合適的挖補(bǔ)斜度不僅能夠較少的去除原有材料，還能達(dá)到理想的修補(bǔ)目的。。

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Repairing Technology of Laminated Composite Patch

LIU Shiqi1,2YANG Tao1，2DU Yu2

(1 Advanced Mechatronics Equipment Technology Tianjin Area Major Laboratory, Tianjin 300387)(2 School of Mechanical Engineering，Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387)

Factors affecting the effect of repairing damage of composite materials are mainly layer angle, angle and adhesive patch. This paper aims at different patching slope of composite laminates using ductile adhesives Araldite@2015. The repaired specimens using bending mechanical properties and tensile mechanical properties were evaluated. The results show that the overlay [±45°]4slaminates under bending load repair efficiency can reach the highest of 119.6%, under tensile load repair efficiency can reach the highest of 71.4%; layer [0°/90°]4slaminates under bending load repair efficiency can reach the highest of 82.1%. These results can provide the basis and guidance for the actual repair.

Composite laminates，Strap repair，Ductile adhesive

2016-12-11

國家自然科學(xué)基金(11372220)

劉詩琪，1991年出生，碩士研究生，研究方向?yàn)閺?fù)合材料成型技術(shù)與裝備。E-mail：972775799@qq.com

楊濤，教授。E-mail: yangtao@tjpu.edu.cn

TB32

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.02.016