趙夢(mèng)如, 關(guān)志東, 黃永杰, 蘇雨茹

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因其比強(qiáng)度好、比剛度高、疲勞性能好、材料可設(shè)計(jì)等諸多優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多地應(yīng)用在航空及其他行業(yè)中[1-3]。然而，其損傷可檢性差，失效機(jī)理復(fù)雜多樣，使得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修理問(wèn)題越來(lái)越受到重視[4-5]。目前常用的修理方式有貼補(bǔ)修理、挖補(bǔ)修理與機(jī)械連接修理，這些連接方式因良好的強(qiáng)度恢復(fù)率受到廣泛應(yīng)用[6-7]，但機(jī)械連接易帶來(lái)應(yīng)力集中問(wèn)題，傳統(tǒng)膠接修理工藝復(fù)雜，修理所需時(shí)間較長(zhǎng)。出于非主要承力部件維修和戰(zhàn)場(chǎng)搶修的需要，注膠修理研究在近幾年逐漸受到關(guān)注。

注膠修理是指通過(guò)打孔或從表面損傷處，向含有損傷或缺陷的分層結(jié)構(gòu)中注入低黏度樹(shù)脂，可達(dá)到彌合基體裂縫、重新黏結(jié)、填充結(jié)構(gòu)凹陷體積、恢復(fù)表面平整度等效果，具有增重量小、維修工藝簡(jiǎn)單、修復(fù)表面光潔等優(yōu)點(diǎn)，可用于復(fù)層合板表面及邊緣分層、沖擊損傷等[8]。對(duì)該修理方式，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究較少。Slattery等[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究了注膠修理結(jié)構(gòu)的拉伸、彎曲和沖擊后壓縮（CAI）力學(xué)特性，提出樹(shù)脂注射修理不能修復(fù)纖維在沖擊過(guò)程中的損壞或用額外纖維替換損壞的纖維。因此不能完全修復(fù)拉伸強(qiáng)度。Thunga等[10]研究了低黏度氰酸酯樹(shù)脂注射修復(fù)雙馬來(lái)酰亞胺/碳纖維復(fù)合材料孔邊分層結(jié)構(gòu)的修復(fù)效果和力學(xué)性能，提出注入低黏度樹(shù)脂固化可以完全修復(fù)孔邊分層。藺美杰等[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究了注射樹(shù)脂和填充灌注樹(shù)脂兩種修理方法對(duì)損傷件拉伸強(qiáng)度的恢復(fù)作用，提出注膠修理效果與修理工藝相關(guān)，且修理恢復(fù)率不高，對(duì)缺陷深度超過(guò)深度一半的層合板修理效果不佳。

本工作研究的修理方式為注膠修理的一種，即對(duì)于半穿透損傷層板，向損傷區(qū)堆填含碳短纖維的常溫固化膠黏劑。該修理方式工藝簡(jiǎn)單，維修成本低，增重量小，表面粗糙度好，可作為非主要承力部件和戰(zhàn)場(chǎng)搶修的選擇。本工作中使用C掃描檢測(cè)了填料的黏合效果，進(jìn)行了完好件、損傷件、修理件的拉伸和壓縮試驗(yàn)，從強(qiáng)度恢復(fù)率、剛度與變形情況的變化兩方面分析修理效果，依據(jù)試件破壞模式分析修理結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試件制備

拉伸試件包括完好層板3件、半穿透損傷層板3件和修理后層板4件，尺寸為200 mm × 50 mm ×4.2 mm；壓縮試件包括完好層板3件和修理后層板3 件，尺寸為 200 mm × 100 mm × 4.2 mm。所有試件都由兩塊相同厚度的層合板通過(guò)膠黏劑粘接而成，單塊層合板厚度2 mm，膠層厚度0.2 mm。單塊層合板鋪層順序?yàn)閇45/90/-45/0/45/-45/90/0]S。使用國(guó)產(chǎn)T700級(jí)碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料，單層厚度0.125 mm。

損傷件的制造方法為在完好件中心通過(guò)機(jī)械加工制造深1.8 mm的圓臺(tái)凹陷，模擬未穿透損傷。拉伸試件凹陷尺寸為底徑30 mm，頂徑10 mm；壓縮試件凹陷尺寸為底徑50 mm，頂徑30 mm。修理件的制造方法為清理?yè)p傷件加工區(qū)域后，堆填修理填料充滿(mǎn)凹陷區(qū)，并在外表面粘一層完全覆蓋損傷區(qū)域的復(fù)合材料織布，作為附加修理層。修理區(qū)膠黏劑材料為DG-3，混雜纖維材料為與母板相同的國(guó)產(chǎn) T700 級(jí)碳纖維，纖維尺寸為（5 ± 1） mm，由文獻(xiàn)[12-15]可知，填料的強(qiáng)度約為200 MPa，模量約為30 GPa，填料力學(xué)性能受到制造工藝影響。修理工藝為堆填后25～35 ℃固化48 h。圖1（a）所示為拉伸實(shí)驗(yàn)所用試件的照片，從左至右依次是完好件、損傷件和修理件，圖1（b）為壓縮實(shí)驗(yàn)所用完好件和修理件的照片。圖1（c）為修理后層板剖面結(jié)構(gòu)示意圖，該試件主要由母板、填料和附加修理層三部分組成。

1.2 試件檢測(cè)

使用水中超聲掃描儀，采取5 MHz頻率，對(duì)完好、損傷和修理拉伸試件進(jìn)行掃描，以評(píng)估修理區(qū)粘接質(zhì)量。

試件的超聲C掃描圖像如圖2所示，從左向右依次是完好件、損傷件和修理件。圖像表明，完好件表面平整，內(nèi)部無(wú)缺陷；損傷件中部的環(huán)形傾斜界面為預(yù)制圓臺(tái)損傷，該損傷形狀規(guī)則均勻，且加工過(guò)程不會(huì)給試件引入其他損傷，非損傷區(qū)以外試件完好；修理件中部填充樹(shù)脂含有方向混雜的短碳纖維，填充樹(shù)脂與母板之間粘合良好。

1.3 拉伸實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)參照ASTM D3039聚合物基復(fù)合材料拉伸性能試驗(yàn)方法進(jìn)行，以測(cè)定試件拉伸強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)前，將試件兩端粘接加強(qiáng)片，并測(cè)量寬度和厚度。實(shí)驗(yàn)使用INSTRON 8802電液伺服試驗(yàn)機(jī)，將試件夾到試驗(yàn)機(jī)上下液壓夾頭中進(jìn)行拉伸，裝夾照片如圖3所示，固定加載速率2.0 mm/min。加載過(guò)程中采用DH3821靜態(tài)應(yīng)變分析系統(tǒng)測(cè)量層合板變形情況，圖4所示為損傷、修理層合板貼片圖，損傷件有損傷一側(cè)標(biāo)號(hào)為1～4，完好側(cè)標(biāo)號(hào)為01～04，修理件標(biāo)號(hào)方式同理。采用照片、錄像記錄破壞位置與破壞模式。

1.4 壓縮實(shí)驗(yàn)

復(fù)合材料薄層合板受壓時(shí)，往往在達(dá)到材料本身壓縮極限載荷前便由于失穩(wěn)導(dǎo)致破壞[16-18]。針對(duì)這一現(xiàn)象設(shè)計(jì)壓縮實(shí)驗(yàn)，以測(cè)定試件壓縮屈曲載荷。實(shí)驗(yàn)前，將試件兩端粘接加強(qiáng)片，并測(cè)量寬度和厚度。實(shí)驗(yàn)使用WDW-200E微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，將試件上下兩端裝入U(xiǎn)型槽中固定，置于試驗(yàn)機(jī)上下壓盤(pán)中間進(jìn)行壓縮，裝夾照片如圖5所示。實(shí)驗(yàn)初始階段首先進(jìn)行對(duì)中，即分級(jí)加載至預(yù)估破壞載荷的20%，分別對(duì)比試件左右、前后對(duì)稱(chēng)位置的應(yīng)變值，調(diào)整夾具及試件位置，使對(duì)應(yīng)位置應(yīng)變差值在10%以?xún)?nèi)，隨后進(jìn)行正式加載，固定加載速率1.0 mm/min。加載過(guò)程中采用DH3821靜態(tài)應(yīng)變分析系統(tǒng)測(cè)量層合板變形情況，采用照片、錄像記錄破壞位置與破壞模式。

圖6 所示為完好、修理層合板的貼片示意圖，應(yīng)變片對(duì)稱(chēng)布置在層合板的兩面，對(duì)于修理層合板，將修理一側(cè)標(biāo)號(hào)為1～7，完好側(cè)標(biāo)號(hào)為01～07。根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性，將完好板應(yīng)變片分為3組（WHYS-a/c/e），組內(nèi)各點(diǎn)應(yīng)變相近，取其平均值進(jìn)行分析；a組包含1，2，01，02測(cè)點(diǎn)，研究層合板端部受壓情況；c組和e組分別包含試件兩面的中部測(cè)點(diǎn)，研究層合板的屈曲。修理板應(yīng)變片分為5組（DTYS-a/b/c/d/e），組內(nèi)各點(diǎn)應(yīng)變相近，取其平均值進(jìn)行分析；a組和b組分別包含試件兩面的端部測(cè)點(diǎn)，研究層合板端部的受壓情況；c組和d組對(duì)比修理面補(bǔ)片區(qū)域和未損傷區(qū)域的變形，用以分析補(bǔ)片剛度；e組包含試件完好一側(cè)的中部測(cè)點(diǎn)，與c，d兩組對(duì)比研究層合板的屈曲。

2 結(jié)果與分析

2.1 拉伸性能分析

對(duì)三種試件進(jìn)行對(duì)照拉伸實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，實(shí)驗(yàn)中完好、含半穿透損傷、修理層合板的典型載荷-位移曲線(xiàn)對(duì)比見(jiàn)圖7；載荷-應(yīng)變曲線(xiàn)見(jiàn)圖8，對(duì)于修理后層合板，根據(jù)對(duì)稱(chēng)性選取1～4點(diǎn)及背面各點(diǎn)的均值進(jìn)行研究；三種層合板破壞后的照片見(jiàn)圖9。

該實(shí)驗(yàn)中，各組試件的拉伸強(qiáng)度分散性處在正常的范圍內(nèi)（CV ＜ 10%），表示該結(jié)果具有工程有效性。由結(jié)果可見(jiàn)，半穿透損傷對(duì)試件拉伸強(qiáng)度有明顯影響，損傷件強(qiáng)度僅為完好件強(qiáng)度的65.6%，經(jīng)過(guò)修理后，試件強(qiáng)度恢復(fù)為完好件的73.7%，該修理方式對(duì)恢復(fù)層合板強(qiáng)度有一定的作用，但強(qiáng)度恢復(fù)率不高。結(jié)構(gòu)拉伸強(qiáng)度與長(zhǎng)纖維的增強(qiáng)作用密切相關(guān)，預(yù)制損傷造成45%的鋪層存在長(zhǎng)纖維斷裂，而本修理方式不能修復(fù)已經(jīng)斷裂的纖維，也未使用附加的長(zhǎng)纖維覆蓋損傷區(qū)作為替代，不能預(yù)期產(chǎn)生強(qiáng)度完全恢復(fù)的修理效果。由圖7所示載荷-位移曲線(xiàn)可知，完好層合板在加載過(guò)程中有較長(zhǎng)的線(xiàn)性段，當(dāng)?shù)竭_(dá)層合板極限強(qiáng)度時(shí)，載荷突降產(chǎn)生，對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為層合板的突然斷裂失效。含缺陷層合板的剛度明顯低于完好件，且在臨近破壞時(shí)出現(xiàn)明顯的剛度減小。含缺陷層合板損傷區(qū)材料缺失，導(dǎo)致該區(qū)域截面積明顯減小，損傷層合板整體剛度小于完好件；同時(shí)，有損傷一側(cè)子層和未損傷一側(cè)子層剛度顯著不同，導(dǎo)致在拉伸過(guò)程中，試件中部受到拉伸-彎曲耦合載荷。綜合圖8（a）所示載荷-應(yīng)變曲線(xiàn)可知，兩種受載方式的綜合作用，使得損傷區(qū)左右兩側(cè)區(qū)域承受更大的拉伸載荷并首先發(fā)生破壞，損傷區(qū)上下兩側(cè)承受更小的拉伸載荷，層合板危險(xiǎn)區(qū)為損傷區(qū)兩側(cè)。修理后層合板初始剛度比損傷件略大，但在破壞前有明顯的軟化段。綜合圖8（b）所示載荷-應(yīng)變曲線(xiàn)可知，填料的剛度小于層合板剛度，其前期承力作用可以減輕結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)性，但并不能消除，結(jié)構(gòu)始終存在拉伸-彎曲耦合受載模式。填料的破壞應(yīng)變約為15000微應(yīng)變。

表1 拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of tensile tests

對(duì)于無(wú)損傷拉伸實(shí)驗(yàn)，破壞模式為實(shí)驗(yàn)段拉斷，如圖9（a）所示。對(duì)于含未穿透損傷的試件，破壞模式均為中部所剩結(jié)構(gòu)截面積最小處斷裂，如圖9（b）所示。對(duì)于修理件，破壞模式有兩種，一種為填料斷裂-母板斷裂型，如圖9（c）所示，一種為填料脫粘-母板斷裂型，如圖9（d）所示。其區(qū)別主要在于堆填區(qū)的破壞，對(duì)于前一種，填料正中首先出現(xiàn)裂紋，并逐漸擴(kuò)展，最后填料和母板均斷裂，但不脫離。對(duì)于后一種，先出現(xiàn)的是填料與母板之間界面的脫開(kāi)，并逐漸擴(kuò)展，最后發(fā)生母板斷裂和填料崩離，破壞模式為后一種的試件，其強(qiáng)度顯著高于破壞模式為前者的試件。這是由于填料拉伸強(qiáng)度分散性造成的，當(dāng)填料拉伸強(qiáng)度較高時(shí)，破壞出現(xiàn)在填料與母板間界面，當(dāng)填料拉伸強(qiáng)度較低時(shí)，首先出現(xiàn)的是填料本身的拉斷。影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的關(guān)鍵為填料拉伸強(qiáng)度和填料與母板的結(jié)合強(qiáng)度。

2.2 壓縮屈曲性能分析

對(duì)完好試件和修理試件進(jìn)行對(duì)照壓縮實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，兩種試件的典型載荷-應(yīng)變曲線(xiàn)對(duì)比見(jiàn)圖10，破壞模式對(duì)比見(jiàn)圖11。

該實(shí)驗(yàn)中，各組試驗(yàn)件的強(qiáng)度分散性處在正常的范圍內(nèi)（CV＜10%），表示該結(jié)果具有工程有效性。由文獻(xiàn)[18]研究可知，當(dāng)復(fù)合材料層合板發(fā)生整體屈曲破壞時(shí)，板件一側(cè)受拉，另一側(cè)受壓，由于復(fù)合材料承拉性能更好，最終在受壓面發(fā)生破壞。分析可知，半穿透損傷會(huì)造成層壓板受損側(cè)剛度明顯削弱，承壓時(shí)受損側(cè)凹陷，形成危險(xiǎn)區(qū)，對(duì)試件屈曲載荷產(chǎn)生顯著影響。而對(duì)凹陷區(qū)進(jìn)行填充可提供新的承載材料，對(duì)強(qiáng)度有恢復(fù)作用，修理效果主要由填料壓縮強(qiáng)度和填料與母板的結(jié)合強(qiáng)度決定。該修理方式對(duì)恢復(fù)層合板強(qiáng)度有一定的作用，強(qiáng)度恢復(fù)率為77.4%。

完好層合板在壓縮過(guò)程中經(jīng)歷兩個(gè)明顯階段，第一階段層合板不發(fā)生明顯形變，結(jié)構(gòu)主要承受壓縮載荷，載荷-應(yīng)變曲線(xiàn)表現(xiàn)為線(xiàn)性，各點(diǎn)應(yīng)變相近；載荷到達(dá)屈曲載荷后，進(jìn)入第二階段，結(jié)構(gòu)發(fā)生整體屈曲，可表現(xiàn)為一面內(nèi)凹一面外凸，即中間各點(diǎn)一面為拉應(yīng)變，另一面為壓應(yīng)變，如圖10中WYS-c/W-YS-e兩線(xiàn)所示。整體屈曲階段也可表現(xiàn)為部分子層向兩邊張開(kāi)，中部各點(diǎn)均為拉應(yīng)變，相同點(diǎn)是纖維發(fā)生明顯彎曲，載荷不再明顯上升。

由于結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)性，修理板各組應(yīng)變差異逐漸增大。圖10中DT-YS-a/ DT-YS-b分別為修理側(cè)/完好側(cè)在1，2兩點(diǎn)的載荷-應(yīng)變曲線(xiàn)，在初始階段表現(xiàn)為線(xiàn)性，應(yīng)變相近，表示結(jié)構(gòu)主要承受壓縮載荷；在屈曲階段，堆填修理區(qū)凹陷，另一面突起，壓彎耦合效應(yīng)導(dǎo)致完好側(cè)端部承受比損傷側(cè)更大的載荷，導(dǎo)致a曲線(xiàn)表現(xiàn)為上揚(yáng)，b曲線(xiàn)更快下降，a、b曲線(xiàn)取平均后與完好板同位置載荷-應(yīng)變曲線(xiàn)相近。DT-YS-d/DT-YS-c分別為修理區(qū)內(nèi)部和修理區(qū)兩側(cè)母板的應(yīng)變載荷曲線(xiàn)，應(yīng)變變化趨勢(shì)相同，但修理區(qū)內(nèi)部應(yīng)變更大，表示修理區(qū)填料具有比母板更小的剛度。DT-YS-e為試件完好側(cè)中部應(yīng)變的曲線(xiàn)，與DT-YS-c、DT-YS-d對(duì)比可知，試件發(fā)生了修理側(cè)凹陷，完好側(cè)凸出的屈曲模式。

對(duì)于無(wú)損傷壓縮實(shí)驗(yàn)，破壞模式有兩種，一種主要表現(xiàn)為分層，即在壓縮過(guò)程中試件中部發(fā)生多處明顯分層，兩側(cè)子層向外鼓起，分層不斷擴(kuò)展并最終失去承載能力。卸載后，試件恢復(fù)平直，裂紋閉合，正反兩面表面層無(wú)明顯損傷，如圖11（a）所示。另一種表現(xiàn)為整體屈曲，即在壓縮過(guò)程中試件向一側(cè)凹陷，載荷上升十分緩慢，但試件不發(fā)生目視可見(jiàn)分層，最終發(fā)生承壓面壓潰和整體折斷。卸載后，試件保持彎曲狀態(tài)，如圖11（b）所示。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是完好層合板沒(méi)有薄弱側(cè)，且層合板厚度與整體尺寸相比不是很小，破壞萌生位置和纖維彎曲方向具有一定的隨機(jī)性。對(duì)于修理層合板，加載過(guò)程中均發(fā)生修理側(cè)凹陷的整體屈曲，修理區(qū)首先壓潰，最終承壓面壓潰，結(jié)構(gòu)失效，如圖11（c）所示。這說(shuō)明整個(gè)修理結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)仍出現(xiàn)在堆填修理區(qū)，如采取壓縮強(qiáng)度更高的填料，可以進(jìn)一步提高強(qiáng)度恢復(fù)率。

表2 壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of buckling unrestrained compression test

3 結(jié)論

（1）堆填含碳短纖維的膠黏劑的注膠修理方式，可以部分地恢復(fù)半穿透損傷層板的強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度恢復(fù)率為73.7%，壓縮強(qiáng)度恢復(fù)率為77.4%。

（2）層合板半穿透損傷造成的兩側(cè)剛度不同和應(yīng)力集中效應(yīng)對(duì)軸向拉伸和壓縮性能造成明顯影響；經(jīng)注膠修理后，層板的應(yīng)力集中與不對(duì)稱(chēng)性問(wèn)題緩解，承載能力增加。

（3）修理后結(jié)構(gòu)在拉伸作用下破壞模式為填料與母板均在中部斷裂，或填料脫粘與母板中部斷裂，壓縮屈曲模式為修理區(qū)一側(cè)凹陷。表明填料剛度低于母板剛度，修理效果主要取決于填料本身的強(qiáng)度和填料與母板的粘接情況。

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