彭中亞 何大智 姚改成 黃璇璇 司艷

摘要：研究了損傷深度為0.5mm的膠接修復(fù)典型試驗件在不同溫度下的熱振綜合性能，綜合考核了溫度、振動、受力方向等參數(shù)對復(fù)合材料膠接修補件的影響。研究結(jié)果表明，修復(fù)件在230℃和280℃的共振條件下，試驗后修復(fù)區(qū)域膠粘劑與復(fù)合材料保持良好膠接狀態(tài)，能夠滿足外涵機匣的振動試驗要求，經(jīng)該膠粘劑膠接修復(fù)的復(fù)合材料試驗件具有較高的安全裕度。熱振綜合試驗可有效考核膠接修復(fù)后的膠接強度，驗證膠接修補的可靠性，為外涵機匣等復(fù)合材料構(gòu)件的修復(fù)提供了試驗考核理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；膠接修復(fù)；航空發(fā)動機；外涵機匣；熱振綜合性能

Keywords：composites；bonding repair；aero-engine；outer casing；thermal vibration performance

0 引言

聚酰亞胺樹脂基復(fù)合材料是目前耐溫最高、使用較為廣泛的結(jié)構(gòu)用樹脂基復(fù)合材料之一。它具有許多優(yōu)良性能，如機械性能和電性能良好，比強度和比剛度高，熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性較高，熱膨脹系數(shù)小，耐溶劑性、尺寸穩(wěn)定性好，易于成型形狀復(fù)雜的制件等[1-7]。國外已用其大量制造發(fā)動機、飛機、導(dǎo)彈、火箭等航空航天飛行器的耐高溫結(jié)構(gòu)部件[8，9]，對構(gòu)件減重有良好的效果。

BMP316聚酰亞胺樹脂復(fù)合材料[10]能在280℃～316℃溫度范圍長期工作，短期可以達(dá)到350℃以上，具有良好的力學(xué)性能和成形工藝性，能夠滿足工程應(yīng)用的需要，達(dá)到美國PMR15型聚酰亞胺樹脂基復(fù)合材料的技術(shù)水平。T300/ BMP316復(fù)合材料已用于某航空發(fā)動機外涵機匣。

目前，復(fù)合材料外涵機匣表面損傷的主要修理工藝采用膠接修復(fù)，但缺少對修復(fù)后的復(fù)合材料基于發(fā)動機服役環(huán)境的性能考核方法。本文依據(jù)某型航空發(fā)動機復(fù)合材料外涵機匣的工作溫度、工作特點以及發(fā)動機的振動特性，綜合考慮溫度、振動、受力方向等影響因素，設(shè)計開發(fā)了一套適用于復(fù)合材料外涵機匣膠接修復(fù)件的熱振綜合性能考核方法，以驗證膠接修復(fù)的可靠性。

1 試驗部分

1.1 原材料

試驗件：T300/BMP316復(fù)合材料，中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)。

修復(fù)材料：改性環(huán)氧樹脂膠粘劑，膠粘劑由甲乙兩組分構(gòu)成，甲組分為深棕色黏稠液體，乙組分為白色粉末，甲乙組分的質(zhì)量配比為（100±20）：（60±10）。

1.2 試驗設(shè)備及連接

熱振綜合試驗臺，由北京航天希爾測試技術(shù)有限公司生產(chǎn)，包括振動臺、高溫試驗箱以及配套儀器設(shè)備，主要設(shè)備如表1所示。

為滿足本次振動試驗230℃和280℃高溫環(huán)境的需求[11]，在振動臺上安裝了溫度環(huán)境箱，設(shè)備的連接和系統(tǒng)安裝如圖1所示。

1.3 試驗件制備

制備120mm×100mm×2.6mm的試驗件，并在試驗件中心位置加工Ф30mm×0.5mm的盲孔，如圖2所示。按要求制備改性環(huán)氧樹脂膠粘劑，將其涂覆于試驗件盲孔處，并將涂覆后的試驗板在130±5℃條件下固化5h±2h，得到修復(fù)試驗件2件。

1.4 試驗件測量

1）固有頻率測量

在試驗件中心位置布置1個加速度傳感器作為監(jiān)測點，記錄常溫正弦掃頻試驗過程中監(jiān)測點的振動響應(yīng)值，并通過與控制點振動值進行比較，計算得到傳遞函數(shù)，從而確定一階固有頻率f。

2）應(yīng)變測量

在試驗件上膠接區(qū)域均布粘貼8個單向應(yīng)變片，在膠接區(qū)域中心粘貼1個應(yīng)變花，其中應(yīng)變花包括3個應(yīng)變片，所有應(yīng)變片分別按1#～11#進行編號，以此獲得振動試驗過程中的應(yīng)變情況。

1.5 振動試驗

振動試驗在3T振動試驗臺上進行，試驗件在Z方向進行振動，試驗溫度為230℃和280℃。試驗過程參照GJB150.16A-2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第16部分：振動試驗》標(biāo)準(zhǔn)實施。為加嚴(yán)考核試驗件中心的膠接修復(fù)區(qū)域，本次振動試驗在試驗件共振頻率下進行，以此保證修復(fù)區(qū)域在服役后不會因為發(fā)動機振動而脫落。

2 試驗過程與結(jié)果分析

2.1 230℃振動試驗

將1#試驗件安裝于振動臺，在常溫環(huán)境下利用3T振動試驗臺對試驗件進行正弦掃頻試驗，試驗控制曲線及監(jiān)控點傳遞函數(shù)曲線如圖3所示。試驗件一階固有頻率為610Hz。

在常溫環(huán)境下，利用3T振動試驗臺在610Hz頻率處對試驗件進行定頻振動試驗，如圖4所示，并在振動過程中采集試驗件上的應(yīng)變數(shù)據(jù)（見表2）。確定了在610Hz處以8.2g加速度激振時，試驗件上9#應(yīng)變片在610Hz頻率處應(yīng)變有效值率先達(dá)到100με。

將1#試驗件放置于振動試驗臺，然后加熱高溫試驗箱至230℃，隨后振動臺在610Hz以8.2g加速度進行5h定頻振動，控制曲線如圖5所示。

振動試驗后1#試驗件修復(fù)區(qū)域未產(chǎn)生開裂、剝離和脫落，用超聲波檢測未發(fā)現(xiàn)異常，同時發(fā)現(xiàn)修復(fù)區(qū)域和試驗件其他區(qū)域均變?yōu)楹稚?。上述振動試驗表明，在整個230℃振動過程中，膠粘劑與復(fù)合材料基體間的結(jié)合狀態(tài)未隨著振動試驗的進行而發(fā)生改變，一直保持著最初的良好膠接狀態(tài)。表明該改性環(huán)氧膠粘劑具有良好的膠粘強度，能夠滿足外涵機匣在230℃下振動環(huán)境的要求。

2.2 280℃振動試驗

將2#試驗件安裝于振動臺，在常溫環(huán)境下利用3T振動試驗臺對試驗件進行正弦掃頻試驗，試驗控制曲線及監(jiān)控點傳遞函數(shù)曲線如圖6所示。試驗件一階固有頻率為666Hz。

在常溫環(huán)境下，利用3T振動試驗臺在666Hz頻率處對試驗件進行定頻振動試驗，如圖7所示，并在振動過程中采集試驗件上的應(yīng)變數(shù)據(jù)（見表3）。確定了在666Hz處以10.6g加速度激振時試驗件上6#應(yīng)變片在666Hz頻率處的應(yīng)變有效值率先達(dá)到100με。

將2#試驗件放置于振動試驗臺，然后加熱高溫試驗箱至280℃，隨后振動臺在666Hz以10.6g加速度進行5h定頻振動，控制曲線如圖8所示。

振動試驗后2#試驗件修復(fù)區(qū)域未產(chǎn)生開裂、剝離或脫落，用超聲波檢測未發(fā)現(xiàn)異常，同時發(fā)現(xiàn)修復(fù)區(qū)域和試驗件其他區(qū)域均變?yōu)榘岛谏Ｉ鲜稣駝釉囼灡砻鳎谡麄€280℃振動過程中，膠粘劑與復(fù)合材料基體間的結(jié)合狀態(tài)未隨著振動試驗的進行而發(fā)生改變，一直保持著最初的良好膠接狀態(tài)。表明該改性環(huán)氧膠粘劑具有良好的膠粘強度，能夠滿足外涵機匣在280℃下振動環(huán)境要求。

3 結(jié)論

本文設(shè)計的熱振綜合試驗考核了膠接修復(fù)的復(fù)合材料典型件在模擬發(fā)動機工況條件下的膠接可靠性，得出以下結(jié)論：

1）某改性環(huán)氧樹脂膠粘劑修復(fù)的試驗件，能夠承受230℃和280℃的高溫環(huán)境，試驗后無燒蝕、無脫落、無分層，此膠粘劑能滿足某航空發(fā)動機外涵機匣的耐溫要求；

2）修復(fù)件在230℃和280℃的共振條件下，試驗后修復(fù)區(qū)域膠粘劑與復(fù)合材料保持良好的膠接狀態(tài)，能夠滿足外涵機匣的振動試驗要求，采用該膠粘劑膠接修復(fù)的復(fù)合材料試驗件具有較高的安全裕度；

3）熱振綜合試驗可有效考核膠接修復(fù)后的膠接強度，為外涵機匣構(gòu)件的修復(fù)提供試驗考核理論依據(jù)。

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