挖補修理對復(fù)合材料層合板拉伸性能的影響

紀(jì)朝輝，劉闊，李娜，于鴿

（中國民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點實驗室，天津300300）

挖補修理對復(fù)合材料層合板拉伸性能的影響

紀(jì)朝輝，劉闊，李娜，于鴿

（中國民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點實驗室，天津300300）

挖補修理是一種先進(jìn)的復(fù)合材料層合板損傷修理技術(shù)，分為斜接法和階梯法兩種類型。本文研究不同修補結(jié)構(gòu)對斜接法挖補修理試驗件力學(xué)性能的影響。對斜接法楔形砂磨斜坡比率為1：10、1：20、1：30和1：40的復(fù)合材料層合板修理試驗件的拉伸性能進(jìn)行了研究，同時總結(jié)了斜接法修理后試件的斷裂位置特征。結(jié)果表明：斜接法斜坡比率為1：30的挖補修理試件的抗拉強度最好，外加補片會提高試件的抗拉強度，外加補片層數(shù)2層為宜。斷裂類型主要有脫膠斷裂和補片斷裂。

復(fù)合材料；損傷修理；挖補法；斜坡比率

復(fù)合材料較金屬材料相比，具有比強度、比模量高，耐疲勞、抗腐蝕性好等優(yōu)點[1-3]，在軍事、航空航天、信息技術(shù)、能源工程、海洋工程及民用建筑交通運輸?shù)阮I(lǐng)域大量使用，為中國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)起到了不可替代的作用[4-7]。

目前，復(fù)合材料已大量運用在民用航空領(lǐng)域，復(fù)合材料構(gòu)件所占重量的百分比已經(jīng)成為飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計先進(jìn)性水平的重要指標(biāo)之一。由于上述的廣泛應(yīng)用，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的強度問題成為主要研究方向之一，并且復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷也受到廣泛關(guān)注。

飛機在服役期間易受到冰雹、鳥撞、跑道沙石等物體的沖擊，飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在裝配過程中，由于非設(shè)計載荷、異物撞擊、施工環(huán)境等，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件也很容易出現(xiàn)脫膠、腐蝕、進(jìn)水（蜂窩板構(gòu)件）、撞擊、撕裂等內(nèi)部缺陷和損傷，由于層壓板結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料耐沖擊性能低，復(fù)合材料具有顯著各向異性的特性，在損傷、失效等方面表現(xiàn)為機理復(fù)雜、現(xiàn)象多樣、判別困難，特別是低速沖擊下，較難目測復(fù)合材料的損傷情況，因此受損部位要經(jīng)常檢查并予以及時的修理。但是，如果復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件一旦出現(xiàn)損傷就立即更換這些損傷構(gòu)件，這將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此如何對這些缺陷和損傷進(jìn)行修理，以恢復(fù)結(jié)構(gòu)的強度、剛度是迫切需要解決的問題。復(fù)合材料損傷修理技術(shù)也隨之倍受關(guān)注[8]。

復(fù)合材料的損傷修理可以用多種方法來實現(xiàn)，一般常用的是貼補法和挖補法，挖補法修理是一種永久性的修理方法，目前飛機維修中多采用這種方法，挖補方法的修理因打磨方式不同，又分為斜接挖補和階梯形挖補[9]。隨著復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)件上使用比例的提高以及種類的多樣化，復(fù)合材料對其修理技術(shù)的要求也更加嚴(yán)格[10]。挖補修理是目前最有效的修理方法，也是一種長久修理，因為粘接補片在承重補片上的重量施加最小并且重量均勻地分配在粘接補片上[11]。

本文采用斜接挖補法，對不同修補結(jié)構(gòu)的試驗件進(jìn)行修理實驗和修理后的力學(xué)性能研究，旨在得到不同修補結(jié)構(gòu)對斜接修補件的拉伸性能影響。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

基體材料和修理材料均采用玻璃纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸布，修補界面粘接膠膜為中溫固化結(jié)構(gòu)膠粘劑，進(jìn)口。

1.2 實驗方法

1.2.1 層合板固化成型

把玻璃纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸布裁剪成所需尺寸，按照[0]10方式進(jìn)行鋪層，抽真空后放入熱壓罐成型，溫度為121.11℃，壓力為3.07 MPa，時間為150 min，固化成型后機加工成待修補試件。

1.2.2 試件的修理

預(yù)置缺陷，按照1：10～1：40的比例進(jìn)行楔形打磨，將缺陷部位打磨掉，如圖1所示。用150號砂紙在修補區(qū)域輕輕打磨出粗糙度。

圖1 楔形砂磨的形狀照片F(xiàn)ig.1Composite laminates after wedge-shaped sanding

對缺陷進(jìn)行修理，本文采用斜接挖補修理，將楔形斜面用丙酮去除表面油污，然后鋪上膠膜，將預(yù)浸布以階梯形逐層粘貼到打磨區(qū)域，修理層數(shù)和鋪層方向與原試件一致。

將修理好的試件用HCS9000B熱補儀進(jìn)行固化，固化時真空度不低于0.075 MPa，固化成型后試件如圖2所示。

圖2 修理后的實物照Fig.2Repaired composite laminates

1.2.3 拉伸試件的制備及拉伸試驗

修理后，把層合板機加工成型為所需拉伸試驗樣條，如圖3所示，以備使用。

圖3 拉伸試驗件Fig.3Sketch map of scarf repaired sample

采用型號為CSS-3910的拉伸試驗機，按照ASTM3039標(biāo)準(zhǔn)，對復(fù)合材料層合板修理試件進(jìn)行了靜力拉伸試驗，拉伸速度為2 mm/min，最大載荷100 kN。

采用型號為MIC00657蔡司光學(xué)顯微鏡，對拉伸斷裂后試件的斷裂面進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 斜接比率對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

斜接法斜坡比率的不同使其楔形砂磨的長度不同，從而導(dǎo)致修補材料層合板母板的粘接界面大小不同，最終會直接影響其修理后的力學(xué)性能，在此研究如圖3所示斜接比率在1：10～1：40范圍下的斜接挖補試件的抗拉強度。表1是不同斜接比率下的試件常溫靜力拉伸試驗結(jié)果。

通過對斜坡比率的對比分析發(fā)現(xiàn)，斜坡比率較小的試件其復(fù)合材料修理后力學(xué)性能較低，主要是因為補片與基體粘接較短。隨著打磨斜接比率的增加，補片與基體的粘接長度增加，抗拉強度有所提高，如圖4所示抗拉強度隨著斜接比率的增加而增大，斜接比率1：30時抗拉強度最好，抗拉強度達(dá)到186.56 MPa。但斜接比率1：40時抗拉強度又有所降低，原因是打磨區(qū)域過長，打磨所造成的試件基體損傷已經(jīng)是修理所不可彌補的，因此復(fù)合材料抗拉強度下降。

表1 不同斜接比率下的試件常溫靜力拉伸試驗結(jié)果Tab.1Result of static tensile test of specimens with different slope ratio at room temperature

圖4 斜接比率與抗拉強度的關(guān)系Fig.4Relationship between tensile strength and slope ratio

2.2 外加補片層數(shù)對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

在修補區(qū)域外額外加貼補片會提高修補試驗件的抗拉強度。從表2可以看出，復(fù)合材料損傷修理后試件的抗拉強度隨著外部補片層數(shù)的增加而增大。加1層補片的試件恢復(fù)率比不加補片的試件恢復(fù)率增加了11％，加2層補片的試件恢復(fù)率比加1層補片的試件恢復(fù)率增加了3.07％。這說明外部補片層數(shù)的增加會明顯提高復(fù)合材料損傷修理后的抗拉強度，加2層外部補片的恢復(fù)強度效果并不明顯。加3層補片，其試件的抗拉強度略有下降。因此，對于3層或3層以上補片的研究并沒有實際意義。

表2 不同外加補片層數(shù)的試件常溫靜力拉伸試驗結(jié)果Tab.2Result of static tensile test of specimens with different external patch layers at normal temperature

2.3 斷裂位置及失效分析

復(fù)合材料在挖補修理后的拉伸試驗中，試件的斷口形貌與貼補修理的試件類型一致，主要的斷裂類型是脫膠斷裂和基體開裂，斷裂位置如圖5所示。圖5 （a）是補片與斜接基體脫膠，這也是本文拉伸試驗中居多的斷裂位置，因為中間補片處固化完好，強度與完整基體差距較小，所以，在界面處的位置變得比較薄弱，容易最先失效。圖5（b）中在外部的幾層補片也會斷裂。這是因為整個補片是逐層遞增的，外部的幾層補片較薄，容易斷裂，在斷裂的直線位置上，下面是基體，基體的整體強度較好且與補片屬于粘接而成并不是一個整體，因此補片處的裂紋擴展不到下面的基體上，而界面處的粘接強度低于基體，斷裂的走向沿界面展開。圖5（c）的斷裂位置在基體處，也是發(fā)生次數(shù)較少的位置。在這種情況下，補片與基體的粘接強度較好，補片加強了打磨斜接處基體的強度，因而在拉伸過程中基體會在斜接開始的位置產(chǎn)生裂紋，從而引發(fā)基體的撕裂。

圖5 挖補試件的典型斷裂位置Fig.5Typical fracture location of scarf specimen

表3中列出了各位置的斷裂類型及出現(xiàn)次數(shù)，恢復(fù)率是修理后試件的抗拉強度與完整補片的抗拉強度之比，當(dāng)補片和基體粘接不是很牢固時，斷裂類型以脫膠斷裂為主，當(dāng)補片與基體粘接較牢時，斷裂類型以基體撕裂為主。典型實例如圖6所示：圖6（a）為補片與斜接基體脫膠，斷裂面在接觸界面，試件分離成上下兩節(jié)；圖6（b）為脫膠與補片斷裂的混合斷裂，在界面處先發(fā)生脫膠，然后裂紋擴展，導(dǎo)致補片斷裂；圖6（c）為基體斷裂，此種修補較好，直接在試件中間處斷裂。

表3 修理后試件的拉伸斷裂類型及出現(xiàn)次數(shù)Tab.3Tensile fracture types and occurrence numbers of repaired samples

圖6 補試件的典型斷裂位置Fig.6Typical fracture location of scarf specimen

3 結(jié)語

本文研究了不同修補結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料層合板斜接法挖補修理試驗件力學(xué)性能的影響，主要包括斜坡比率和外部增加補片層數(shù)2個影響因素，并觀察和分析了斷裂的類型和斷口形貌，得到以下結(jié)論：在研究1：10～1：40這4個斜接斜坡比率中發(fā)現(xiàn)，隨著打磨比率的增加，補片與試件基體的粘接長度較長，抗拉強度有所提高，斜接比率1：30時抗拉強度最好，強度達(dá)到186.56 MPa。

挖補的修理工藝中，除了在試件打磨掉的缺陷處貼上與基體相同層數(shù)的補片外，在外部增加幾層加強片會使得整個試件的抗拉強度大大提升。試驗結(jié)果表明：在外部加上2層補片會比不加補片的強度提高14.11％，抗拉強度可達(dá)223 MPa。

修理后試件的斷裂位置主要集中在3處，主要斷裂類型為脫膠和基體斷裂。

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（責(zé)任編輯：黃月）

Tensile performance of bonded scarf repair of composite panel

JI Zhao-hui，LIU Kuo，LI Na，YU Ge
（Tianjin Key Lab of Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance，CAUC，Tianjin 300300，China）

Scarf repair of composite material has been proved to be an advanced repairing technology，which consists of beveled joint and ladder joint.The effect of different repairing structure on mechanical properties of beveled joint scarf repair is researched.The tensile properties of repaired composite laminating with slope ratios of 1:10，1:20，1:30 and 1:40 are studied respectively；meanwhile，the location of its fracture is summarized. The results show that the tensile strength of the scarf repaired specimen with the slope ratio of 1:30 is the best.Plus patch can improve the tensile strength of the specimen，and the appropriate number of the plus patch is 2.The fracture types mainly include degumming fracture and complement-chip fracture.

composite materials；damage repair；scarf repair；slope ratios

V257；V267+.46

A

1674-5590（2013）03-0050-04

2012-07-09；

2012-09-03

中央高?；緲I(yè)務(wù)費專項基金項目（ZXH2010D023）

紀(jì)朝輝（1963—），男，吉林松原人，教授，碩士，研究方向為材料表面工程.