直升機(jī)復(fù)合材料修理及濕熱環(huán)境影響研究綜述

李俊婷，馬寶亮

(中航工業(yè)哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150066)

直升機(jī)復(fù)合材料修理及濕熱環(huán)境影響研究綜述

李俊婷，馬寶亮

(中航工業(yè)哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150066)

隨著纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在直升機(jī)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的不斷增加，復(fù)合材料修理技術(shù)已變得越來越重要。而且，直升機(jī)(尤其是海上飛行的直升機(jī))的飛行環(huán)境特別復(fù)雜，環(huán)境因素特別是濕熱環(huán)境會使復(fù)合材料的一些性能降低。綜述了復(fù)合材料的修理技術(shù)，包括預(yù)浸料和濕法鋪層修理及真空輔助樹脂轉(zhuǎn)移模塑成形(VARTM)補(bǔ)片修理；分析了濕熱環(huán)境對復(fù)合材料修理的影響。

直升機(jī)；復(fù)合材料；修理；濕熱環(huán)境

0 引言

由于纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量大、抗疲勞性能好、耐腐蝕性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，在直升機(jī)上已獲得了大量應(yīng)用。H360、S-75、BK-117和V-22等直升機(jī)均大量采用了纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，V-22“魚鷹”的復(fù)合材料用量約為3000kg，占結(jié)構(gòu)總重的45%左右，應(yīng)用部位包括機(jī)身、機(jī)翼、尾翼的大部分結(jié)構(gòu)以及發(fā)動機(jī)懸掛接頭和葉片緊固裝置。

眾所周知，直升機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的一個大的缺點(diǎn)是易受到低速沖擊損傷，如鳥撞、工具掉落等。一旦損傷被確認(rèn)，那么對于每一架直升機(jī)，就需要一個可靠的、經(jīng)濟(jì)的修理方法。樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修理方法主要有機(jī)械連接、膠接及混合連接[1]。機(jī)械連接是航空工業(yè)中最常用的方法。但是，對于纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料而言，機(jī)械連接不是最適合的方法，因?yàn)殂@孔將會切斷纖維，降低復(fù)合材料性能，并且脆性基體會出現(xiàn)應(yīng)力集中。另外，一些纖維增強(qiáng)復(fù)合材料會在連接件上產(chǎn)生電偶腐蝕，如碳纖維復(fù)合材料和鋁合金連接件。

焊接一般被用于連接兩個金屬結(jié)構(gòu)，但是，現(xiàn)在的航空工業(yè)對其已經(jīng)有了新的發(fā)展，可以使用一種熱塑性塑料(如Fortron PPS)實(shí)現(xiàn)兩個樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的焊接。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于新的G650商務(wù)飛機(jī)上，但是它在疲勞載荷下的性能還沒有完全弄清楚。

隨著樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，膠接已經(jīng)變得非常普遍。它們具有很多優(yōu)點(diǎn)，如低的應(yīng)力集中系數(shù)和好的抗疲勞性。失效保護(hù)能力的缺乏一直以來是膠接的一個主要問題，這阻止了它在航空結(jié)構(gòu)關(guān)鍵件上的應(yīng)用。盡管混合連接解決了這個問題，但是它犧牲了純膠接的一些優(yōu)點(diǎn)。

1 復(fù)合材料修理技術(shù)

選擇復(fù)合材料補(bǔ)片而不選擇金屬補(bǔ)片，主要是因?yàn)閺?fù)合材料補(bǔ)片提供了更好的結(jié)構(gòu)完整性，并且更容易進(jìn)行修理。而且，復(fù)合材料補(bǔ)片強(qiáng)度和剛度更大，節(jié)省重量和體積，防止裂紋起始和擴(kuò)展，具有更好的疲勞性能，阻止腐蝕，對于復(fù)雜構(gòu)型更易實(shí)施[2]。除了結(jié)構(gòu)優(yōu)勢之外，復(fù)合材料補(bǔ)片還具有修理成本低的優(yōu)勢。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修理方法有多種分類，如外場修理和工廠修理、無補(bǔ)片修理和有補(bǔ)片修理等，其中補(bǔ)片修理又包括預(yù)浸料修理和濕法修理等。

1.1 預(yù)浸料和濕法鋪層修理

對于挖補(bǔ)而言，在預(yù)浸料修理中，首先是按照挖補(bǔ)型腔對預(yù)浸料進(jìn)行切割，然后使用膠膜來制備補(bǔ)片，預(yù)浸料和膠膜通常都需要在溫度非常低的冰箱里存儲，以防止環(huán)境條件下的固化；在濕法修理中，干纖維織物通過浸漬工藝制備補(bǔ)片，樹脂同時(shí)充當(dāng)了膠黏劑。

從20世紀(jì)70年代開始，國外的學(xué)者就已經(jīng)對復(fù)合材料修理開展了研究。現(xiàn)今，復(fù)合材料修理從先進(jìn)的軍用飛機(jī)到排水管都有應(yīng)用。澳大利亞防衛(wèi)科學(xué)和技術(shù)組織(DTO)[3]的航空研究實(shí)驗(yàn)室對復(fù)合材料修理進(jìn)行了15年的試驗(yàn)。他們在戰(zhàn)斗機(jī)上使用硼/環(huán)氧樹脂補(bǔ)片，修理區(qū)包括：上翼蒙皮和鋼翼軸組件。研究表明：被修理的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、層壓板或夾層結(jié)構(gòu)，能夠達(dá)到較高的修理后強(qiáng)度與原始強(qiáng)度比(在80%-100%之間)。然而，需要由經(jīng)過高度訓(xùn)練的人員負(fù)責(zé)修理，以保證修理的一致性。Roh等人[1]表明：分別采用熱壓罐和真空固化進(jìn)行的挖補(bǔ)修理的拉伸強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度(ILSS)相同，這表明了外場設(shè)備上的這類修理的有效性。

Dehm等人[4]進(jìn)行了類似的研究，比較了濕法鋪層修理和預(yù)浸料修理技術(shù)。然而，預(yù)浸料修理的性能要比濕法鋪層修理的性能好，但是不可能總是采用熱壓罐進(jìn)行修理。研究發(fā)現(xiàn)：能夠經(jīng)受高溫但是可以在室溫固化的樹脂是復(fù)合材料修理的重要需求。Moutier等人[5]對幾種樹脂開展了研究，以便對碳/馬來酰亞胺結(jié)構(gòu)進(jìn)行外場修理。在進(jìn)行了搭接剪切試驗(yàn)后，他們發(fā)現(xiàn)，所有的樹脂都不能夠滿足所規(guī)定的要求。

在復(fù)合材料修理(如補(bǔ)片)中，失效常由出現(xiàn)在膠粘劑邊緣的剝離應(yīng)力所控制。因此，Sun等人[6]提出了單搭接。該設(shè)計(jì)的目的是消除邊緣的剝離應(yīng)力，并且將其轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。這種改進(jìn)幾乎使連接強(qiáng)度翻倍。Bhawesh等人[7]通過增加連接件改進(jìn)了航空工業(yè)上常用的失效保護(hù)混合連接。這種改進(jìn)激活了螺栓承載，使得連接更具有重量效率。

Liu等人[8]發(fā)現(xiàn)：對于修理，有一個最佳的補(bǔ)片厚度，當(dāng)補(bǔ)片不是“太硬以致分離或太柔軟以致沿孔邊失效”時(shí)，就是最佳厚度。

計(jì)算仿真表現(xiàn)出了與上述的結(jié)果相同的結(jié)果。Gu等人[9]進(jìn)行了一個數(shù)值仿真，使用了一個1層和4層的復(fù)合材料補(bǔ)片來修理一個單邊v-開口Al7075-T6試樣。研究表明：該修理將裂紋尖端(SIF)的應(yīng)力強(qiáng)度因子從1/6降到了1/20，裂紋開口位移(CMOD)減少了80。

可見，這兩種方法都需要固化，因此需要高溫和壓力來獲得補(bǔ)片壓實(shí)。而且，如果樹脂體系的粘度低、固化溫度低、固化時(shí)間短，那么挖補(bǔ)修理的制備成本低。然而，為了獲得與母結(jié)構(gòu)完全一致的修理補(bǔ)片，補(bǔ)片的材料選擇將會依賴于母結(jié)構(gòu)所使用的材料體系。

1.2 VARTM補(bǔ)片修理

國內(nèi)外的統(tǒng)計(jì)資料表明，在航空器全壽命費(fèi)用中，使用和維護(hù)保障費(fèi)高達(dá)50%以上，在航空器大面積采用整體化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)后，其維護(hù)和修理問題變得更加突出。為此，國外的一些研究人員開始致力于復(fù)合材料的快速低成本修理技術(shù)的研究。

在2010年，珀德尤大學(xué)驗(yàn)證了一個外場級的VARTM(真空輔助樹脂轉(zhuǎn)移模塑成形)修理技術(shù)[10]。試驗(yàn)使用了直升機(jī)上的典型的夾層板結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，該修理通過使用膠接的碳纖維補(bǔ)片恢復(fù)了夾層結(jié)構(gòu)的完整性。

VARTM補(bǔ)片修理技術(shù)是為CH-53K重型直升機(jī)而開發(fā)的[10]，該直升機(jī)是由西科斯基公司研制的。為了恢復(fù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和完整性，該修理技術(shù)被設(shè)計(jì)成快速修理，并且使用的設(shè)備很少。

VARTM補(bǔ)片修理技術(shù)的補(bǔ)片增強(qiáng)材料主要是碳纖維織物。該技術(shù)使用真空輔助樹脂轉(zhuǎn)移模塑成形(VARTM)對樹脂基復(fù)合材料進(jìn)行修理。一層平紋織物放在被修理復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和碳纖維織物之間，以便給樹脂流動提供空間[11]。

真空輔助樹脂轉(zhuǎn)移模塑成形技術(shù)是樹脂轉(zhuǎn)移模塑成形(RTM)技術(shù)的改進(jìn)。樹脂復(fù)合材料使用一個剛性模具進(jìn)行成形，以便實(shí)現(xiàn)零件的幾何構(gòu)型。另一方面，大氣壓力通過真空袋將纖維壓實(shí)。與其它的RTM工藝相比，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是其所獲得的纖維體積分?jǐn)?shù)高(大約為60%或更高)。因此，使用該技術(shù)生產(chǎn)的零件的剛度將會更好。圖1所示為VARTM工藝的示意圖。

圖1 VARTM 俯視圖[12]

選擇VARTM的原因是：與預(yù)浸料不同，原材料沒有存放期限，這是因?yàn)闃渲凸袒瘎┻€沒有被混合，因此不需要冷藏庫；另一方面，使用VARTM會比濕法鋪層工藝產(chǎn)生更高、更均勻的纖維體積分?jǐn)?shù)，因此使用該工藝會得到更高的力學(xué)性能。

到目前為止的研究結(jié)果已經(jīng)表明，VARTM修理與預(yù)浸料修理的結(jié)構(gòu)件性能一樣。眾所周知，在濕熱環(huán)境下，復(fù)合材料性能會退化，因此，清楚地理解其影響對于評估修理方法是非常必要的。

Coker等人[11]通過對能夠代表CH-53K結(jié)構(gòu)(見圖2)的板的制造和測試驗(yàn)證了VARTM修理技術(shù)。

圖2 被測試的CH-53K樣件[11]

2 濕熱環(huán)境對復(fù)合材料修理的影響

濕熱環(huán)境會使復(fù)合材料的力學(xué)和熱性能退化。這個現(xiàn)象背后的物理原因是熱溫度和吸濕對基體的影響。圖3所示為復(fù)合材料的退化。

圖3 退化因素總結(jié)[13]

研究表明：吸濕降低了基體的玻璃化溫度Tg，產(chǎn)生了溶脹應(yīng)力。這種現(xiàn)象與Tg附近的溫度結(jié)合可能會是一個災(zāi)難性的結(jié)合。

Baker等人[14]使用挖補(bǔ)補(bǔ)片修理了F-18的垂直安定面，他們在熱/濕中進(jìn)行了四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，結(jié)果表明，失效均勻地出現(xiàn)在低溫環(huán)境中測試的試樣的失效應(yīng)變的一半處。

研究表明，復(fù)合材料吸濕產(chǎn)生了溶脹誘導(dǎo)應(yīng)力，在其它情況下通過軟化釋放應(yīng)力。材料力學(xué)性能退化是一個與時(shí)間有關(guān)的過程。然而，Harper等人[15]表明，吸濕和解吸循環(huán)比單純吸濕對復(fù)合材料的力學(xué)性能更有害。這是因?yàn)閺?fù)合材料在干燥過程中出現(xiàn)拉伸應(yīng)力，在一些情況下，它可能引起小的脫膠，這會在后面的吸濕和解吸循環(huán)中產(chǎn)生新的吸濕表面。Harper等人還總結(jié)了吸濕的影響：吸濕量或解吸量是環(huán)境濕度和溫度的函數(shù)；如果吸濕量高，蠕變發(fā)生得更快；吸濕影響最大的力學(xué)性能是剪切和壓縮強(qiáng)度。

環(huán)氧膠黏劑容易吸濕，因?yàn)樗形肿拥挠H水基。對于一些聚合物和膠黏劑而言，吸收的水分可能成為增塑劑、溶劑或水解劑，如塑化和溶脹等一些影響是可逆的。膠黏劑在吸濕時(shí)的力學(xué)性能的降低，也會導(dǎo)致連接強(qiáng)度的降低。連接強(qiáng)度不會一直降低，而是會保持在一定水平上不變。Oudad等人[16]對60個老化的AdeckitA140拉伸試樣進(jìn)行了試驗(yàn)研究。這些試樣被浸在了蒸餾水中，溫度保持在30℃。結(jié)果表明：隨著吸水量增加，膠黏劑的機(jī)械阻抗大幅度降低；浸泡時(shí)間對膠黏劑的力學(xué)性能有很大影響；在第一天的浸泡之后，膠黏劑的拉伸強(qiáng)度降低很大，在15天的浸泡之后，該降低率達(dá)到了58%；在這個時(shí)間之后，膠黏劑的拉伸強(qiáng)度幾乎保持不變，因?yàn)槲_(dá)到了飽和；在30天的浸泡之后，膠黏劑變?yōu)橥耆苄?，其塑性?yīng)變超過了25%。

Murthy等人[17]研究了海上應(yīng)用的玻璃纖維/環(huán)氧樹脂、玻璃纖維/乙烯基酯、碳纖維/環(huán)氧樹脂、碳纖維/乙烯基酯復(fù)合材料的鹽水老化。研究發(fā)現(xiàn)(圖4)：乙烯基復(fù)合材料在與水有關(guān)的應(yīng)用中優(yōu)于環(huán)氧樹脂體系，前者吸水更少。擴(kuò)散系數(shù)和最大吸濕量如圖4所示。

圖4 海上應(yīng)用的不同樹脂體系吸濕試驗(yàn)結(jié)果[17]

不同力學(xué)性能如彎曲強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度如圖5所示[17]。最后，Murthy 等人通過SEM觀察，發(fā)現(xiàn)了纖維/基體脫膠。

圖5 左：彎曲強(qiáng)度，右：層間剪切強(qiáng)度[17]

Bradley等人[18]研究了7種不同復(fù)合材料在加壓、有鹽分的水里的吸濕。研究發(fā)現(xiàn)，與復(fù)合材料浸沒在有鹽分的水里或是在靜水壓力(3000 p.s.i.)下時(shí)相比，當(dāng)復(fù)合材料浸沒在純水里時(shí)，基體會吸收更多的水，這是因?yàn)辂}在復(fù)合材料表面的積聚減慢了擴(kuò)散過程。另一方面，加壓水被試樣的體積下降而抵消。Liao等人[19]發(fā)現(xiàn)：E-玻璃/乙烯基脂復(fù)合材料在高溫下的水吸收更快。然而，不久之后，其含水量甚至低于室溫試樣。

Deo等人[20]使用Fick理論模擬了環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的吸濕，并根據(jù)Fick擴(kuò)散理論將吸濕數(shù)據(jù)擬合為以下的方程：

式中：Mt是在任何指定的時(shí)間t的吸水量；Mm是平衡時(shí)的吸水量(飽和)；k和n是常數(shù)；k指的是試樣和水之間的交互作用，n指的是吸水方式。n=0.5，主要吸水方式是擴(kuò)散；n>=1，主要吸水方式是毛細(xì)作用和基體內(nèi)的微裂紋。

Elaldi等人[21]研究了挖補(bǔ)試樣的吸濕。研究發(fā)現(xiàn)：修理試樣比無損試樣平均多吸收0.5%的水。其原因之一是挖補(bǔ)的孔隙率高。在搭接剪切試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，濕法挖補(bǔ)的試樣的拉伸強(qiáng)度僅分別降低了7%(70℃)和12%(100℃)。將這些強(qiáng)度值與使用熱壓罐固化修理的試樣相比發(fā)現(xiàn)，最高的差異為10%，出現(xiàn)在干態(tài)/室溫條件下。鑒于兩個固化工藝的復(fù)雜水平和所需的設(shè)備，這個百分比值很低。

Moreno[10]對濕熱環(huán)境對VARTM補(bǔ)片的力學(xué)性能影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，當(dāng)溫度達(dá)到樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)(約110℃)，膠層的拉伸模量和極限拉伸強(qiáng)度呈指數(shù)下降；膠層內(nèi)吸濕量降低了修理的斷裂韌性。

3 結(jié)論及展望

綜上所述，隨著復(fù)合材料在直升機(jī)上的應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，復(fù)合材料修理技術(shù)的研究創(chuàng)新將會非常重要，特別是快速及低成本修理技術(shù)的開發(fā)以及環(huán)境因素尤其是濕熱環(huán)境對其的影響，將是直升機(jī)復(fù)合材料修理的重要研究方向。建議今后在以下幾個方面開展深入研究：

1)常溫存儲、低溫固化的復(fù)合材料體系；

2)熱壓罐外成型工藝和非傳統(tǒng)固化技術(shù)；

3)復(fù)合材料修理結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境中如濕熱、鹽霧等的吸濕量；

4)吸濕量對復(fù)合材料修理結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響關(guān)系。

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Review of Development of the Repair for Helicopter Composite Materials and Effects of Hydro-Thermal Environment

LI Junting, MA Baoliang

(AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co., Ltd., Harbin 150066, China)

With the increasing application of fiber reinforced resin composite materials in helicopter structures, repair technology of composite materials has becoming more and more important. Moreover, the fly environments of helicopters are very complex, in particular the helicopter flying over the sea. Environment, especial hydro-thermal environment, will make some properties of the composite material degrade. This paper reviewed the repair technology, including prepreg, wet layup and VARTM(Vacuum Assisted ResinTransfer Molding)repair; effects of hydro-thermal environment on the repair, the aim of which was to provide a reference for the development of the repair technology for helicopter composite materials.

helicopter; composite material; repair; hydro-thermal environment

2016-05-06

李俊婷(1969-)，女，黑龍江省青岡縣人，本科，工程師，主要從事技術(shù)圖書情報(bào)工作。

1673-1220(2016)04-064-05

V267+.46；V258

A