纏繞復(fù)合材料不同損傷形式的修補(bǔ)工藝研究

易 偉

(長(zhǎng)沙晶優(yōu)新材料科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

樹(shù)脂基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度、比模量高，性能可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，制件可整體成型等優(yōu)點(diǎn)，是目前發(fā)展最迅速、應(yīng)用最廣泛的復(fù)合材料[1-4]。運(yùn)用復(fù)合材料制備的零部件，即使是大型的制件也能實(shí)現(xiàn)一次成型。從而使部件中零件的數(shù)目明顯的減少，避免了接頭過(guò)多，顯著的降低了應(yīng)力集中，減少了制造工序和加工量，大量節(jié)約原材料。樹(shù)脂基復(fù)合材料以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在許多工業(yè)領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用[5-7]。

由于復(fù)合材料制備和零件成型同時(shí)完成，因而在制備過(guò)程中的缺陷不可避免，碰傷、加工原因引起的損傷也是較常見(jiàn)的。據(jù)報(bào)道，低能碰撞產(chǎn)生的非可見(jiàn)損傷可使復(fù)合材料的強(qiáng)度降低35%～40%。由于復(fù)合材料的損傷形式與金屬材料顯著不同，因而不能簡(jiǎn)單的將傳統(tǒng)的修理方法直接應(yīng)用于復(fù)合材料的修理。采用不恰當(dāng)?shù)姆椒ㄐ蘩矸椒ㄌ幚恚貌坏胶玫男蘩硇Ч?，必須根?jù)其損傷的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的修補(bǔ)方法，特別要重視鋪層設(shè)計(jì)和修理設(shè)計(jì)。

在生產(chǎn)的某型號(hào)纏繞筒體時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分筒體尾端面局部開(kāi)裂；另外在后期制作中，部分筒體的尾端面有局部被碰傷、壓傷及加工損傷的現(xiàn)象，導(dǎo)致局部尺寸變形，因而必須進(jìn)行修復(fù)。通過(guò)相應(yīng)的技術(shù)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了不同的修補(bǔ)工藝，對(duì)筒體進(jìn)行修補(bǔ)。修復(fù)后的筒體的表觀接近原有水平，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用性能完全達(dá)到合格產(chǎn)品性能的要求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料、設(shè)備及工裝

樹(shù)脂體系：TDE-85環(huán)氧樹(shù)脂、E-51環(huán)氧樹(shù)脂、T-31固化劑、聚酰胺650韌性固化劑、間苯二甲胺促進(jìn)劑；

增強(qiáng)材料：有機(jī)氈、玻纖表面氈、短切高強(qiáng)紗、特種表面氈、特種纖維、滌綸表面氈；輔助原材料：聚乙烯醇、乙酸乙酯、丙酮、脫脂紗布、聚酯薄膜。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

首先從部件的類(lèi)型、損傷的類(lèi)型、損傷所影響的范圍和損傷的程度評(píng)估部件損傷。通過(guò)工藝實(shí)驗(yàn)最終確定操作簡(jiǎn)便、切實(shí)可行的修補(bǔ)方案。

1.2.1 層間開(kāi)裂修補(bǔ)試驗(yàn)

在分層區(qū)內(nèi)，距分層區(qū)邊緣一定距離處分別開(kāi)一個(gè)注膠孔和一個(gè)出膠孔，如圖所示：

圖1 注膠口分布示意圖Fig.1 Distribution diagram of injection ports

孔通過(guò)脫膠和分層處，使樹(shù)脂膠粘劑能注入分層處，但是，孔也不能太深，否則會(huì)造成新的人為損傷。

調(diào)整膠液體系中固化劑比例，作凝膠試驗(yàn)，將凝膠時(shí)間控制在30min左右，確保工藝人員有充裕的時(shí)間實(shí)施修補(bǔ)工藝。氣槍吹凈進(jìn)膠口部位，用注射器通過(guò)注膠孔把膠粘劑注入分層處，直到有膠粘劑從臨近的孔中溢出。這樣直到把所有的損傷處注滿，用壓敏膠帶封住各孔位，待固化后，清理修補(bǔ)表面。

1.2.2 加工損傷修補(bǔ)試驗(yàn)

采用兩件試驗(yàn)件，在尾端面模擬加工出斜面后。將試驗(yàn)件尾端面朝上直立，用水平尺找平尾端面，對(duì)尾端面修補(bǔ)部位進(jìn)行表面打磨處理，并用脫脂紗布浸漬乙酸乙酯清洗修補(bǔ)部位，使試件分子鏈中未反應(yīng)官能團(tuán)裸漏，膠黏劑修補(bǔ)二次固化時(shí)可以在分子層面達(dá)到無(wú)界面，滿足粘接要求。

用壓敏膠帶封好尾端面內(nèi)外徑(必須保證平整不皺)，防止修補(bǔ)過(guò)程中的滴落膠液污染制品表面。在專(zhuān)用加壓工裝表面涂刷聚乙烯醇脫模劑一層，涼置時(shí)間不低于24h。

按凝膠實(shí)驗(yàn)確定的比例配制膠液后，將膠液均勻的涂刷在修補(bǔ)端面上，隨后依次鋪放兩層表面氈，注意應(yīng)使表面氈均勻、充分的浸漬樹(shù)脂；于修補(bǔ)端面上放置加壓蓋板(注意保持平直狀態(tài))；用脫脂紗布浸漬不同清理溢流膠液，防止污染制品表面；修補(bǔ)制品經(jīng)至少24h的固化后方可拆除加壓工裝，進(jìn)行必要的表面處理；修補(bǔ)部位經(jīng)至少48h的充分固化后，可以進(jìn)行后續(xù)的機(jī)加工操作。

1.2.3 局部碰傷修補(bǔ)試驗(yàn)

本產(chǎn)品系由高強(qiáng)玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧/酸酐樹(shù)脂體系，利用纏繞工藝制備的柱形筒體[8-9]。局部碰傷部位一般在筒體表面，在清理時(shí)應(yīng)盡量避免損傷原增強(qiáng)材料，以盡量減少對(duì)強(qiáng)度的影響。采用兩件試驗(yàn)件，在表面及端面進(jìn)行模擬碰撞，使試驗(yàn)件出現(xiàn)與比產(chǎn)品更嚴(yán)重的損傷。如圖2。

圖2 碰撞損傷形式Fig.2 Collision damage pattern

在修補(bǔ)層和筒體間加膠膜，使二者能很好的粘接。如此可以最大限度的提高、恢復(fù)筒體的力學(xué)性能。

修補(bǔ)層數(shù)的確定：根據(jù)對(duì)切除區(qū)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定修補(bǔ)層數(shù)，公式如式1：

(1)

式1中：a為需要修補(bǔ)的層數(shù)，h為缺陷實(shí)際深度，k為修補(bǔ)系數(shù)，根據(jù)選用的增強(qiáng)材料和樹(shù)脂的不同取不同的值。如利用公式計(jì)算的值大于0.95，按一層計(jì)算，否則不記。

2 修補(bǔ)結(jié)果分析

在經(jīng)過(guò)修補(bǔ)的部分取樣，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，其結(jié)果如表1。

表1 不同損傷形式修補(bǔ)后性能Table 1 Performance after repair in different damage forms

由表1數(shù)據(jù)分析可知針對(duì)不同損傷形式進(jìn)行修補(bǔ)后的制件，拉伸性能及壓縮性能均能滿足設(shè)計(jì)值，修補(bǔ)工藝設(shè)計(jì)合理，后續(xù)也可為不同成型工藝的復(fù)合材料制件損傷提供參考。對(duì)比兩種性能，不同損傷修補(bǔ)的壓縮性能測(cè)試結(jié)果離散性較為穩(wěn)定，而拉伸性能離散性較大，分析可能是試樣在拉伸性能測(cè)試時(shí)，兩次成型的界面雖然有分子層面的交聯(lián)，但相對(duì)一次成型仍然較少，導(dǎo)致該處為薄弱點(diǎn)，而不同缺陷方式、缺陷面積、缺陷深度均會(huì)導(dǎo)致界面強(qiáng)度的不同。而壓縮性能測(cè)試時(shí)，試樣主要為纖維受力，界面對(duì)其影響較小。

3 結(jié)論

(1)本文根據(jù)復(fù)合材料纏繞成型制件在制備及使用過(guò)程中可能存在的層間開(kāi)裂、加工損傷及局部碰傷3種損傷形式，進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)及修補(bǔ)試驗(yàn)，修復(fù)后的筒體的表觀接近原有水平，工藝操作較為方便，可為后續(xù)其它復(fù)合材料修補(bǔ)提供了方案。

(2)在試驗(yàn)件模擬修補(bǔ)的基礎(chǔ)上，完成打尾螺套孔、攻絲、尾螺套粘結(jié)等后續(xù)工序。經(jīng)力學(xué)性能檢測(cè)及相關(guān)人員鑒定認(rèn)為：采用上述修補(bǔ)方案修補(bǔ)的試驗(yàn)件，尾端面均勻密實(shí)，而且具有與筒體其它部位相當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度，修補(bǔ)后的筒體滿足驗(yàn)收技術(shù)條件中對(duì)筒體儀器艙部位的強(qiáng)度要求。