蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)粘接修理研究

孫海霞，崔愛永，戴京濤，蘇洪波，魏華凱

(海軍航空大學 青島校區(qū)，山東 青島 266041)

蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)是近年來廣受關(guān)注的一種新型復合材料。它是由上下兩層大強度的薄板和中間一層玻璃纖維或者復合材料制成的芯子組成(見圖1)，上下兩層面板和中間的芯子通過膠接或焊接連接。其面板是主要的受力部件，芯子起到分隔和支撐上下兩面板的作用，并且可以承受面板內(nèi)部產(chǎn)生的剪應力[1]。蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)可以由很多材料制成，蜂窩芯子按其材料的不同可分為鋁蜂窩、玻璃蜂窩和芳綸紙蜂窩等，面板材料有鋁合金、鈦合金、不銹鋼和玻璃鋼等復合材料。蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)除具有傳統(tǒng)復合材料的大多數(shù)優(yōu)點外，還具有耗材少、成本低、面積大、質(zhì)量輕、可循環(huán)和耐高溫等優(yōu)點[2-3]。因此，飛機復合材料結(jié)構(gòu)件大多數(shù)采用蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，如雷達罩、客艙地板、各類裝飾面板、各類整流罩、操縱舵面和梁腹板等[4]。隨著飛機結(jié)構(gòu)上蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的大量使用以及對飛機使用壽命要求的不斷提高，蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)受損修理問題正成為目前航空領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問題。

圖1 蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)

目前，膠接蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)件的損傷大概可分為5類[5]：表面損傷、脫粘損傷、單側(cè)面板損傷、穿透損傷和內(nèi)部積水。這些損傷中，穿透損傷最為嚴重，修補難度最大，需要用挖補法進行修補。針對蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)損傷后修理問題，國內(nèi)外學者已經(jīng)進行了廣泛的研究[6-8]。汪海等[9]對受損傷復合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的單側(cè)挖補、單側(cè)加襯挖補和雙面貼補修理方法進行了研究，得出了復合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)修補后的剛度和強度變化規(guī)律；李劍峰等[10]對復合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)單面貼補的彎曲性能進行了試驗研究和數(shù)值分析；曾建江等[11]研究了不同夾芯復合材料夾層結(jié)構(gòu)的剪切破壞行為。本文以試驗研究為主，探究用挖補法修補芳綸紙蜂窩單側(cè)面板和芯子損傷后夾芯結(jié)構(gòu)的抗沖擊和抗壓縮性能，采用控制變量法探究不同尺寸鋪層面板、不同樹脂膠和不同蜂窩緊密程度3種試驗因素對修理效果的影響，以探究最佳修理方案，期望對外場修理工作起到指導作用，提高外場修理工作效率。

1 試驗

1.1 試驗設(shè)備和材料

試驗設(shè)備：落錘沖擊試驗機、壓縮試驗機和電熱鼓風干燥箱。

試驗材料：芳綸紙蜂窩、玻璃纖維布、環(huán)氧樹脂、聚酰胺樹脂、固化劑、特種潤滑脂、玻璃棒、膠層塑料刮板、一次性橡膠手套、一次性塑料紙杯、裁紙刀、尺子、剪刀、記號筆和游標卡尺。

1.2 試驗方案

試驗方案是采用控制變量法，將面板的尺寸、蜂窩替芯緊密度以及膠層的類型作為變量，通過這3個變量的不同排列組合，制定了7個不同修補方案，每個方案準備6個試件，另外需要準備6個完好的試件與修補試件進行對比，一共48個試件(見表1)。每個方案取3個試件進行落錘沖擊試驗，另外3個試件進行壓縮試驗。最后，量取并記錄落錘沖擊試驗后的試件損傷的尺寸和深度數(shù)據(jù)，讀數(shù)并計算壓縮試驗后試件的最大承受壓力和最大應力。

表1 試驗方案

1.3 試件制備

本試驗需要制備48塊邊長為80 mm的正方形蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)試件。試件的面板采用鋪層為3層的玻璃纖維布，中間膠層使用環(huán)氧樹脂加入固化劑調(diào)制的膠或者聚酰胺樹脂加入固化劑調(diào)制的膠。其中，環(huán)氧樹脂與固化劑的配制比例為4∶1，聚酰胺樹脂與環(huán)氧樹脂的配制比例為1∶1。挖去蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)試件中一塊邊長為40 mm的正方形區(qū)域(見圖2)，剩余部分應保證切口邊緣不產(chǎn)生蜂窩芯子與面板脫粘，損傷底部的面板應盡量把殘余的蜂窩芯子剔除，使底部平整。

圖2 損傷試件

受損傷試件的未損傷面板內(nèi)側(cè)涂抹膠，把裁剪好的40 mm×40 mm的芳綸紙蜂窩輕輕放進受損部位，保證芳綸紙蜂窩上方與未損傷的芳綸紙蜂窩芯子齊平，保證玻璃纖維布完全覆蓋住損傷，100 ℃高溫固化2 h，修補好的試件如圖3所示。

圖3 修補好的試件

2 試驗數(shù)據(jù)分析

2.1 沖擊試驗數(shù)據(jù)分析

沖擊試驗得到的試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 沖擊試驗數(shù)據(jù)

通過試驗數(shù)據(jù)的比較和對沖擊后試件的觀察有如下發(fā)現(xiàn)。

1)所有試件修補后的抗沖擊性能均可恢復或者近似恢復試件完好時的抗沖擊性能。

2)矩形面板受沖擊后，尺寸短的一側(cè)容易脫粘，也更容易出現(xiàn)裂紋，而用正方形面板修補的試件受沖擊后，四周不容易出現(xiàn)脫粘和裂紋。因為受沖擊時，正方形的面板受力比較均勻，不會形成較集中的應力，所以使用正方形面板修補的試件其抗沖擊性能要優(yōu)于矩形面板修補的試件。

3)使用更緊密的蜂窩對試件進行修補后，其抗沖擊性能要明顯優(yōu)于與損傷尺寸相同的蜂窩進行修補的試件。這主要是因為相同體積下，緊密蜂窩替芯的密度更大，蜂格多，當錘頭落下時，單位面積內(nèi)會有更多的蜂格來承受沖擊。

4)2種不同的膠對修補后試件的抗沖擊性能影響效果不是很明顯。

2.2 壓縮試驗數(shù)據(jù)分析

壓縮試驗得到的試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 壓縮試驗數(shù)據(jù)

通過試驗數(shù)據(jù)的比較和對沖擊后的試件觀察有如下發(fā)現(xiàn)。

1)方案1和方案5沒有超過完好時的最大壓縮應力和低于完好時的最大壓縮應力。通過觀察壓縮后的試件和分析發(fā)現(xiàn)，矩形面板在接受壓縮時，當壓力增大到一定值時，短邊一側(cè)的蜂窩替芯會提前失效出現(xiàn)斷裂，導致整個試件受力不均勻，整個試件的最大承受壓力就達不到修復前的水平。方案2～方案7的最大承受壓力和最大壓縮應力均超過修復前水平，是因為修補后試件損傷處的面板要高于正常區(qū)域的面板，高處的部分是膠層和修補的面板，這兩部分在進行壓縮時先受力，它會將受到的壓力勢能部分轉(zhuǎn)化為彈性勢能和熱能，最后才是試件整體受力，所以在試驗結(jié)果上會表現(xiàn)為修復后的抗壓強度要超過完好時的抗壓強度。

2)蜂窩芯子的緊密程度對于修補效果具有十分明顯的影響。使用更緊密的蜂窩對試件進行修補后，其抗壓縮性能要明顯優(yōu)于與損傷尺寸相同的蜂窩進行修補的試件，并且更緊密蜂窩對試件抗壓縮性能的影響要大于矩形玻璃纖維布面板。

3)2種不同的膠對修補后試件的抗壓縮性能影響較為明顯。

3 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)試件修補后的抗沖擊性能能夠恢復到或者近似恢復到試件完好時的抗沖擊性能；并且使用正方形面板、緊密的蜂窩芯子和環(huán)氧樹脂膠層修補的試件抗沖擊性能最好。

2)試件修補后的抗壓縮性能能夠恢復到或者近似恢復到試件完好時的抗壓縮性能；并且使用正方形面板、緊密的蜂窩芯子和聚酰胺樹脂膠層修補的試件抗壓縮性能最好。

希望這些規(guī)律和結(jié)論能夠?qū)︼w機上芳綸紙蜂窩部件的修理起到指導作用。在今后的研究中，能夠更進一步探究和改進芳綸紙蜂窩的修補工藝，采用更加先進修理技術(shù)去探究膠層固化時間、鋪層數(shù)量對于修補效果的具體影響。