復(fù)合材料結(jié)構(gòu)垂尾翼尖損傷挖補修復(fù)技術(shù)研究

王雪，邱蕾蕾

（國營蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241007）

0 引言

復(fù)合材料具有比強度高、比模量大、可設(shè)計性好、易于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化等優(yōu)點，因而在飛機(jī)設(shè)計上得到廣泛應(yīng)用[1]。復(fù)合材料在飛機(jī)上的用量和應(yīng)用部位已經(jīng)成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一[2]。大量的復(fù)合材料應(yīng)用到飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，不僅減輕了飛機(jī)機(jī)身的質(zhì)量，也改善了飛機(jī)飛行性能。然而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)也存在缺陷和損傷，這將大大降低結(jié)構(gòu)的承載能力。飛機(jī)在服役期間由于很多自然因素和人為的因素，會不可避免地受到一些沖擊，例如意外撞擊、鳥撞、冰雹等將導(dǎo)致復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損壞[3-5]。損傷若沒有及時采取措施對其進(jìn)行修理，將有可能造成不可想象的后果。因此，修理材料損傷已成為復(fù)合材料技術(shù)的重要研究內(nèi)容之一，對提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)性能和飛行安全性，降低運營成本具有重要意義[7]。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理的方法有很多，但是膠接修理成為飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理的主要方法[8]，膠接修理又分為挖補法與貼補法兩種。挖補修理是先把復(fù)合材料損傷部位挖掉再填補新的材料，修理工序較為復(fù)雜，修理后結(jié)構(gòu)強度恢復(fù)率較高，表面具有良好的氣動性能[9-10]。本文以某型飛機(jī)垂尾翼尖玻璃纖維增強樹脂基復(fù)合材料層板為研究對象，為了保證維修結(jié)構(gòu)的強度、載荷傳遞和原有氣動外形等，設(shè)計合理維修方案，針對修理材料選擇和修理結(jié)構(gòu)有效性進(jìn)行研究分析，開發(fā)適用于某機(jī)型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)垂尾翼尖損傷維修工藝技術(shù)。

1 試驗過程

1.1 復(fù)合材料層板制備

層板制備選用與某型飛機(jī)垂尾翼尖制造材料相同的SW220A/5222玻璃纖維增強樹脂預(yù)浸料，采用熱壓罐制備層板，固化制度如圖1所示。

圖1 層板制備固化制度

1.2 維修方案設(shè)計

某飛機(jī)垂尾在檢修期發(fā)現(xiàn)服役過程中損傷形式都較為嚴(yán)重，為了保證修理后結(jié)構(gòu)的強度、載荷平滑傳遞和原有氣動外形等性能達(dá)到適航要求，因此，設(shè)計采用膠接挖補修理技術(shù)對損傷結(jié)構(gòu)進(jìn)行修理。修理材料選擇：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理中修理材料選擇理論上應(yīng)與本體材料相一致，從而保持其力學(xué)性能、介電常數(shù)及物理性能等不發(fā)生較大的變化。但由于樹脂5222屬高溫固化體系，不僅外場施工難度大（如固化溫度達(dá)不到或溫度分布不均勻?qū)е虏荒芡耆袒葐栴}），且對修理周圍未損傷結(jié)構(gòu)變化影響帶來不確定影響，最終影響修理結(jié)構(gòu)質(zhì)量。因此，為了避免上述影響，本實驗選取一種中溫固化樹脂體系SW220A/3218的玻璃纖維增強樹脂預(yù)浸料作為修復(fù)材料。試樣損傷尺寸為25 mm，修理結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 修理結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 拉伸性能測試

拉伸性能測試依據(jù)ASTM D3039《聚合物基復(fù)合材料拉伸性能標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。試樣形狀和尺寸如圖3所示。拉伸性能測試試樣件分別為完好試驗件、損傷試驗件、膠接挖補玻璃纖維預(yù)浸料修理試樣（又稱干法修理）、膠接挖補玻璃纖維織物和樹脂混合修理試樣（又稱濕法修理）各5件，共20件。

圖3 拉伸試樣尺寸

1.4 彎曲性能測試

彎曲性能測試依據(jù)ASTM D7264《聚合物基復(fù)合材料彎曲性能標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。試樣形狀和尺寸如圖4所示，試驗件加載示意圖如圖5所示?？绾癖萀∶h=32∶1。彎曲性能測試試樣件同樣分別為完好試驗件、損傷試驗件、膠接挖補玻璃纖維預(yù)浸料修理試樣（又稱干法修理）、膠接挖補玻璃纖維織物和樹脂混合修理試樣（又稱濕法修理）各5件，共20件。

圖4 彎曲試樣形狀

圖5 彎曲試驗件加載示意圖

1.5 復(fù)合材料試樣修理

1.5.1 復(fù)合材料層壓板損傷去除

復(fù)合材料損傷去除是膠接挖補修理的第一步，也是至關(guān)重要的一道工序，損傷去除質(zhì)量將直接影響挖補修復(fù)效果?；陬A(yù)浸料固化后單層厚度約為0.21 mm，本試驗采用打磨機(jī)進(jìn)行損傷去除，打磨后試驗件如圖6、圖7所示。

圖6 層板拉伸打磨試驗件

圖7 層板彎曲打磨試驗件

1.5.2 補片制作、封裝和固化

修理材料鋪層角度與原試驗件材料鋪層角度一致，且在逐層完成鋪層后，在表面附加一層加強層，修復(fù)材料的裁剪形狀與打磨形狀保持一致。

鋪貼修復(fù)材料前需將待修復(fù)表面采用丙酮進(jìn)行除油處理，并干燥5～10 min。采用預(yù)浸料修復(fù)的試驗件，需在打磨區(qū)域鋪貼膠膜SY-24C，其鋪貼面積大小要比實際修復(fù)面積稍大。在常溫條件下，SY-24C膠膜黏性較小，不易與待修復(fù)表面相粘，故在鋪貼SY-24C膠膜的過程中需采用吹風(fēng)機(jī)對膠膜進(jìn)行適當(dāng)加熱并用刮板刮平，使膠膜與原試驗件緊緊相粘。采用玻璃纖維修復(fù)的試驗件，需按工藝要求配制J-168結(jié)構(gòu)膠，玻璃纖維鋪貼時，先在其表面刷涂一層薄薄的J-168結(jié)構(gòu)膠，并用刮板將玻璃纖維刮平，確保結(jié)構(gòu)膠完全浸潤玻璃纖維，防止出現(xiàn)貧膠區(qū)域。

真空袋在挖補試驗件固化過程中主要起到密封作用，真空度的高低直接影響著挖補試驗件的力學(xué)性能。封裝真空袋的輔助材料包括真空袋、脫模布、電熱毯及透氣氈等，材料鋪放順序示意圖如圖8所示。

圖8 真空袋封裝示意圖

預(yù)浸料挖補修理試驗件固化程序為：以升溫速率小于2 ℃/min，升溫至80 ℃±5 ℃，保持20 min；升溫速率小于2 ℃/min，升溫至130 ℃，保溫90 min；降溫速率小于1 ℃/min，降溫至50 ℃。

玻璃纖維挖補修理試驗件固化程序為：以升溫速率小于2 ℃/min，升溫至75 ℃±5 ℃，保持120 min；降溫速率小于1 ℃/min，降溫至50 ℃。

復(fù)合材料層壓板經(jīng)熱補儀修復(fù)固化后如圖9所示，試驗件固化后需對左右二側(cè)的殘余固化膠進(jìn)行清理。同時，采用Masterscan 380 超聲波探測儀對復(fù)合材料挖補試驗件進(jìn)行檢測，經(jīng)檢測無分層、脫粘等缺陷，修復(fù)效果較好。

圖9 復(fù)合材料挖補試驗件固化后示意圖

2 結(jié)果及討論

2.1 拉伸性能

本試驗采用鋁片作為加強片，加強片長寬均為56 mm，膠粘劑為J-349，80 ℃固化120 min。

拉伸試驗設(shè)備為微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)，如圖10所示，拉伸強度按式（1）進(jìn)行計算：

圖10 拉伸試驗示意圖

式中：Ftu為拉伸強度，MPa；Pmax為最大應(yīng)力，N；A為試驗前測得的試樣實際橫截面積。測試結(jié)果如圖11所示。

圖11 拉伸測試結(jié)果

從圖11中可以看出，完好試樣的拉伸強度均值為507.8 MPa。損傷試樣的拉伸強度與完好試樣相比顯著降低，拉伸強度均值僅為319.6 MPa；采用干法和濕法修理的試樣拉伸強度得到了一定程度的提高，且干法修理試樣的拉伸強度高于濕法修理試樣的拉伸強度；干法修理試樣的拉伸強度均值為465.6 MPa，恢復(fù)至完好試樣的91.69%；濕法修理試樣的拉伸強度均值為405 MPa，恢復(fù)至完好試樣的79.76%。在維修要求中滿足修理后結(jié)構(gòu)的拉伸強度不小于400 MPa，因此這兩種方法修理的試樣的拉伸強度均滿足要求。

2.2 彎曲性能

彎曲性能測試采用三點彎曲測試，如圖12所示，彎曲強度為

圖12 彎曲試驗示意圖

式中：σ為跨中外表面應(yīng)力，MPa；P為作用力，N；L為支持跨距，mm；b為梁的寬度，mm；h為梁的厚度，mm。

測試結(jié)果如圖13所示，從圖中可以看出，完好試樣的彎曲強度均值為511.4 MPa。損傷試樣的彎曲強度顯著降低，彎曲強度為191.4 MPa；采用干法和濕法修理后試樣的彎曲強度得到升高，且干法修理試樣的彎曲強度高于濕法修理試樣的彎曲強度；干法修理試樣的彎曲強度均值為413.2 MPa，恢復(fù)至完好試樣的80.80%；濕法修理試樣的彎曲強度為356 MPa，恢復(fù)至完好試樣的69.61%。在結(jié)構(gòu)修理中要求修理結(jié)構(gòu)的彎曲強度不小于380 MPa，因此，只有干法修理試樣的彎曲強度滿足結(jié)構(gòu)修理彎曲強度恢復(fù)要求。

圖13 彎曲測試結(jié)果

3 結(jié)語

針對某機(jī)型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)垂尾翼尖在服役過程中受到強氣流沖擊或沙粒等外來物撞擊下，發(fā)生風(fēng)蝕、纖維斷裂、掉塊、凹坑和分層等損傷，需在大修期間進(jìn)行永久性修理，本文針對修理材料、結(jié)構(gòu)特性及損傷類型進(jìn)行分析，設(shè)計維修方案，制備了與垂尾翼尖材料和鋪層結(jié)構(gòu)相同層板，采用干法和濕法對損傷結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修理，并對完好試樣、損傷試樣、干法修理試樣和濕法修理試樣的拉伸強度和彎曲強度進(jìn)行了測試，結(jié)果表明如下。

1）完好試樣的拉伸強度為507.8 MPa，損傷試樣的拉伸強度為319.6 MPa，相對完好試樣強度降低了37.06%；采用干法修理試樣的拉伸強度為465.6 MPa，拉伸強度恢復(fù)為完好試樣的91.69%；濕法修理試樣的拉伸強度為391 MPa，拉伸強度恢復(fù)為完好試樣的79.76%。

2）完好試樣的彎曲強度為511.4 MPa，損傷試樣的彎曲強度為191.4 MPa，相對完好試樣強度降低了62.57%；采用干法修理試樣的彎曲強度為413.2 MPa，彎曲強度恢復(fù)為完好試樣的80.80%；濕法修理試樣的彎曲強度為356 MPa，彎曲強度恢復(fù)為完好試樣的69.61%。

3）根據(jù)對某機(jī)型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)垂尾翼尖損傷修理要求拉伸強度不小于400 MPa，彎曲強度不小于380 MPa，因此干法修理可滿足某機(jī)型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)垂尾翼尖修理強度需求。