復(fù)合材料層合板修理結(jié)構(gòu)濕熱環(huán)境的彎曲性能

蘇景新，趙文昊，陳 棟，路鵬程

（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）

碳纖維增強(qiáng)樹脂基體復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度、可剪裁設(shè)計、結(jié)構(gòu)可整體成型等特點[1-3]。隨著復(fù)合材料技術(shù)應(yīng)用日漸成熟，采用高效便捷的維修工藝恢復(fù)航空器結(jié)構(gòu)完整性對提高航空器利用效率和安全性具有十分重要的意義[4]。

針對復(fù)合材料維修結(jié)構(gòu)與吸濕行為，相關(guān)學(xué)者展開了一系列研究：王躍等[5]探討了修補(bǔ)樣的裂紋尖端J積分的計算，并對裂紋拓展路徑進(jìn)行研究；Soutls 等[6]發(fā)現(xiàn)最優(yōu)搭接長度可使損傷結(jié)構(gòu)的壓縮強(qiáng)度恢復(fù)到無損時的80%；Bendemr 等[7]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膠接前維修表面濕度達(dá)到1.3%時，維修樣的總體強(qiáng)度急劇下降20%，且隨著濕度的增加，強(qiáng)度降低速率會明顯加劇。高溫吸濕環(huán)境會對材料的壓縮和層間剪切性能產(chǎn)生極為不利的影響。在濕熱環(huán)境下，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能出現(xiàn)波動起伏，這是溫度和濕度兩種因素共同作用的結(jié)果[8-9]。且濕熱環(huán)境條件下復(fù)合材料濕熱老化引起的性能變化有些是可逆的，有些是不可逆的[10]。

以上研究中的濕熱條件均為單獨的濕場、單獨的熱場或固定的濕熱場，研究對象多為未受損的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。然而飛行器服役期間，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)需耐受的環(huán)境遠(yuǎn)比實驗中復(fù)雜。選取復(fù)合材料修理結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)研究其在濕熱環(huán)境中的性能變化、失效形式和失效機(jī)理，為民用航空器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷修理提供較為合理的維修工藝技術(shù)方案，對民用航空器結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料的高效利用及經(jīng)濟(jì)性具有一定的工程意義。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

采用Henkel 公司生產(chǎn)的平紋織物型碳纖維苯并噁嗪樹脂預(yù)浸料（T300/BZ 9704）作為主要試驗材料，用于層板的制作及修理。此外，修理材料還包括碳纖維環(huán)氧樹脂預(yù)浸料（T300/EA 9396）、環(huán)氧樹脂膠膜（LOCTITE EA 9396）、苯并噁嗪樹脂膠膜（BZ 9691）。

1.2 試樣制備

采用熱壓罐工藝制備碳纖維苯并噁嗪樹脂基復(fù)合材料試板，如圖1所示。鋪層結(jié)構(gòu)為[0/90]8s，固化成型工藝為：由室溫升至185 ℃，升溫速率為1.5 ℃/min，保溫120 min，保持壓力0.62 MPa；然后以2 ℃/min 的降溫速率降至60 ℃，卸壓至常壓；依據(jù)ASTM D7264 測試標(biāo)準(zhǔn)[11]，試樣尺寸為165 mm×13 mm×4 mm，預(yù)制缺陷尺寸為10 mm×13 mm，設(shè)計打磨階梯比為1 ∶40，去除6 層；最后，安裝不同修理材料的補(bǔ)片，修復(fù)受損結(jié)構(gòu)，并使用不同方式進(jìn)行固化，恢復(fù)材料結(jié)構(gòu)的完整性。

圖1 膠接挖補(bǔ)修理示意圖Fig.1 Sample of scarf patch

根據(jù)修理工藝與試樣狀態(tài)的不同，對試樣進(jìn)行編號，如表1所示。

表1 試樣編號及變量參數(shù)Tab.1 Specimen sequence and variable parameters

1.3 孔隙率測試

孔隙的形成是由于試樣修理時補(bǔ)片鋪層過程中造成氣穴，補(bǔ)片與母板搭接處的空隙等缺陷在固化過程中不同程度的保留。

依據(jù)ASTM E1245 標(biāo)準(zhǔn)[12]對完好試樣和不同維修方案修理試樣進(jìn)行切割、鑲嵌和拋光處理，利用激光共聚焦顯微鏡進(jìn)行斷口分析，最后計算試樣的單位截面積孔隙率。

1.4 濕熱試驗

依據(jù)HB7401-1996 標(biāo)準(zhǔn)[13]，采用TW20 恒溫環(huán)境箱進(jìn)行濕熱處理。首先，將試樣放入70 ℃烘箱進(jìn)行干燥處理，直至試樣達(dá)到工程干態(tài)（試樣質(zhì)量每天減少不大于0.02%時的狀態(tài)）。設(shè)定恒溫環(huán)境箱溫度為71℃，將試樣置于恒溫環(huán)境箱，浸泡在去離子水中，每天定時取出稱重一次。吸濕增重率定義為

其中：wt為t 時刻試樣的質(zhì)量（g）；w0為試樣工程干態(tài)下的原始質(zhì)量（g）。

1.5 彎曲測試與表征

依據(jù)ASTM D7264 材料彎曲測試標(biāo)準(zhǔn)[11]，選擇1 ∶32的跨厚比，采用電子萬能材料試驗機(jī)Instron 5982 對表1中10 組試樣進(jìn)行彎曲性能測試，每組試驗件數(shù)量為6 個，彎曲夾持結(jié)構(gòu)如圖2所示（LS表示夾距，S為支點）。

最后，采用ZEISS Sigma 300 型掃描電子顯微鏡觀察彎曲失效試樣的斷口形貌，觀測前對斷口截面進(jìn)行噴金處理。

圖2 彎曲夾持示意圖Fig.2 Bending clamping diagram

2 實驗結(jié)果分析

2.1 孔隙率測定結(jié)果

圖3～圖4為完好試樣和不同維修方案修理試樣的孔隙和孔隙率分布圖?？梢钥闯?，修理后試樣的孔隙率明顯高于完好試樣，且孔隙多分布于修理補(bǔ)片上，孔隙率大小順序為：R-N-2＞R-M-2＞R-N-1＞RM-1＞U。

圖3 試樣孔隙分布Fig.3 Poredistribution of specimen

圖4 孔隙率數(shù)值變化Fig.4 Numerical variation of porosity

2.2 吸濕特性

各組試樣吸濕率變化如圖5所示?？梢钥闯觯嚇游鼭衤食蔬f增趨勢，并于第10 天時增勢減緩。各組試樣的吸濕率由高到低排序為：R-N-2＞R-M-2＞RN-1＞R-M-1＞U。其中：完好試樣吸濕率最低，第14 天時吸濕率為1.156%；R-N-2 修理試樣吸濕率始終較高，第14 天的吸濕率為1.478%。這是修理試樣中的孔隙率與樹脂親水基團(tuán)作用導(dǎo)致的吸濕率增高。

圖5 吸濕增重曲線Fig.5 Weight gain curve of moisture absorption

固化工藝方面，采用熱壓罐固化方式修理的試樣吸濕率相比采用熱補(bǔ)儀固化方式修理試樣的吸濕率更低，這是因為使用熱壓罐固化時壓力更大，使得修理結(jié)構(gòu)中膠接界面的結(jié)合更緊密，孔隙更少，表現(xiàn)為吸濕率更低。

修理材料方面，M 材料修理試樣的吸濕率低于N材料修理試樣，這是由于M 材料修理結(jié)構(gòu)較N 材料修理結(jié)構(gòu)的結(jié)合更為緊密，即孔隙率更低，以致其吸濕率較低。

由吸濕率變化可知，固化工藝對修理結(jié)構(gòu)吸濕率的影響大于修理材料帶來的影響。

2.3 彎曲性能測試

室溫環(huán)境下，完好試樣及采用不同方案修理的試樣吸濕處理前后的彎曲強(qiáng)度測試結(jié)果，如圖6所示。

圖6 各工藝維修試樣吸濕前后的彎曲強(qiáng)度Fig.6 Bending strength of maintenance specimens before and after hygroscopicity

由圖6可知：采用不同維修方案修理的試樣彎曲強(qiáng)度相對完好試樣都有不同程度的降低，R-M-1、RM-2、R-N-1、R-N-2 各維修工藝技術(shù)方案修理試樣的彎曲強(qiáng)度分別能恢復(fù)到完好試樣的99%、95%、97%和87%；吸濕后室溫測試條件下，采用不同修理材料和固化方式固化的試樣彎曲強(qiáng)度也呈現(xiàn)不同程度的降低，R-M-1、R-M-2、R-N-1 和R-N-2 各維修工藝技術(shù)方案修理試樣相對完好試樣彎曲強(qiáng)度分別降低了35%、44%、40%和66%；室溫測試條件下，經(jīng)吸濕處理的試樣相比未經(jīng)吸濕處理試樣的彎曲強(qiáng)度明顯降低，U、RM-1、R-M-2、R-N-1 和R-N-2 相對未吸濕相同維修方案修理試樣的彎曲強(qiáng)度分別降低了27%、52%、57%、54%、63%。

由此可見，修理試樣相比完好試樣的彎曲強(qiáng)度受到濕熱環(huán)境影響更為敏感；吸濕試樣相比未吸濕試樣的彎曲性能退化更為嚴(yán)重。這是由于修補(bǔ)后結(jié)構(gòu)的吸濕量更大，水分子浸入復(fù)合材料內(nèi)部的微裂紋、孔隙等缺陷處，滲入產(chǎn)生微應(yīng)力使樹脂基體溶脹，聚合物分子鏈伸展[14-15]，由于碳纖維的吸濕率極低，導(dǎo)致樹脂基體和碳纖維的體積膨脹不匹配；且在71 ℃的水中，樹脂基體和碳纖維的熱膨脹系數(shù)也存在差異，導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)生局部應(yīng)力和應(yīng)變區(qū)[16]。在修理結(jié)構(gòu)中引入膠膜（富脂區(qū)），濕熱作用下，膠膜內(nèi)產(chǎn)生一定熱應(yīng)力，其溶脹及熱膨脹綜合影響會使得材料力學(xué)性能進(jìn)一步退化[17]。

2.4 斷口分析

各組試樣吸濕前后的彎曲斷口形貌SEM 照片如圖7所示。觀察干態(tài)與經(jīng)濕熱處理后完好試樣的彎曲斷口形貌可以發(fā)現(xiàn)，干態(tài)測試條件下，試樣斷裂纖維表面均勻附著適量樹脂，說明彎曲載荷作用下，纖維和樹脂基體間的應(yīng)力傳遞性能良好，樹脂基體與纖維結(jié)合良好；經(jīng)濕熱處理的試樣斷口表現(xiàn)為樹脂基體少量破碎、纖維表面樹脂基體發(fā)生部分脫落、部分結(jié)合較弱區(qū)域出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象。采用相同修理材料、不同固化方式時，由彎曲試樣斷口形貌可以看出：使用熱壓罐固化方式修理的試樣纖維表面附著有適量的樹脂，且樹脂分布較為均勻；使用熱補(bǔ)儀固化方式修理試樣的纖維表面出現(xiàn)不同尺度、分布不均的貧脂區(qū)與富脂區(qū)，纖維/樹脂的結(jié)合情況相對較差。采用相同固化工藝不同修理材料時，由彎曲試樣斷口形貌可以看出，使用M 材料維修試樣的纖維/樹脂浸潤度較好，使用N材料維修的纖維/樹脂浸潤程度相對較差。

以上分析表明，應(yīng)用M 材料及熱壓罐固化方式有利于形成結(jié)合緊密的纖維/樹脂界面，利于應(yīng)力在復(fù)合材料中的傳遞，進(jìn)而形成力學(xué)性能良好的復(fù)合材料修理結(jié)構(gòu)。

圖7 試樣吸濕前后斷口形貌SEM 照片F(xiàn)ig.7 Fracture morphology SEM photos of untreated/hygroscopic specimens

3 結(jié)語

針對民用航空器結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)損傷，通過對比膠接挖補(bǔ)修理前后及濕熱處理前后的彎曲性能演化及失效行為進(jìn)行測試分析，結(jié)論如下。

1）4 種維修方案修理試樣和完好試樣的孔隙率與吸濕率順序一致，均為：R-N-2＞R-M-2＞R-N-1＞RM-1＞U。

2）室溫干態(tài)測試條件下，4 種維修方案修理試樣的彎曲強(qiáng)度恢復(fù)率為98%（R-M-1）、95%（R-M-2）、97%（R-N-1）和87%（R-N-2）；吸濕處理后室溫測試條件下，4 種維修方案修理試樣的彎曲強(qiáng)度恢復(fù)率為65%（R-M-1）、56%（R-M-2）、60%（R-N-1）和44%（R-N-2）。

3）濕熱作用會脆化樹脂，并通過弱化纖維/樹脂與補(bǔ)片/母材的界面結(jié)合性能，影響應(yīng)力在復(fù)合材料的傳遞，進(jìn)而造成力學(xué)性能惡化。

4）碳纖維增強(qiáng)苯并噁嗪樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷的最佳維修工藝方案為：本體材料和熱壓罐固化工藝（R-M-1），即采用該工藝修復(fù)試樣的強(qiáng)度恢復(fù)效果及應(yīng)對環(huán)境變化時的穩(wěn)定性最佳。

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