挖補參數(shù)對低能量沖擊損傷層合板修理性能的影響研究

劉逸眾，李 敏，聶明明，陳 律

（1.空軍航空維修技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410124；2.湖南省飛機維修工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410124）

近年來，碳纖維層合板由于具有強度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)良品質(zhì)，在飛機結(jié)構(gòu)上得到了廣泛應(yīng)用，使用部位也逐漸從非承力結(jié)構(gòu)過渡到了次承力結(jié)構(gòu)[1,2]。但層合板結(jié)構(gòu)在使用過程中易受到各種不同沖擊源（工具掉落、操作不當(dāng)、砂石、冰雹）的沖擊，這對結(jié)構(gòu)的壽命和安全性造成了不同程度的影響[3-5]，成為研究者關(guān)注的一個重要問題。其中，對損傷層合板的修理工藝參數(shù)及修理質(zhì)量影響因素的研究對于碳纖維層合板的生產(chǎn)制造、日常維修等工作有重要的現(xiàn)實意義。

挖補修理法是層合板修理的一種典型工藝，國內(nèi)外學(xué)者對挖補修理工藝進行了研究。周喜輝、Kashfuddoja 等采用有限元方法研究了相對沖擊位置及補片形狀、大小、厚度等因素對修理后層合板的靜強度的影響，結(jié)果表明挖補修理對于層合板的強度恢復(fù)率較高[6-11]；劉國春、Darwish 等對層合板膠接修理后的靜力學(xué)性能進行了試驗研究，分析了挖補角度、挖補形式等因素對修理后層合板的拉伸性能的影響，得到了最佳挖補角度范圍，對比了階梯形和斜切形修理的修理效率[12-15]；蘇雨茹、Jen 等對挖補修理后層合板的疲勞性能進行了試驗研究，分析了損傷孔徑、接頭搭接方式對疲勞壽命的影響[16-18]。綜合上述研究可知，對于修理后層合板的性能，目前已有了大量的數(shù)值研究，并建立了合適的模型，而試驗研究主要集中于分析修理參數(shù)對拉伸性能、疲勞性能的影響，從壓縮性能著手的研究較少。

層合板的壓縮強度及沖擊后的保持率是復(fù)合材料的重要性能指標(biāo)，基于此，本文進行了不同低能量沖擊源下，挖補修理后層合板的壓縮強度試驗，探討了不同沖擊源、修理參數(shù)對層合板修理強度恢復(fù)率的影響，分析總結(jié)了修理后層合板的壓縮破壞機理，為碳纖維層合板低能量沖擊損傷的修理設(shè)計提供了可靠依據(jù)。

1 試驗過程與方法

1.1 試樣制備

試驗用碳纖維層合板采用預(yù)浸料T700/DS1202鋪層，順序為[0°/+45°/90°/-45°]，含膠量32%，采用熱壓罐成型，固化工藝如圖1 所示。試樣尺寸為150 mm×100 mm×3.0 mm。為減小復(fù)合材料試驗的分散性對試驗結(jié)果的影響，每組取5 件試樣。

圖1 T700/DS1202 固化制度

1.2 損傷制備及測試

1.2.1 落錘沖擊試驗

利用落錘沖擊試驗預(yù)制低能量沖擊損傷，試驗按照ASTМ D7136 標(biāo)準(zhǔn)進行，采用濟南東測試驗機技術(shù)有限公司生產(chǎn)的JLW-100 落錘沖擊試驗機，儀器及沖頭如圖2 所示。試驗沖擊能量等級分別取1.67 J·mm-1、3.34 J·mm-1、5 J·mm-1、6.67 J·mm-1、 8.34 J·mm-1，每組取5 件試樣。

1.2.2 無損檢測

采用千分尺及深度尺進行表面損傷的初步檢查，為準(zhǔn)確表征試樣的尺寸，采用Keyence VHX-5000 超景深三維顯微鏡進行表面損傷深度及大小的測量。

采用РXUT-350+/SIUI 32Р 水浸超聲特征掃描成像系統(tǒng)對試樣內(nèi)部損傷進行檢測，探頭為10М 水浸聚焦探頭，掃描方式為沿試樣表面平行線方向移動，設(shè)備如圖3 所示。

圖3 超聲特征掃描成像系統(tǒng)

1.2.3 壓縮強度試驗

參考ASTМ D7137/D7137М-12 標(biāo)準(zhǔn)，采用WDW-100L 萬能試驗機進行，試驗加載速率為1.25 mm/min。對層合板進行壓縮試驗時，必須保證試樣不會發(fā)生整體失穩(wěn)，試樣兩邊需要加側(cè)向支持，試驗儀器及夾具如圖4 所示。

圖4 壓縮試驗裝置

1.3 修理工藝選擇

1.3.1 修理材料選擇

為減少其他不確定性因素，并參照工程應(yīng)用實際，修理補片采用母板原材料T700/DS1202 預(yù)浸料。綜合考慮母板、膠膜、補片三者的力學(xué)性能的匹配性、固化溫度以及線膨脹系數(shù)等因素，膠膜采用黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究院生產(chǎn)的中溫固化膠黏劑J-47，性能參數(shù)如表1 所示。

表1 膠膜J-47 性能參數(shù)

1.3.2 修理參數(shù)選擇

階梯形挖補修理是層合板損傷修理的典型工藝，如圖5 所示。在挖補修理中，補片的搭接寬度是重要的修理參數(shù)，結(jié)合文獻(xiàn)和生產(chǎn)實際，發(fā)現(xiàn)并非補片越大修補效果就越好。在對寬度100 ～200 mm 之間的層合板進行階梯挖補修理時，當(dāng)修理補片大于10 mm，基體開裂、分層、纖維斷裂初始載荷幾乎保持不變，因此，本試驗的補片搭接寬度定為10 mm，其他修理參數(shù)如表2所示。

表2 修理工藝主要參數(shù)

圖5 階梯形挖補修理示意圖

1.3.3 修理質(zhì)量評估

為了說明修理質(zhì)量，采用壓縮試驗的方法測試損傷層合板修理后的壓縮強度，以強度恢復(fù)率Q0來衡量修理效率，如式（1）所示。

其中，P為層合板修理后的壓縮強度，P0為無損層合板的壓縮強度。

同時，為表征層合板的修理增重，對修理后的層合板的質(zhì)量進行了測量，取平均值后與未損傷層合板的質(zhì)量進行了比較。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 層合板修理質(zhì)量的影響因素分析

在前期研究中發(fā)現(xiàn)：采用圓形沖頭進行沖擊，當(dāng)沖擊能量等級≥6.67 J·mm-1，損傷深度≥0.315 mm時，層合板背面開始出現(xiàn)裂紋；而采用錐形沖頭進行沖擊時，當(dāng)沖擊能量等級≥5 J·mm-1，層合板背面即開始出現(xiàn)裂紋[4]。當(dāng)層合板出現(xiàn)貫穿厚度的裂紋時，其壓縮強度就會大幅度退化。因此，當(dāng)層合板僅正面出現(xiàn)損傷時，采用單面挖補修理；當(dāng)背部出現(xiàn)裂紋時，采用雙面挖補修理。修理鋪層方式選擇與母板相同的鋪層角度（設(shè)置對比組，修理鋪層方式全部為0°鋪層），修理后強度恢復(fù)率如表3 所示。

表3 修理試樣的強度恢復(fù)率

由表3 可知，無論采用何種鋪層方式，修理后層合板的強度均有一定的恢復(fù)，甚至在單面挖補修理時部分組別強度恢復(fù)率超過了100%，證明T700/DS1202 預(yù)浸料、J-47 膠膜與損傷層合板具有良好的匹配性，本試驗所采用的修理工藝能夠較好地恢復(fù)損傷層合板的強度。同時，平均修理增重較小，僅1.8%，對比組為-1.31%，都在可接受的范圍。

2.1.1 沖擊源的影響

圖6 分別描述了不同沖擊源造成損傷后的修理強度恢復(fù)率，可以看出：在試驗所涉及的沖擊能量等級下，無論何種沖擊源造成的損傷，挖補修理均能在一定程度上恢復(fù)層合板的壓縮強度（105%～77.6%）。當(dāng)沖擊源為圓形沖頭時，能量等級≤5 J·mm-1時，強度恢復(fù)率較高（105%～96.4%）；當(dāng)沖擊源為錐形沖頭，能量等級≤3.34 J·mm-1時，強度恢復(fù)率與圓形沖頭基本相當(dāng)。這是因為錐形沖頭對層合板造成的損傷有較大的深度，在較小能量時即出現(xiàn)了穿透性損傷，需要采用雙面挖補修理，導(dǎo)致強度恢復(fù)率降低了。因此，可以發(fā)現(xiàn)：錐形沖擊源更易造成穿透性損傷，在同等能量等級沖擊下，進行挖補修理后強度恢復(fù)率較低?？闯觯寒?dāng)采用單面挖補工藝時，對比組的強度恢復(fù)率明顯高于試驗組，這是因為壓縮強度測試方向為層合板的0°方向，而全部采用0°方向的鋪層對該方向上的壓縮性能起到了較強的增強作用；當(dāng)采用雙面挖補工藝時，試驗組的強度恢復(fù)率則高于對比組，但僅恢復(fù)了-0.4%～12.1%（對比組為-5.7%～5.4%）。并且，單面挖補時強度恢復(fù)率的離散系數(shù)較低（3.6%～6.3%），雙面挖補時離散系數(shù)較大（6.0%～14.2%）。因此，可以看出：單面挖補工藝的強度恢復(fù)率更高，修理質(zhì)量更加穩(wěn)定；雙面挖補工藝由于工藝復(fù)雜，膠接面多，挖補階梯容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致了強度恢復(fù)率低，修理質(zhì)量穩(wěn)定性差，甚至還可能出現(xiàn)性能下降的情況。

圖6 不同沖擊源損傷層合板的修理強度恢復(fù)率

2.2 修理后層合板壓縮試驗損傷形式分析

2.1.2 修理工藝的影響

本試驗采用的修理鋪層角度與母板鋪層角度一致，并采用全部0°鋪層為對比組。從圖6 可以

為研究修理參數(shù)對修理層合板壓縮損傷形式的影響，觀察了修理層合板的壓縮破壞斷口，損傷形貌如表4 所示。

表4 修理后層合板的壓縮破壞形貌

當(dāng)沖擊源為圓形沖頭，沖擊能量等級≤5 J·mm-1，或沖擊源為錐形沖頭，沖擊能量等級≤3.34 J·mm-1時，采用單面挖補修理工藝。從表4 可知，采用單面挖補修理工藝時，壓縮失效均發(fā)生在層合板的端部，這說明單面挖補并沒有造成修理區(qū)域局部過大的應(yīng)力集中，并且修理補片對壓縮方向上的強度有了加強，致使修理區(qū)域的壓縮強度高于母板。相反，當(dāng)采用雙面挖補修理工藝時，在修理區(qū)域上發(fā)生了橫向斷裂，且裂紋貫穿整個補片直徑，說明雙面挖補時修理區(qū)域更易造成應(yīng)力集中，挖補區(qū)域變成了整個層合板的薄弱部分。

圖7 為單面挖補修理層合板的壓縮試驗損傷截面形貌。由圖7（a）可知，單面挖補修理后層合板的壓縮損傷從正面垂直貫穿到背面，表面鋪層出現(xiàn)了嚴(yán)重的屈曲現(xiàn)象。從圖7（b）（c）中可以觀察到，層合板內(nèi)部出現(xiàn)了局部壓潰，纖維斷裂和基體開裂現(xiàn)象嚴(yán)重，并伴有少量分層。這說明造成層合板失效的主要模式為基體和纖維的壓縮破壞。圖8 為雙面挖補修理層合板的壓縮試驗損傷截面形貌。由圖8（a）可知，雙面挖補修理后層合板的壓縮截面出現(xiàn)了階梯形的分層，表面鋪層同樣出現(xiàn)了屈曲和纖維斷裂的現(xiàn)象。從圖8（b）（c）中可以觀察到，子層之間的分層呈現(xiàn)明顯的臺階狀，并且內(nèi)部失效主要以大量的微小分層組成。這是由于雙面挖補的打磨臺階較多，單層修理補片和母板的膠接處應(yīng)力集中嚴(yán)重，層間出現(xiàn)了大量的剪切破壞，隨著載荷的增加，分層不斷擴大，最終導(dǎo)致層合板的失效。因此，在雙面挖補時，可考慮斜坡式挖補，以減少應(yīng)力集中，提高修理質(zhì)量。

圖7 單面挖補修理試樣的壓縮破壞截面形貌

圖8 雙面挖補修理試驗件的壓縮破壞截面形貌

3 結(jié)論

本文對不同沖擊源造成的層合板損傷進行了階梯形挖補修理，對修理結(jié)果進行了分析和討論，并分析了修理后的壓縮破壞模式。通過研究得到了以下結(jié)論：

（1）無論是何種沖擊源（圓形沖頭或錐形沖頭），損傷層合板均能夠得到較好的強度恢復(fù)率（達(dá)到了79.9%以上），可以證明此修理工藝適用于不同沖擊源下層合板的損傷修理，但錐形沖擊源更易造成穿透性損傷，同等沖擊能量等級下，強度恢復(fù)率較低。

（2）單面挖補工藝的強度恢復(fù)率更高，質(zhì)量更加穩(wěn)定；雙面挖補工藝由于工藝復(fù)雜，膠接面多，挖補階梯容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致了強度恢復(fù)率低，修理質(zhì)量穩(wěn)定性差，甚至還可能出現(xiàn)性能下降的情況。

（3）單面挖補修理后層合板的壓縮破壞主要為基體和纖維的壓縮破壞；而雙面挖補修理后主要以分層破壞為主，因此當(dāng)采用雙面挖補時，優(yōu)先考慮斜坡式挖補，以減少應(yīng)力集中。