非穿透性結(jié)構(gòu)損傷修理研究

趙培仲，戴京濤，魏華凱，胡芳友（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)航空機(jī)械系，山東 青島 266041）

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非穿透性結(jié)構(gòu)損傷修理研究

趙培仲，戴京濤，魏華凱，胡芳友
（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)航空機(jī)械系，山東 青島 266041）

摘要：研究了非穿透性結(jié)構(gòu)損傷的修理，討論了樹脂填充、增強(qiáng)樹脂填充和復(fù)合材料粘接3種修理方法對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力恢復(fù)的影響。研究結(jié)果表明，前2種方法對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力的恢復(fù)影響較小，復(fù)合材料粘接修理可以很好地恢復(fù)結(jié)構(gòu)的承載能力，其中采用碳纖維復(fù)合材料比玻璃纖維復(fù)合材料補(bǔ)片可以獲得更好的修理效果。隨著補(bǔ)片厚度和剛度的增加，粘接修理結(jié)構(gòu)的破壞形式以剝離破壞為主。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料粘接修理；光固化；應(yīng)急修理；承載能力

由于環(huán)境的影響，艦船、飛機(jī)結(jié)構(gòu)在服役過程中常會(huì)因?yàn)楦g等原因誘發(fā)結(jié)構(gòu)損傷。這些損傷將會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力的下降。如果不及時(shí)進(jìn)行修理，腐蝕損傷則會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失效。因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修理損傷結(jié)構(gòu)對(duì)保持結(jié)構(gòu)的完成和必要的承載能力是至關(guān)重要的。由于樹脂基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐腐蝕和抗疲勞性能[1，2]，近年來，樹脂基復(fù)合材料在金屬結(jié)構(gòu)的損傷修理應(yīng)用受到了關(guān)注，復(fù)合材料粘接修理已經(jīng)成為一種重要的結(jié)構(gòu)損傷修理方法[3～6]。對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)的腐蝕損傷而言，大部分都是非穿透性的，為此，本文針對(duì)這類損傷的復(fù)合材料粘接修理進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析修理方式對(duì)其影響。由于光固化具有節(jié)能、快捷的優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)合材料粘接修理中正得到越來越多的應(yīng)用[7～9]，考慮到應(yīng)急情況下的修理?xiàng)l件和時(shí)間都非常有限，本文采用光固化的手段進(jìn)行修理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 損傷試樣的制備

將1.5 mm厚的LY12鋁合金材料裁剪成140 mm×35 mm的矩形板，在板的中心預(yù)制直徑12 mm，深1 mm的圓形盲孔，用以模擬結(jié)構(gòu)的非穿透損傷。

1.2 光固化粘接修理

在粘接修理之前首先對(duì)損傷試樣進(jìn)行表面處理，主要包括噴砂和溶劑清洗以及干燥處理。粘接修理分別采用3種方式進(jìn)行，分別標(biāo)記為（a），（b）和（c），如圖1所示。（a）是僅僅采用環(huán)氧樹脂填充損傷凹坑，然后用紫外光輻照固化，輻照20 min；（b）是采用剪碎的玻璃纖維布增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂填充，增強(qiáng)纖維按照樹脂質(zhì)量的5%添加，然后進(jìn)行光固化；（c）是采用樹脂填充，并且用玻璃纖維或碳纖維布增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料補(bǔ)片貼補(bǔ)增強(qiáng)。復(fù)合材料粘接修理采用濕鋪法，然后紫外光輻照20 min固化，補(bǔ)片尺寸是60 mm×35 mm。

圖1 粘接修理示意圖Fig.1 Schematics of adhesively bonded repairing（a.樹脂填充；b.增強(qiáng)樹脂填充；c.樹脂填充加復(fù)合材料貼補(bǔ)）

1.3 拉伸測(cè)試

采用濟(jì)南泰斯特WDW-1型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，在室溫下測(cè)試?yán)煨阅?，拉伸速? mm/min。每組試樣測(cè)試3個(gè)，取平均值，結(jié)果如表1所示。用最大拉伸破壞載荷表示結(jié)構(gòu)的承載能力。

表1 光固化粘接修理試樣拉伸性能Tab.1 Tensile properties of adhesively bonded repairing samples cured by UV

2 結(jié)果與分析

2.1 修理方式的影響

從拉伸測(cè)試結(jié)果（見表1）可以看出，只采取填充的方法，對(duì)于提高結(jié)構(gòu)的抗載荷破壞的能力作用并不大。采用剪碎玻璃纖維布增強(qiáng)的樹脂填充比單純的樹脂填充在恢復(fù)結(jié)構(gòu)承載能力上稍好。

采用復(fù)合材料貼補(bǔ)加強(qiáng)修理的方式，在恢復(fù)結(jié)構(gòu)承載能力方面明顯好于單一的填充修理。單層玻璃纖維布補(bǔ)片可以使損傷結(jié)構(gòu)的破壞載荷恢復(fù)到未損傷結(jié)構(gòu)的77%。隨著補(bǔ)片層數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)的承載能力逐漸提高。當(dāng)采用三層復(fù)合材料補(bǔ)片時(shí)，損傷結(jié)構(gòu)修理后的承載能力達(dá)到完好狀態(tài)的90.3%。

增加補(bǔ)片層數(shù)可以有效提高補(bǔ)片本身的承載能力，分擔(dān)更多的結(jié)構(gòu)載荷，進(jìn)而更好地恢復(fù)結(jié)構(gòu)的承載能力。但是，層數(shù)的增加會(huì)使補(bǔ)片厚度增加，使結(jié)構(gòu)承載時(shí)補(bǔ)片的剝離應(yīng)力增加，誘發(fā)剝離破壞[10]。

當(dāng)采用碳纖維復(fù)合材料作為補(bǔ)片時(shí)，損傷結(jié)構(gòu)承載能力的提高更明顯。從表1可以看出，采用單層碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)片就可以恢復(fù)88%的結(jié)構(gòu)承載能力；當(dāng)采用兩層時(shí)，幾乎可以全部恢復(fù)結(jié)構(gòu)的承載能力，達(dá)到95.2%。

光固化可以更加快捷地實(shí)現(xiàn)損傷結(jié)構(gòu)的快速修理，修理過程在1 h內(nèi)即可完成，而且可以很好恢復(fù)結(jié)構(gòu)承載能力。這表明，光固化復(fù)合材料修理特別適合于應(yīng)急修理。

2.2 破壞模式分析

拉伸加載過程中，應(yīng)力集中通常發(fā)生在損傷盲孔的底部邊緣。因此，這也是修理結(jié)構(gòu)出現(xiàn)起始破壞，并誘發(fā)結(jié)構(gòu)破壞的薄弱之處。光固化修理后，結(jié)構(gòu)的部分載荷傳遞到填充樹脂或復(fù)合材料補(bǔ)片上。拉伸開始后，補(bǔ)片和損傷結(jié)構(gòu)一起發(fā)生變形，具有相同的形變。因此，樹脂和補(bǔ)片的剛度越大，在拉伸中分擔(dān)的結(jié)構(gòu)載荷越大。但是，環(huán)氧樹脂及其復(fù)合材料屬于脆性材料，其變形能力比較差。隨著載荷和變形的逐漸增加，復(fù)合材料補(bǔ)片難以和鋁合金一起發(fā)生形變，此時(shí)，膠層的剪切應(yīng)變隨之增大，使補(bǔ)片和填充樹脂發(fā)生破壞或者是與損傷結(jié)構(gòu)剝離，如圖2所示。對(duì)于填充修理的（a）和（b）2種修理方式，破壞模式主要是試樣損傷盲孔的底部邊緣的斷裂破壞，填充樹脂的和盲孔的底部也有部分剝離發(fā)生。通過觀察拉伸過程可以發(fā)現(xiàn)，通常在試樣發(fā)生斷裂破壞之前，填充樹脂會(huì)首先發(fā)生剝離現(xiàn)象，這正是應(yīng)變不同步所導(dǎo)致的。

圖2 破壞模式Fig.2 Failure mode

對(duì)于填充復(fù)合材料貼補(bǔ)加強(qiáng)的修理方式，有補(bǔ)片破壞和補(bǔ)片剝離2種破壞模式。單層和兩層玻璃纖維復(fù)合材料補(bǔ)片大都是補(bǔ)片的破壞，因?yàn)檠a(bǔ)片本身的承載能力較低導(dǎo)致的，三層玻璃纖維復(fù)合材料補(bǔ)片則主要是發(fā)生補(bǔ)片的剝離破壞，如圖3所示。此時(shí)，補(bǔ)片的強(qiáng)度較高，膠層更容易發(fā)生破壞。同時(shí)，層數(shù)的增加，也會(huì)使得膠層的剝離應(yīng)力增加。

碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)片比玻璃纖維補(bǔ)片具有更高的強(qiáng)度和剛度，因此，兩層碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)片都是補(bǔ)片的剝離破壞，單層碳纖維復(fù)合材料則也是以補(bǔ)片的破壞為主，分別如圖3（4）和（3）所示。另外，還可以通過改善表面處理工藝的方法來進(jìn)一步提高粘接修理的效果。

圖3 修理方式（c）的破壞模式Fig.3 Failure modes of repairing method（c）

3 結(jié)論

對(duì)于非穿透性損傷，采用樹脂或纖維增強(qiáng)的樹脂填充修理對(duì)損傷結(jié)構(gòu)的承載能力恢復(fù)影響較小。對(duì)于輕微的損傷可以采用該修理方法。采用復(fù)合材料補(bǔ)片增強(qiáng)可以很好地恢復(fù)損傷結(jié)構(gòu)的承載能力。碳纖維補(bǔ)片比玻璃纖維補(bǔ)片可以更好地修復(fù)損傷結(jié)構(gòu)。光固化可以在較短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)結(jié)構(gòu)的承載能力，非常適合于應(yīng)急搶修工作。但是，隨著復(fù)合材料補(bǔ)片層數(shù)（厚度）的增加，粘接修理結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生剝離破壞。此時(shí)需要更好的表面處理工藝和基體樹脂材料來進(jìn)一步改善粘接界面的性能。

參考文獻(xiàn)

[1]杜善義.先進(jìn)復(fù)合材料與航空航天[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2007,24(1):1-12.

[2]何芳,王玉林,萬怡灶,等.光固化樹脂基復(fù)合材料研究進(jìn)展[J].工程塑料應(yīng)用,2003, 31(11):67-70.

[3]Baker A A,Rose L R F,Jones R.Advances in the bonded composite repair of metallic aircraft structure[M].Amsterdam:Elsevier,2002.

[4]Zhao P,Hu F,Huang X.Composite repair to aluminum alloy plate by photoinitiated and thermal curing[J].Journal of Composite Materials,2013,47(9):1179-1184.

[5]Xiong J J,Shenooi R A.Integrated experimental screening of bonded composites patch repair schemes to notched aluminumalloy panels based on static and fatigue strength concepts[J].Composite Structure,2008,83(9):266-272.

[6]黃旭仁,胡芳友,趙培仲.加載速率對(duì)復(fù)合材料粘接修理金屬結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響研究[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào),2013,30(2):220-225.

[7]Yagci Y,Jockusch S,Turro N J.Photoinitiated polymerization:advances,challenges,and opportunities[J].Macromolecules,2010,43(15):6 245-6260.

[8]Li G,Ghebreyesus A.Fast repair of damaged RC beams using UV curing FRP composites[J].Compose Struct,2006,72:105-110.

[9]Peck J A,Li G,Pang S,et al.Light intensity ect on UV cured FRP coupled composite pipe joints[J].Compose Struct,2004,64:539-546.

[10]趙培仲,黃旭仁,李艷麗,等.補(bǔ)片尺寸對(duì)膠層應(yīng)力分布的影響[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2012 (6):18-22.

Study on adhesively bonded repairing of part-through damage

ZHAO Pei-zhong, DAI Jing-tao, WEI Hua-kai, HU Fang-you
(Department of Aeronautical and Mechanical Engineering, Qingdao Branch, Naval Academy of Aeronautical Engineering, Qingdao, Shandong 266041, China)

Abstract：In this paper, three different repairing methods, including resin filling, reinforced resin filling and adhesively bonded composite patch repairing, were investigated. According to the results, the filling means can only restore the load capacity slightly. Adhesively bonded composite patch repairing can increase the load capacity of the damaged structure obviously. Also, the carbon fiber composite can bring better repairing effect than the glass fiber composite. With the increase of modulus and thickness of the composite patch, the primary failure mode became the peeling failure of patch.

Key words：adhesively bonded composite repairing; UV curing; emergency repair; load capacity

中圖分類號(hào)：TG494

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2016）02-0049-03

基金項(xiàng)目：中國博士后科學(xué)基金（20110491882；2012T50875）。

作者簡介：趙培仲（1978-），男，博士，工程師，主要從事飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理研究。E-mail：zpzgraduate@163.com。

收稿日期：2015-08-31