蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的注膠修理工藝研究

邵蕊

摘 要：近年來(lái)，隨著民航領(lǐng)域的快速發(fā)展，各大航空公司機(jī)隊(duì)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，復(fù)合材料用量呈明顯遞增趨勢(shì)，其用量和比例已成為衡量飛機(jī)是否先進(jìn)的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。由于復(fù)合材料普遍存在層間性能弱、易受沖擊損傷等缺點(diǎn)，在服役期間易受到擠壓、超載、沖擊和環(huán)境等因素的影響造成損傷，從而影響復(fù)合材料的整體結(jié)構(gòu)性能。因此，復(fù)合材料發(fā)展和應(yīng)用對(duì)其缺陷損傷注膠修理提出迫切要求。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;修理;技術(shù)

復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)主要是由兩層剛度/強(qiáng)度較高的上、下面板和一層厚而輕的低密度夾芯層組成，將上、下蒙皮與芯子通過(guò)粘接劑膠接，采用直接注塑或模壓的加工工藝獲得整體結(jié)構(gòu)。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)有質(zhì)量輕、剛度大、隔熱性能較好的優(yōu)點(diǎn)，大量應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)。但飛機(jī)在服役過(guò)程中不可避免地因意外撞擊、鳥(niǎo)撞、冰雹等沖擊，造成復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的損傷。從而大大降低結(jié)構(gòu)的承載能力，因此復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的修理及修理后剩余強(qiáng)度受到研究人員越來(lái)越多的關(guān)注。

一、復(fù)合材料受損結(jié)構(gòu)件修補(bǔ)的重要性

目前，軍機(jī)和客機(jī)老齡化問(wèn)題日趨嚴(yán)重，為了確?，F(xiàn)役飛機(jī)的正常使用，延長(zhǎng)老齡飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)壽命，就必須對(duì)受損部位進(jìn)行維修，或?qū)κ軗p構(gòu)件進(jìn)行更換。由于現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)、制造成本昂貴，而飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損傷絕大多數(shù)具有局部性和多發(fā)性的特點(diǎn)，對(duì)于那些不很嚴(yán)重的損傷，更換損傷結(jié)構(gòu)，非但不必要，而且將花費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，延長(zhǎng)飛機(jī)的停飛事件，造成浪費(fèi)。這時(shí)，最經(jīng)濟(jì)、最有效的方法就是對(duì)飛機(jī)的受損部位進(jìn)行修理，以完全或部分恢復(fù)構(gòu)件的承載能力，保證它的使用安全性。由此可見(jiàn)，修理受損的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件是非常必要而且重要的。

二、復(fù)合材料常見(jiàn)缺陷及損傷修理

1、常見(jiàn)典型損傷和缺陷。生產(chǎn)過(guò)程中工藝控制不當(dāng)、在服役過(guò)程中受到物體沖擊或受環(huán)境條件影響，這些因素都會(huì)造成復(fù)合材料的損傷或缺陷，復(fù)合材料在制造和使用中的常見(jiàn)缺陷和損傷如表。

2、損傷容限與修理容限。修理容限指的是兩個(gè)定量的界限，在復(fù)合材料修理中即表述為出現(xiàn)缺陷或損傷后需不需修、能不能修。結(jié)構(gòu)的損傷容限是指損傷范圍從閾值到臨界值，以確定損傷結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用期間是否具有足夠的剩余強(qiáng)度。修理工藝水平和經(jīng)濟(jì)因素決定了修理容限。

三、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理方法

1、注膠與填膠修理。注膠修理是指當(dāng)層合板結(jié)構(gòu)或夾芯結(jié)構(gòu)出現(xiàn)小面積的內(nèi)部分層或脫膠損傷時(shí)，將滲透性和流動(dòng)性好的低黏度樹(shù)脂注入到分層或脫粘區(qū)域并使之固化粘合的一種膠接修理方法。填膠修理是將樹(shù)脂膠或其他填料填充或灌注到損傷區(qū)以恢復(fù)其結(jié)構(gòu)完整性的一種修理方法，通常在一些裝飾性結(jié)構(gòu)和受載較小的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)上使用。修復(fù)的主要形式有表面劃痕、凹坑、部分蜂窩芯損壞、孔位置錯(cuò)誤、孔尺寸過(guò)大。

2、膠接連接修理。通過(guò)使用膠粘劑將被修補(bǔ)結(jié)構(gòu)與補(bǔ)片共同固化連接在一起的復(fù)合補(bǔ)片的修復(fù)方法稱為膠接修復(fù)，以確保損壞的復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)完整，完成載荷轉(zhuǎn)移的修復(fù)。在實(shí)際工作中，膠接修補(bǔ)是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修補(bǔ)使用最多的修補(bǔ)方法，根據(jù)補(bǔ)片膠接方式不同，又可分為貼補(bǔ)法和挖補(bǔ)法兩種。

（1）貼補(bǔ)法。貼補(bǔ)法是指在去除損傷結(jié)構(gòu)后，在缺陷部位表面附著固定補(bǔ)片，以恢復(fù)結(jié)構(gòu)完整性、使用性能及承載力學(xué)性能的一種膠接修補(bǔ)手段。根據(jù)補(bǔ)片粘貼位置，貼補(bǔ)法可以分為單面貼補(bǔ)和雙面貼補(bǔ)。由于其對(duì)操作設(shè)備要求不高，具有操作簡(jiǎn)單、周期短等優(yōu)點(diǎn)，該方法多用于外場(chǎng)臨時(shí)性修理，由貼補(bǔ)法不能應(yīng)用于對(duì)氣動(dòng)外形要求較高的部位的修理?；谶B續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)和粘聚區(qū)模型建立了修補(bǔ)復(fù)合材料層合板的漸進(jìn)損傷分析模型，計(jì)算了貼補(bǔ)修復(fù)后拉伸載荷下的極限強(qiáng)度，研究了補(bǔ)片復(fù)合材料的損傷演化過(guò)程，并討論了補(bǔ)片參數(shù)對(duì)修補(bǔ)后拉伸性能的影響，得出不同破壞模式下補(bǔ)片參數(shù)的改變對(duì)其力學(xué)性能的影響。當(dāng)主要破壞模式是補(bǔ)片破壞時(shí)，補(bǔ)片的直徑對(duì)修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度影響不大;當(dāng)破壞模式是膠層破壞時(shí)，補(bǔ)片直徑的增大可顯著提高修補(bǔ)的極限強(qiáng)度。分析原因?yàn)楫?dāng)補(bǔ)片直徑較小時(shí)，膠層剝離應(yīng)力較大，此時(shí)膠層容易首先失效;補(bǔ)片直徑逐漸增大，膠層剝離應(yīng)力隨之降低，不易失效，故修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度隨著補(bǔ)片直徑的增大而明顯提高。

（2）挖補(bǔ)法。挖補(bǔ)法是先將損傷和缺陷部位去除，再在損傷部位填以新材料的一種膠接方法。根據(jù)去除損傷時(shí)打磨手段不同又可分為斜接法和階梯法。相較于貼補(bǔ)法，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)挖補(bǔ)修理后，膠接面的膠層剪切應(yīng)力較為均勻，且能保持較好的氣動(dòng)外形。因此，挖補(bǔ)法多用于曲率較大、對(duì)承載及氣動(dòng)外形要求較高的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。[2]采用了三維損傷累積模型與試驗(yàn)相結(jié)合的方式研究了修理后的復(fù)合材料層合板的拉伸性能，探討了挖補(bǔ)角對(duì)修復(fù)后層合板力學(xué)性能的影響，得出挖補(bǔ)修理中膠層失效載荷隨挖補(bǔ)角的增大而減小。同時(shí)分析了層合板挖補(bǔ)修復(fù)后受拉伸性能的影響、膠層失效后傳力路徑的變化，得到在膠層完全破壞后損傷會(huì)沿母版最窄處向兩側(cè)自由邊迅速擴(kuò)展。當(dāng)挖補(bǔ)修補(bǔ)結(jié)構(gòu)不同時(shí)斜接法對(duì)挖補(bǔ)修理后力學(xué)性能變化的影響，分別對(duì)斜坡比為1：10、1：20、1：30和1：40的層合板進(jìn)行拉伸破壞試驗(yàn)，得出當(dāng)斜坡比為1：30時(shí)采用斜接法修補(bǔ)抗拉強(qiáng)度最好，同時(shí)總結(jié)了斜接法修補(bǔ)后的斷裂位置特征，得出斷裂類型主要有脫膠斷裂和補(bǔ)片斷裂。

在當(dāng)前航空航天領(lǐng)域發(fā)展迅猛趨勢(shì)下，我國(guó)未來(lái)幾年在復(fù)合材料修理技術(shù)領(lǐng)域有望取得更大的突破。在完善與充分利用現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)不斷汲取新技術(shù)方向發(fā)展;將實(shí)際工程相結(jié)合，成熟健全的修理技術(shù)是復(fù)合材料應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的有力保障;開(kāi)展復(fù)合材料修理標(biāo)準(zhǔn)化科學(xué)框架研究，大幅度提高修理效率，促進(jìn)航空領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。

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