挖补修理对复合材料层合板拉伸性能的影响

纪朝辉，刘阔，李娜，于鸽

（中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津300300）

挖补修理对复合材料层合板拉伸性能的影响

纪朝辉，刘阔，李娜，于鸽

（中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津300300）

挖补修理是一种先进的复合材料层合板损伤修理技术，分为斜接法和阶梯法两种类型。本文研究不同修补结构对斜接法挖补修理试验件力学性能的影响。对斜接法楔形砂磨斜坡比率为1：10、1：20、1：30和1：40的复合材料层合板修理试验件的拉伸性能进行了研究，同时总结了斜接法修理后试件的断裂位置特征。结果表明：斜接法斜坡比率为1：30的挖补修理试件的抗拉强度最好，外加补片会提高试件的抗拉强度，外加补片层数2层为宜。断裂类型主要有脱胶断裂和补片断裂。

复合材料；损伤修理；挖补法；斜坡比率

复合材料较金属材料相比，具有比强度、比模量高，耐疲劳、抗腐蚀性好等优点[1-3]，在军事、航空航天、信息技术、能源工程、海洋工程及民用建筑交通运输等领域大量使用，为中国的经济建设和国防建设起到了不可替代的作用[4-7]。

目前，复合材料已大量运用在民用航空领域，复合材料构件所占重量的百分比已经成为飞机结构设计先进性水平的重要指标之一。由于上述的广泛应用，复合材料结构的强度问题成为主要研究方向之一，并且复合材料结构的损伤也受到广泛关注。

飞机在服役期间易受到冰雹、鸟撞、跑道沙石等物体的冲击，飞机复合材料结构在装配过程中，由于非设计载荷、异物撞击、施工环境等，复合材料结构件也很容易出现脱胶、腐蚀、进水（蜂窝板构件）、撞击、撕裂等内部缺陷和损伤，由于层压板结构的复合材料耐冲击性能低，复合材料具有显著各向异性的特性，在损伤、失效等方面表现为机理复杂、现象多样、判别困难，特别是低速冲击下，较难目测复合材料的损伤情况，因此受损部位要经常检查并予以及时的修理。但是，如果复合材料结构件一旦出现损伤就立即更换这些损伤构件，这将造成巨大的经济损失，因此如何对这些缺陷和损伤进行修理，以恢复结构的强度、刚度是迫切需要解决的问题。复合材料损伤修理技术也随之倍受关注[8]。

复合材料的损伤修理可以用多种方法来实现，一般常用的是贴补法和挖补法，挖补法修理是一种永久性的修理方法，目前飞机维修中多采用这种方法，挖补方法的修理因打磨方式不同，又分为斜接挖补和阶梯形挖补[9]。随着复合材料在飞机结构件上使用比例的提高以及种类的多样化，复合材料对其修理技术的要求也更加严格[10]。挖补修理是目前最有效的修理方法，也是一种长久修理，因为粘接补片在承重补片上的重量施加最小并且重量均匀地分配在粘接补片上[11]。

本文采用斜接挖补法，对不同修补结构的试验件进行修理实验和修理后的力学性能研究，旨在得到不同修补结构对斜接修补件的拉伸性能影响。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

基体材料和修理材料均采用玻璃纤维/环氧树脂预浸布，修补界面粘接胶膜为中温固化结构胶粘剂，进口。

1.2 实验方法

1.2.1 层合板固化成型

把玻璃纤维/环氧树脂预浸布裁剪成所需尺寸，按照[0]10方式进行铺层，抽真空后放入热压罐成型，温度为121.11℃，压力为3.07 MPa，时间为150 min，固化成型后机加工成待修补试件。

1.2.2 试件的修理

预置缺陷，按照1：10～1：40的比例进行楔形打磨，将缺陷部位打磨掉，如图1所示。用150号砂纸在修补区域轻轻打磨出粗糙度。

图1 楔形砂磨的形状照片Fig.1Composite laminates after wedge-shaped sanding

对缺陷进行修理，本文采用斜接挖补修理，将楔形斜面用丙酮去除表面油污，然后铺上胶膜，将预浸布以阶梯形逐层粘贴到打磨区域，修理层数和铺层方向与原试件一致。

将修理好的试件用HCS9000B热补仪进行固化，固化时真空度不低于0.075 MPa，固化成型后试件如图2所示。

图2 修理后的实物照Fig.2Repaired composite laminates

1.2.3 拉伸试件的制备及拉伸试验

修理后，把层合板机加工成型为所需拉伸试验样条，如图3所示，以备使用。

图3 拉伸试验件Fig.3Sketch map of scarf repaired sample

采用型号为CSS-3910的拉伸试验机，按照ASTM3039标准，对复合材料层合板修理试件进行了静力拉伸试验，拉伸速度为2 mm/min，最大载荷100 kN。

采用型号为MIC00657蔡司光学显微镜，对拉伸断裂后试件的断裂面进行观察。

2 结果与分析

2.1 斜接比率对复合材料力学性能的影响

斜接法斜坡比率的不同使其楔形砂磨的长度不同，从而导致修补材料层合板母板的粘接界面大小不同，最终会直接影响其修理后的力学性能，在此研究如图3所示斜接比率在1：10～1：40范围下的斜接挖补试件的抗拉强度。表1是不同斜接比率下的试件常温静力拉伸试验结果。

通过对斜坡比率的对比分析发现，斜坡比率较小的试件其复合材料修理后力学性能较低，主要是因为补片与基体粘接较短。随着打磨斜接比率的增加，补片与基体的粘接长度增加，抗拉强度有所提高，如图4所示抗拉强度随着斜接比率的增加而增大，斜接比率1：30时抗拉强度最好，抗拉强度达到186.56 MPa。但斜接比率1：40时抗拉强度又有所降低，原因是打磨区域过长，打磨所造成的试件基体损伤已经是修理所不可弥补的，因此复合材料抗拉强度下降。

表1 不同斜接比率下的试件常温静力拉伸试验结果Tab.1Result of static tensile test of specimens with different slope ratio at room temperature

图4 斜接比率与抗拉强度的关系Fig.4Relationship between tensile strength and slope ratio

2.2 外加补片层数对复合材料力学性能的影响

在修补区域外额外加贴补片会提高修补试验件的抗拉强度。从表2可以看出，复合材料损伤修理后试件的抗拉强度随着外部补片层数的增加而增大。加1层补片的试件恢复率比不加补片的试件恢复率增加了11％，加2层补片的试件恢复率比加1层补片的试件恢复率增加了3.07％。这说明外部补片层数的增加会明显提高复合材料损伤修理后的抗拉强度，加2层外部补片的恢复强度效果并不明显。加3层补片，其试件的抗拉强度略有下降。因此，对于3层或3层以上补片的研究并没有实际意义。

表2 不同外加补片层数的试件常温静力拉伸试验结果Tab.2Result of static tensile test of specimens with different external patch layers at normal temperature

2.3 断裂位置及失效分析

复合材料在挖补修理后的拉伸试验中，试件的断口形貌与贴补修理的试件类型一致，主要的断裂类型是脱胶断裂和基体开裂，断裂位置如图5所示。图5 （a）是补片与斜接基体脱胶，这也是本文拉伸试验中居多的断裂位置，因为中间补片处固化完好，强度与完整基体差距较小，所以，在界面处的位置变得比较薄弱，容易最先失效。图5（b）中在外部的几层补片也会断裂。这是因为整个补片是逐层递增的，外部的几层补片较薄，容易断裂，在断裂的直线位置上，下面是基体，基体的整体强度较好且与补片属于粘接而成并不是一个整体，因此补片处的裂纹扩展不到下面的基体上，而界面处的粘接强度低于基体，断裂的走向沿界面展开。图5（c）的断裂位置在基体处，也是发生次数较少的位置。在这种情况下，补片与基体的粘接强度较好，补片加强了打磨斜接处基体的强度，因而在拉伸过程中基体会在斜接开始的位置产生裂纹，从而引发基体的撕裂。

图5 挖补试件的典型断裂位置Fig.5Typical fracture location of scarf specimen

表3中列出了各位置的断裂类型及出现次数，恢复率是修理后试件的抗拉强度与完整补片的抗拉强度之比，当补片和基体粘接不是很牢固时，断裂类型以脱胶断裂为主，当补片与基体粘接较牢时，断裂类型以基体撕裂为主。典型实例如图6所示：图6（a）为补片与斜接基体脱胶，断裂面在接触界面，试件分离成上下两节；图6（b）为脱胶与补片断裂的混合断裂，在界面处先发生脱胶，然后裂纹扩展，导致补片断裂；图6（c）为基体断裂，此种修补较好，直接在试件中间处断裂。

表3 修理后试件的拉伸断裂类型及出现次数Tab.3Tensile fracture types and occurrence numbers of repaired samples

图6 补试件的典型断裂位置Fig.6Typical fracture location of scarf specimen

3 结语

本文研究了不同修补结构对复合材料层合板斜接法挖补修理试验件力学性能的影响，主要包括斜坡比率和外部增加补片层数2个影响因素，并观察和分析了断裂的类型和断口形貌，得到以下结论：在研究1：10～1：40这4个斜接斜坡比率中发现，随着打磨比率的增加，补片与试件基体的粘接长度较长，抗拉强度有所提高，斜接比率1：30时抗拉强度最好，强度达到186.56 MPa。

挖补的修理工艺中，除了在试件打磨掉的缺陷处贴上与基体相同层数的补片外，在外部增加几层加强片会使得整个试件的抗拉强度大大提升。试验结果表明：在外部加上2层补片会比不加补片的强度提高14.11％，抗拉强度可达223 MPa。

修理后试件的断裂位置主要集中在3处，主要断裂类型为脱胶和基体断裂。

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（责任编辑：黄月）

Tensile performance of bonded scarf repair of composite panel

JI Zhao-hui，LIU Kuo，LI Na，YU Ge
（Tianjin Key Lab of Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance，CAUC，Tianjin 300300，China）

Scarf repair of composite material has been proved to be an advanced repairing technology，which consists of beveled joint and ladder joint.The effect of different repairing structure on mechanical properties of beveled joint scarf repair is researched.The tensile properties of repaired composite laminating with slope ratios of 1:10，1:20，1:30 and 1:40 are studied respectively；meanwhile，the location of its fracture is summarized. The results show that the tensile strength of the scarf repaired specimen with the slope ratio of 1:30 is the best.Plus patch can improve the tensile strength of the specimen，and the appropriate number of the plus patch is 2.The fracture types mainly include degumming fracture and complement-chip fracture.

composite materials；damage repair；scarf repair；slope ratios

V257；V267+.46

A

1674-5590（2013）03-0050-04

2012-07-09；

2012-09-03

中央高校基本业务费专项基金项目（ZXH2010D023）

纪朝辉（1963—），男，吉林松原人，教授，硕士，研究方向为材料表面工程.