蜂窝夹层结构的注胶修理工艺研究

邵蕊

摘 要：近年来，随着民航领域的快速发展，各大航空公司机队规模逐渐扩大，复合材料用量呈明显递增趋势，其用量和比例已成为衡量飞机是否先进的重要标准之一。由于复合材料普遍存在层间性能弱、易受冲击损伤等缺点，在服役期间易受到挤压、超载、冲击和环境等因素的影响造成损伤，从而影响复合材料的整体结构性能。因此，复合材料发展和应用对其缺陷损伤注胶修理提出迫切要求。

关键词：复合材料;修理;技术

复合材料蜂窝夹层结构主要是由两层刚度/强度较高的上、下面板和一层厚而轻的低密度夹芯层组成，将上、下蒙皮与芯子通过粘接剂胶接，采用直接注塑或模压的加工工艺获得整体结构。蜂窝夹层结构有质量轻、刚度大、隔热性能较好的优点，大量应用于飞机结构。但飞机在服役过程中不可避免地因意外撞击、鸟撞、冰雹等冲击，造成复合材料夹层结构的损伤。从而大大降低结构的承载能力，因此复合材料蜂窝夹层结构的修理及修理后剩余强度受到研究人员越来越多的关注。

一、复合材料受损结构件修补的重要性

目前，军机和客机老龄化问题日趋严重，为了确保现役飞机的正常使用，延长老龄飞机的经济寿命，就必须对受损部位进行维修，或对受损构件进行更换。由于现代飞机设计、制造成本昂贵，而飞机结构的损伤绝大多数具有局部性和多发性的特点，对于那些不很严重的损伤，更换损伤结构，非但不必要，而且将花费大量的人力、物力和财力，延长飞机的停飞事件，造成浪费。这时，最经济、最有效的方法就是对飞机的受损部位进行修理，以完全或部分恢复构件的承载能力，保证它的使用安全性。由此可见，修理受损的复合材料结构件是非常必要而且重要的。

二、复合材料常见缺陷及损伤修理

1、常见典型损伤和缺陷。生产过程中工艺控制不当、在服役过程中受到物体冲击或受环境条件影响，这些因素都会造成复合材料的损伤或缺陷，复合材料在制造和使用中的常见缺陷和损伤如表。

2、损伤容限与修理容限。修理容限指的是两个定量的界限，在复合材料修理中即表述为出现缺陷或损伤后需不需修、能不能修。结构的损伤容限是指损伤范围从阈值到临界值，以确定损伤结构在规定的使用期间是否具有足够的剩余强度。修理工艺水平和经济因素决定了修理容限。

三、复合材料结构修理方法

1、注胶与填胶修理。注胶修理是指当层合板结构或夹芯结构出现小面积的内部分层或脱胶损伤时，将渗透性和流动性好的低黏度树脂注入到分层或脱粘区域并使之固化粘合的一种胶接修理方法。填胶修理是将树脂胶或其他填料填充或灌注到损伤区以恢复其结构完整性的一种修理方法，通常在一些装饰性结构和受载较小的蜂窝夹层结构上使用。修复的主要形式有表面划痕、凹坑、部分蜂窝芯损坏、孔位置错误、孔尺寸过大。

2、胶接连接修理。通过使用胶粘剂将被修补结构与补片共同固化连接在一起的复合补片的修复方法称为胶接修复，以确保损坏的复合材料的结构完整，完成载荷转移的修复。在实际工作中，胶接修补是复合材料结构修补使用最多的修补方法，根据补片胶接方式不同，又可分为贴补法和挖补法两种。

（1）贴补法。贴补法是指在去除损伤结构后，在缺陷部位表面附着固定补片，以恢复结构完整性、使用性能及承载力学性能的一种胶接修补手段。根据补片粘贴位置，贴补法可以分为单面贴补和双面贴补。由于其对操作设备要求不高，具有操作简单、周期短等优点，该方法多用于外场临时性修理，由贴补法不能应用于对气动外形要求较高的部位的修理。基于连续介质损伤力学和粘聚区模型建立了修补复合材料层合板的渐进损伤分析模型，计算了贴补修复后拉伸载荷下的极限强度，研究了补片复合材料的损伤演化过程，并讨论了补片参数对修补后拉伸性能的影响，得出不同破坏模式下补片参数的改变对其力学性能的影响。当主要破坏模式是补片破坏时，补片的直径对修补结构的极限强度影响不大;当破坏模式是胶层破坏时，补片直径的增大可显著提高修补的极限强度。分析原因为当补片直径较小时，胶层剥离应力较大，此时胶层容易首先失效;补片直径逐渐增大，胶层剥离应力随之降低，不易失效，故修补结构的极限强度随着补片直径的增大而明显提高。

（2）挖补法。挖补法是先将损伤和缺陷部位去除，再在损伤部位填以新材料的一种胶接方法。根据去除损伤时打磨手段不同又可分为斜接法和阶梯法。相较于贴补法，复合材料结构经过挖补修理后，胶接面的胶层剪切应力较为均匀，且能保持较好的气动外形。因此，挖补法多用于曲率较大、对承载及气动外形要求较高的复合材料结构。[2]采用了三维损伤累积模型与试验相结合的方式研究了修理后的复合材料层合板的拉伸性能，探讨了挖补角对修复后层合板力学性能的影响，得出挖补修理中胶层失效载荷随挖补角的增大而减小。同时分析了层合板挖补修复后受拉伸性能的影响、胶层失效后传力路径的变化，得到在胶层完全破坏后损伤会沿母版最窄处向两侧自由边迅速扩展。当挖补修补结构不同时斜接法對挖补修理后力学性能变化的影响，分别对斜坡比为1：10、1：20、1：30和1：40的层合板进行拉伸破坏试验，得出当斜坡比为1：30时采用斜接法修补抗拉强度最好，同时总结了斜接法修补后的断裂位置特征，得出断裂类型主要有脱胶断裂和补片断裂。

在当前航空航天领域发展迅猛趋势下，我国未来几年在复合材料修理技术领域有望取得更大的突破。在完善与充分利用现有技术的基础上，应不断汲取新技术方向发展;将实际工程相结合，成熟健全的修理技术是复合材料应用于各个领域的有力保障;开展复合材料修理标准化科学框架研究，大幅度提高修理效率，促进航空领域的可持续发展。

参考文献

[1]杜善义，关志东.我国大型客机先进复合材料应对策略思考[J].复合材料学报，2017，25（1）：1-10.

[2]王长越，邢素丽.冲击损伤下航空复合材料修复技术研究进展[J].玻璃钢/复合材料，2017，12.

[3]徐绯，刘斌，李文英.复合材料修理技术研究进展[J].玻璃钢/复合材料，2016，8.

[4]相超，周丽，宋恩鹏.拉伸载荷下贴补复合材料层合板的渐进损伤分析[J].工程力学，2017，31（10）：21.