蜂窝夹芯结构粘接修理研究

孙海霞，崔爱永，戴京涛，苏洪波，魏华凯

(海军航空大学 青岛校区，山东 青岛 266041)

蜂窝夹芯结构是近年来广受关注的一种新型复合材料。它是由上下两层大强度的薄板和中间一层玻璃纤维或者复合材料制成的芯子组成(见图1)，上下两层面板和中间的芯子通过胶接或焊接连接。其面板是主要的受力部件，芯子起到分隔和支撑上下两面板的作用，并且可以承受面板内部产生的剪应力[1]。蜂窝夹芯结构可以由很多材料制成，蜂窝芯子按其材料的不同可分为铝蜂窝、玻璃蜂窝和芳纶纸蜂窝等，面板材料有铝合金、钛合金、不锈钢和玻璃钢等复合材料。蜂窝夹芯结构除具有传统复合材料的大多数优点外，还具有耗材少、成本低、面积大、质量轻、可循环和耐高温等优点[2-3]。因此，飞机复合材料结构件大多数采用蜂窝夹芯结构，如雷达罩、客舱地板、各类装饰面板、各类整流罩、操纵舵面和梁腹板等[4]。随着飞机结构上蜂窝夹芯结构的大量使用以及对飞机使用寿命要求的不断提高，蜂窝夹芯结构受损修理问题正成为目前航空领域亟待解决的技术问题。

图1 蜂窝夹芯结构

目前，胶接蜂窝夹芯结构件的损伤大概可分为5类[5]：表面损伤、脱粘损伤、单侧面板损伤、穿透损伤和内部积水。这些损伤中，穿透损伤最为严重，修补难度最大，需要用挖补法进行修补。针对蜂窝夹芯结构损伤后修理问题，国内外学者已经进行了广泛的研究[6-8]。汪海等[9]对受损伤复合材料蜂窝夹芯结构的单侧挖补、单侧加衬挖补和双面贴补修理方法进行了研究，得出了复合材料蜂窝夹芯结构修补后的刚度和强度变化规律；李剑峰等[10]对复合材料蜂窝夹芯结构单面贴补的弯曲性能进行了试验研究和数值分析；曾建江等[11]研究了不同夹芯复合材料夹层结构的剪切破坏行为。本文以试验研究为主，探究用挖补法修补芳纶纸蜂窝单侧面板和芯子损伤后夹芯结构的抗冲击和抗压缩性能，采用控制变量法探究不同尺寸铺层面板、不同树脂胶和不同蜂窝紧密程度3种试验因素对修理效果的影响，以探究最佳修理方案，期望对外场修理工作起到指导作用，提高外场修理工作效率。

1 试验

1.1 试验设备和材料

试验设备：落锤冲击试验机、压缩试验机和电热鼓风干燥箱。

试验材料：芳纶纸蜂窝、玻璃纤维布、环氧树脂、聚酰胺树脂、固化剂、特种润滑脂、玻璃棒、胶层塑料刮板、一次性橡胶手套、一次性塑料纸杯、裁纸刀、尺子、剪刀、记号笔和游标卡尺。

1.2 试验方案

试验方案是采用控制变量法，将面板的尺寸、蜂窝替芯紧密度以及胶层的类型作为变量，通过这3个变量的不同排列组合，制定了7个不同修补方案，每个方案准备6个试件，另外需要准备6个完好的试件与修补试件进行对比，一共48个试件(见表1)。每个方案取3个试件进行落锤冲击试验，另外3个试件进行压缩试验。最后，量取并记录落锤冲击试验后的试件损伤的尺寸和深度数据，读数并计算压缩试验后试件的最大承受压力和最大应力。

表1 试验方案

1.3 试件制备

本试验需要制备48块边长为80 mm的正方形蜂窝夹芯结构试件。试件的面板采用铺层为3层的玻璃纤维布，中间胶层使用环氧树脂加入固化剂调制的胶或者聚酰胺树脂加入固化剂调制的胶。其中，环氧树脂与固化剂的配制比例为4∶1，聚酰胺树脂与环氧树脂的配制比例为1∶1。挖去蜂窝夹芯结构试件中一块边长为40 mm的正方形区域(见图2)，剩余部分应保证切口边缘不产生蜂窝芯子与面板脱粘，损伤底部的面板应尽量把残余的蜂窝芯子剔除，使底部平整。

图2 损伤试件

受损伤试件的未损伤面板内侧涂抹胶，把裁剪好的40 mm×40 mm的芳纶纸蜂窝轻轻放进受损部位，保证芳纶纸蜂窝上方与未损伤的芳纶纸蜂窝芯子齐平，保证玻璃纤维布完全覆盖住损伤，100 ℃高温固化2 h，修补好的试件如图3所示。

图3 修补好的试件

2 试验数据分析

2.1 冲击试验数据分析

冲击试验得到的试验数据见表2。

表2 冲击试验数据

通过试验数据的比较和对冲击后试件的观察有如下发现。

1)所有试件修补后的抗冲击性能均可恢复或者近似恢复试件完好时的抗冲击性能。

2)矩形面板受冲击后，尺寸短的一侧容易脱粘，也更容易出现裂纹，而用正方形面板修补的试件受冲击后，四周不容易出现脱粘和裂纹。因为受冲击时，正方形的面板受力比较均匀，不会形成较集中的应力，所以使用正方形面板修补的试件其抗冲击性能要优于矩形面板修补的试件。

3)使用更紧密的蜂窝对试件进行修补后，其抗冲击性能要明显优于与损伤尺寸相同的蜂窝进行修补的试件。这主要是因为相同体积下，紧密蜂窝替芯的密度更大，蜂格多，当锤头落下时，单位面积内会有更多的蜂格来承受冲击。

4)2种不同的胶对修补后试件的抗冲击性能影响效果不是很明显。

2.2 压缩试验数据分析

压缩试验得到的试验数据见表3。

表3 压缩试验数据

通过试验数据的比较和对冲击后的试件观察有如下发现。

1)方案1和方案5没有超过完好时的最大压缩应力和低于完好时的最大压缩应力。通过观察压缩后的试件和分析发现，矩形面板在接受压缩时，当压力增大到一定值时，短边一侧的蜂窝替芯会提前失效出现断裂，导致整个试件受力不均匀，整个试件的最大承受压力就达不到修复前的水平。方案2～方案7的最大承受压力和最大压缩应力均超过修复前水平，是因为修补后试件损伤处的面板要高于正常区域的面板，高处的部分是胶层和修补的面板，这两部分在进行压缩时先受力，它会将受到的压力势能部分转化为弹性势能和热能，最后才是试件整体受力，所以在试验结果上会表现为修复后的抗压强度要超过完好时的抗压强度。

2)蜂窝芯子的紧密程度对于修补效果具有十分明显的影响。使用更紧密的蜂窝对试件进行修补后，其抗压缩性能要明显优于与损伤尺寸相同的蜂窝进行修补的试件，并且更紧密蜂窝对试件抗压缩性能的影响要大于矩形玻璃纤维布面板。

3)2种不同的胶对修补后试件的抗压缩性能影响较为明显。

3 结语

通过上述研究可以得出如下结论。

1)试件修补后的抗冲击性能能够恢复到或者近似恢复到试件完好时的抗冲击性能；并且使用正方形面板、紧密的蜂窝芯子和环氧树脂胶层修补的试件抗冲击性能最好。

2)试件修补后的抗压缩性能能够恢复到或者近似恢复到试件完好时的抗压缩性能；并且使用正方形面板、紧密的蜂窝芯子和聚酰胺树脂胶层修补的试件抗压缩性能最好。

希望这些规律和结论能够对飞机上芳纶纸蜂窝部件的修理起到指导作用。在今后的研究中，能够更进一步探究和改进芳纶纸蜂窝的修补工艺，采用更加先进修理技术去探究胶层固化时间、铺层数量对于修补效果的具体影响。