先進(jìn)復(fù)合材料挖補(bǔ)修理技術(shù)的研究進(jìn)展

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1、。。叢。Q；!：；；。。。。。。．：il：!：!：．：li!星先進(jìn)復(fù)合材料挖補(bǔ)修理技術(shù)的研究進(jìn)展ResearchProgressofCompositesScarfRepair北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院高宇劍程小全高字劍北京航空航天大學(xué)飛行器設(shè)計(jì)專業(yè)碩士研究生．研究方向?yàn)閺?fù)合材料結(jié)構(gòu)修理技術(shù)。復(fù)合材料憑借眾多優(yōu)點(diǎn)在航空業(yè)得已到了廣泛應(yīng)用。最新的大型客機(jī)，如波音787的復(fù)合材料用量已經(jīng)達(dá)到50％；空客A350XWB的復(fù)合材料用量將會(huì)達(dá)到52％；現(xiàn)代軍用直升機(jī)和小型飛機(jī)的機(jī)體為了減重，采用全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在制造

2、、安裝、使用過程中可能會(huì)出現(xiàn)各種不同程度的損傷，例如在安裝過程中工具墜落造成的沖擊損傷：戰(zhàn)場(chǎng)中槍彈造成穿透損傷；飛行過膠接修理作為修理復(fù)合材料損傷的一種主要手段，可分為貼補(bǔ)修理和挖補(bǔ)修理。挖補(bǔ)修理因其修理后強(qiáng)度高。能夠保持原有結(jié)構(gòu)氣動(dòng)外形等優(yōu)點(diǎn)。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)的修理中被廣泛應(yīng)用。程中的鳥撞損傷、雷擊損傷。膠接修理作為修理復(fù)合材料損傷的一種主要手段，可分為貼補(bǔ)修理和挖補(bǔ)修理。挖補(bǔ)修理因其修理后強(qiáng)度高，能夠保持原有結(jié)構(gòu)氣動(dòng)外形等優(yōu)點(diǎn)，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)的修理中有廣闊的發(fā)展前景。挖補(bǔ)修理的材料和設(shè)備根據(jù)修理所用材料的不同，復(fù)合材料挖補(bǔ)修理分為

3、預(yù)浸料(Prepreg)修理、預(yù)固化片(Preeured)修理和濕鋪層(Wet—layup)修理3種修理工藝。需要注意的是，除非在修理時(shí)確有需要，否則很少采用預(yù)固化補(bǔ)片的工藝來修理。這是因?yàn)椴捎妙A(yù)固化片修理雖然省去了鋪貼修理層的工序、節(jié)省了時(shí)間，但是在膠接時(shí)，膠接面處容易出現(xiàn)膠層厚度不一致，膠層中以及膠接面出現(xiàn)孔隙等問題，嚴(yán)重影響膠接質(zhì)量以及修理結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。膠粘劑(Adhesive)是修理中另一個(gè)重要材料，通常飛機(jī)結(jié)構(gòu)維修中使用的膠粘劑都以膠膜(Adhesivefilm)的形式提供。膠粘劑的主要成分為：合成樹脂以及稀釋劑、固

4、化劑等多種添加劑。膠粘劑的成分對(duì)膠接性能起決定性作用。不同成分的膠粘劑的固化、使用條件各不相同，其剪切強(qiáng)度、模量等力學(xué)性能也不同；即使是同種樹脂的膠粘劑，其添加劑不同，也會(huì)造成膠接性能的差別。因此維修中針對(duì)不同膠接物的結(jié)構(gòu)承載狀況，采用相匹配的膠粘劑對(duì)膠接修理至關(guān)重要。挖補(bǔ)修理的設(shè)備主要有：材料貯存設(shè)備(冰箱)、加熱設(shè)備(電熱毯、烘箱)、抽真空設(shè)備(真空袋)、切割設(shè)備(銑刀、打磨器)。由于飛機(jī)客戶對(duì)效率、成本的要求，現(xiàn)場(chǎng)，前線快速修理技術(shù)的迅速發(fā)展。很多國外復(fù)合材料維修公司(如WichiTeeh、2011年第20期·航空制造

5、技術(shù)97．．2i!：!：：!：．：lli!星。。。。。；l：；；!。。。I。。HEATCON)都開發(fā)了便攜式的膠接維修系統(tǒng)(HotBondSystem)。挖補(bǔ)修理的步驟復(fù)合材料挖補(bǔ)修理的步驟和其他復(fù)合材料膠接修理的基本步驟相同，主要包括以下7點(diǎn)：(1)利用目視、敲擊和超聲波無損檢測(cè)等方法確定損傷程度和范同；(2)清除損壞材料、斜坡打磨或階梯打磨挖補(bǔ)角；(3)使用丙酮、甲基異丁基甲酮(MIBK)等有機(jī)溶劑清潔膠接面；(4)鋪設(shè)修理層(濕鋪層和預(yù)浸料修理)或放置補(bǔ)片(預(yù)固化修理)，保證膠層厚度一致，膠接連續(xù)；(5)加熱毯、真空袋

6、等固化設(shè)備的封裝，按照修理同化條件和時(shí)間進(jìn)行固化；(6)拆除封裝材料，對(duì)修理表面打磨修整；(7)對(duì)修理情況進(jìn)行檢查評(píng)估。挖補(bǔ)修理的試驗(yàn)研究復(fù)合材料挖補(bǔ)修理的研究，根據(jù)表1不同搏補(bǔ)參數(shù)和所對(duì)應(yīng)的試件最終強(qiáng)度試件材料攙樸用慵羼暖序下爰面露平均i薹匿醋散度編號(hào)，(o'直鞋矗盂7蛆Ph，％AT30叫Y9200G6【±451901021±45／01_：2030575BT3(刪NY92叭)C6『±45／90／0J±45／0

7、、1【)3192It：1300，NY921)0C6I±45／9010,／±452，fJk202936．2Dr300

8、，NY9200‘；6I±45／90／0、／±45二，0k10294Il8E”()0Sc，NY9200GA6I±45／90／0、／±45doJ；203485．7F”00SC／NY92tX)(：^10【±45／90／0,／±452／0k2()4345．2在綜合考慮各因素的影響程度和范圍，能夠?qū)ν谘a(bǔ)修理方法進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高修理效率和修理強(qiáng)度。試驗(yàn)研究的一般步驟為：首先在試驗(yàn)機(jī)上等速加載修理試件，觀察其破壞路徑并記錄位移一載荷曲線、破壞強(qiáng)度；其次對(duì)破壞的試件進(jìn)行失效分析，一般包括挖補(bǔ)截面的金相分析和斷口掃描電鏡(SEM)觀察；最

9、后利用這些失效分析圖1挖補(bǔ)修理層合板的修理參數(shù)方法可以分為試驗(yàn)研究和數(shù)值研究。研究的對(duì)象包括修理結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布、膠層的破壞模式，以及修理后強(qiáng)度。如圖1所示，挖補(bǔ)修理層合板的最終強(qiáng)度與挖補(bǔ)角、膠層厚度、挖}L直徑以及層合板的鋪層順序等多個(gè)因素有關(guān)。為了研究不同因素對(duì)挖補(bǔ)修理的影響，可以改變挖