非穿透性結構損傷修理研究

趙培仲，戴京濤，魏華凱，胡芳友（海軍航空工程學院青島校區航空機械系，山東 青島 266041）

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非穿透性結構損傷修理研究

趙培仲，戴京濤，魏華凱，胡芳友
（海軍航空工程學院青島校區航空機械系，山東 青島 266041）

摘要：研究了非穿透性結構損傷的修理，討論了樹脂填充、增強樹脂填充和復合材料粘接3種修理方法對結構承載能力恢復的影響。研究結果表明，前2種方法對結構承載能力的恢復影響較小，復合材料粘接修理可以很好地恢復結構的承載能力，其中采用碳纖維復合材料比玻璃纖維復合材料補片可以獲得更好的修理效果。隨著補片厚度和剛度的增加，粘接修理結構的破壞形式以剝離破壞為主。

關鍵詞：復合材料粘接修理；光固化；應急修理；承載能力

由于環境的影響，艦船、飛機結構在服役過程中常會因為腐蝕等原因誘發結構損傷。這些損傷將會導致結構承載能力的下降。如果不及時進行修理，腐蝕損傷則會繼續擴展，最終導致結構的失效。因此，及時發現和修理損傷結構對保持結構的完成和必要的承載能力是至關重要的。由于樹脂基復合材料具有優異的耐腐蝕和抗疲勞性能[1，2]，近年來，樹脂基復合材料在金屬結構的損傷修理應用受到了關注，復合材料粘接修理已經成為一種重要的結構損傷修理方法[3～6]。對于及時發現的腐蝕損傷而言，大部分都是非穿透性的，為此，本文針對這類損傷的復合材料粘接修理進行研究，重點分析修理方式對其影響。由于光固化具有節能、快捷的優點，在復合材料粘接修理中正得到越來越多的應用[7～9]，考慮到應急情況下的修理條件和時間都非常有限，本文采用光固化的手段進行修理。

1 實驗部分

1.1 損傷試樣的制備

將1.5 mm厚的LY12鋁合金材料裁剪成140 mm×35 mm的矩形板，在板的中心預制直徑12 mm，深1 mm的圓形盲孔，用以模擬結構的非穿透損傷。

1.2 光固化粘接修理

在粘接修理之前首先對損傷試樣進行表面處理，主要包括噴砂和溶劑清洗以及干燥處理。粘接修理分別采用3種方式進行，分別標記為（a），（b）和（c），如圖1所示。（a）是僅僅采用環氧樹脂填充損傷凹坑，然后用紫外光輻照固化，輻照20 min；（b）是采用剪碎的玻璃纖維布增強的環氧樹脂填充，增強纖維按照樹脂質量的5%添加，然后進行光固化；（c）是采用樹脂填充，并且用玻璃纖維或碳纖維布增強的環氧樹脂復合材料補片貼補增強。復合材料粘接修理采用濕鋪法，然后紫外光輻照20 min固化，補片尺寸是60 mm×35 mm。

圖1 粘接修理示意圖Fig.1 Schematics of adhesively bonded repairing（a.樹脂填充；b.增強樹脂填充；c.樹脂填充加復合材料貼補）

1.3 拉伸測試

采用濟南泰斯特WDW-1型電子萬能材料試驗機，在室溫下測試拉伸性能，拉伸速率5 mm/min。每組試樣測試3個，取平均值，結果如表1所示。用最大拉伸破壞載荷表示結構的承載能力。

表1 光固化粘接修理試樣拉伸性能Tab.1 Tensile properties of adhesively bonded repairing samples cured by UV

2 結果與分析

2.1 修理方式的影響

從拉伸測試結果（見表1）可以看出，只采取填充的方法，對于提高結構的抗載荷破壞的能力作用并不大。采用剪碎玻璃纖維布增強的樹脂填充比單純的樹脂填充在恢復結構承載能力上稍好。

采用復合材料貼補加強修理的方式，在恢復結構承載能力方面明顯好于單一的填充修理。單層玻璃纖維布補片可以使損傷結構的破壞載荷恢復到未損傷結構的77%。隨著補片層數的增加，結構的承載能力逐漸提高。當采用三層復合材料補片時，損傷結構修理后的承載能力達到完好狀態的90.3%。

增加補片層數可以有效提高補片本身的承載能力，分擔更多的結構載荷，進而更好地恢復結構的承載能力。但是，層數的增加會使補片厚度增加，使結構承載時補片的剝離應力增加，誘發剝離破壞[10]。

當采用碳纖維復合材料作為補片時，損傷結構承載能力的提高更明顯。從表1可以看出，采用單層碳纖維復合材料補片就可以恢復88%的結構承載能力；當采用兩層時，幾乎可以全部恢復結構的承載能力，達到95.2%。

光固化可以更加快捷地實現損傷結構的快速修理，修理過程在1 h內即可完成，而且可以很好恢復結構承載能力。這表明，光固化復合材料修理特別適合于應急修理。

2.2 破壞模式分析

拉伸加載過程中，應力集中通常發生在損傷盲孔的底部邊緣。因此，這也是修理結構出現起始破壞，并誘發結構破壞的薄弱之處。光固化修理后，結構的部分載荷傳遞到填充樹脂或復合材料補片上。拉伸開始后，補片和損傷結構一起發生變形，具有相同的形變。因此，樹脂和補片的剛度越大，在拉伸中分擔的結構載荷越大。但是，環氧樹脂及其復合材料屬于脆性材料，其變形能力比較差。隨著載荷和變形的逐漸增加，復合材料補片難以和鋁合金一起發生形變，此時，膠層的剪切應變隨之增大，使補片和填充樹脂發生破壞或者是與損傷結構剝離，如圖2所示。對于填充修理的（a）和（b）2種修理方式，破壞模式主要是試樣損傷盲孔的底部邊緣的斷裂破壞，填充樹脂的和盲孔的底部也有部分剝離發生。通過觀察拉伸過程可以發現，通常在試樣發生斷裂破壞之前，填充樹脂會首先發生剝離現象，這正是應變不同步所導致的。

圖2 破壞模式Fig.2 Failure mode

對于填充復合材料貼補加強的修理方式，有補片破壞和補片剝離2種破壞模式。單層和兩層玻璃纖維復合材料補片大都是補片的破壞，因為補片本身的承載能力較低導致的，三層玻璃纖維復合材料補片則主要是發生補片的剝離破壞，如圖3所示。此時，補片的強度較高，膠層更容易發生破壞。同時，層數的增加，也會使得膠層的剝離應力增加。

碳纖維復合材料補片比玻璃纖維補片具有更高的強度和剛度，因此，兩層碳纖維復合材料補片都是補片的剝離破壞，單層碳纖維復合材料則也是以補片的破壞為主，分別如圖3（4）和（3）所示。另外，還可以通過改善表面處理工藝的方法來進一步提高粘接修理的效果。

圖3 修理方式（c）的破壞模式Fig.3 Failure modes of repairing method（c）

3 結論

對于非穿透性損傷，采用樹脂或纖維增強的樹脂填充修理對損傷結構的承載能力恢復影響較小。對于輕微的損傷可以采用該修理方法。采用復合材料補片增強可以很好地恢復損傷結構的承載能力。碳纖維補片比玻璃纖維補片可以更好地修復損傷結構。光固化可以在較短的時間內恢復結構的承載能力，非常適合于應急搶修工作。但是，隨著復合材料補片層數（厚度）的增加，粘接修理結構更容易發生剝離破壞。此時需要更好的表面處理工藝和基體樹脂材料來進一步改善粘接界面的性能。

參考文獻

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Study on adhesively bonded repairing of part-through damage

ZHAO Pei-zhong, DAI Jing-tao, WEI Hua-kai, HU Fang-you
(Department of Aeronautical and Mechanical Engineering, Qingdao Branch, Naval Academy of Aeronautical Engineering, Qingdao, Shandong 266041, China)

Abstract：In this paper, three different repairing methods, including resin filling, reinforced resin filling and adhesively bonded composite patch repairing, were investigated. According to the results, the filling means can only restore the load capacity slightly. Adhesively bonded composite patch repairing can increase the load capacity of the damaged structure obviously. Also, the carbon fiber composite can bring better repairing effect than the glass fiber composite. With the increase of modulus and thickness of the composite patch, the primary failure mode became the peeling failure of patch.

Key words：adhesively bonded composite repairing; UV curing; emergency repair; load capacity

中圖分類號：TG494

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2016）02-0049-03

基金項目：中國博士后科學基金（20110491882；2012T50875）。

作者簡介：趙培仲（1978-），男，博士，工程師，主要從事飛機結構修理研究。E-mail：zpzgraduate@163.com。

收稿日期：2015-08-31