碳纖維/聚酰亞胺樹脂基復(fù)合材料開孔修補工藝的可靠性研究

◎許國棟 紀斌逸 蔣蔚

碳纖維/聚酰亞胺樹脂基復(fù)合材料開孔修補工藝的可靠性研究

◎許國棟 紀斌逸 蔣蔚

為了驗證碳纖維/聚酰亞胺樹脂基復(fù)合材料開孔修補工藝的可靠性，采用了平板開孔修補試驗件模擬某構(gòu)件在振動工況下的工作環(huán)境，行進開孔修補試驗件x,y,z三軸向的動應(yīng)變測試，試驗結(jié)果表明：試驗件無異常，動應(yīng)變最大值≤200uε滿足抗震性能要求。

耐高溫聚酰亞胺樹脂基復(fù)合材料具有比強度和比模量高、可設(shè)計性強、抗疲勞性能好及耐熱性能優(yōu)異等獨特優(yōu)點。其中BMP316聚酰亞胺樹脂基復(fù)合材料是國內(nèi)使用最廣泛的耐高溫樹脂基復(fù)合材料，并已經(jīng)在發(fā)動機構(gòu)件中得到應(yīng)用。

發(fā)動機復(fù)合材料在實際使用過程中因各種原因發(fā)生擦傷、劃傷、磕、碰傷、分層等損傷，其中部分損傷面積小、深度淺，可直接采用膠黏劑修補損傷處，修補工藝簡單，成本低，可操作性高。本研究為了驗證碳纖維/聚酰亞胺樹脂基復(fù)合材料開孔修補工藝的可靠性，采用了平板開孔修補試驗件模擬某型號構(gòu)件在振動工況下的工作環(huán)境，通過對開孔試驗件x,y,z三軸向的動應(yīng)變測試，考核修補結(jié)構(gòu)的抗振性能。

試驗

試驗材料。采用T300碳纖維/ BMP316聚酰亞胺預(yù)浸料，樹脂含量38～42%，單位面積纖維質(zhì)量131～133g/ mm2，固化后單層厚度為0.12mm。某型耐溫膠黏劑，可在280°長期使用。

試件制備。試件為層合板，采用真空袋-熱壓罐成型。試驗件幾何尺寸為140X70mm，厚度為4mm，其中在試驗件中間加工Φ16mm的盲孔，盲孔深度為0.4mm。盲孔采用耐溫膠黏劑補平。為了監(jiān)測試驗件在振動試驗過程中的應(yīng)變狀況，在耐溫膠修補處的背面每900粘貼一應(yīng)變片，共4片，試驗件見圖1、2。

試驗環(huán)境條件。試驗環(huán)境條件為，試驗溫度24±2℃，環(huán)境濕度28±3%。

試驗過程。根據(jù)GJB150.16A-2009軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第16部分：振動試驗的要求，分別按z方向、y方向、x方向裝在實驗臺上，進行各自方向的振動試驗，試驗時采用兩端夾持的邊界條件，夾持尺寸為10～15mm，見圖3。本試驗系統(tǒng)為蘇州儀器試驗總廠生產(chǎn)的DCDS-2200-26～06電動振動系統(tǒng)，試驗振動控制系統(tǒng)采用的是美國Spectral Dynamics (SD)公司的美洲豹（PUMA）振動控系統(tǒng)。

試驗結(jié)果與分析

試驗件z、y、x方向的試驗振動條件的關(guān)鍵點如表1所示，每個方向振動持續(xù)時間為4小時。

從試驗現(xiàn)場狀況看，整個使用過程并無異常現(xiàn)象。從試驗后試件的形態(tài)看，試件整體無明顯變化，復(fù)合材料開孔修補處無脫落，無裂痕。對試件進行無損檢測，復(fù)合材料試件無缺陷,開孔修補處也無缺陷。

z,y,x方向振動試結(jié)果如圖4所示，我們從試驗過程測量的應(yīng)變數(shù)據(jù)看，所有應(yīng)變點應(yīng)變值較小。其中z方向1、3監(jiān)測點值≤200uε，2、4監(jiān)測點值≤100uε；y方向1、3監(jiān)測點值≤50uε，2、4監(jiān)測點值≤30uε，x方向1、3監(jiān)測點值≤100uε，2、4監(jiān)測點值≤50uε，監(jiān)測點在受力狀況下，均處于安全狀態(tài)。

復(fù)合材料開孔修補工藝振動試驗動應(yīng)變最大值出現(xiàn)在Z方向，最大值為200uε，滿足構(gòu)件振動性能要求；振動試驗和無損檢測結(jié)果合格，表明碳纖維/聚酰亞胺復(fù)合材料開孔修補工藝合理可行；碳纖維/聚酰亞胺樹脂基復(fù)合材料開孔修補工藝，為某型發(fā)動機復(fù)合材料構(gòu)件使用壽命的延長提供了一種安全可行的途徑。

（作者單位：中航復(fù)合材料有限責任公司）