GFRP層合板挖補修理參數對其拉伸性能的影響

路鵬程，王宏洋，李　娜，蘇景新

（中國民航大學天津市民用航空器適航與維修重點實驗室，天津　300300）

GFRP層合板挖補修理參數對其拉伸性能的影響

路鵬程，王宏洋，李娜，蘇景新

（中國民航大學天津市民用航空器適航與維修重點實驗室，天津300300）

針對民用航空器用玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料（GFRP，glass fiber reinforce polymer）層合板，典型損傷通常采用挖補方法進行修理，本研究對挖補修理的關鍵參數——臺階比率、表面粗糙度、固化溫度等因素對挖補修理結構拉伸性能的影響規律進行了系統研究。實驗結果表明，挖補修理明顯改變了GFRP層板結構的力學特性，在6種臺階比率（1∶10～1∶60）中，隨著臺階比率的增加，拉伸強度呈現先增加后減小的趨勢，在臺階比率為1∶40時，拉伸強度最高，拉伸強度保持率約為51%。在臺階比率為1∶40情況下，修理試樣拉伸強度隨著粘接界面的粗糙度增加而增加；同時，隨著修理固化溫度的增加，拉伸強度也出現先增加后降低的趨勢，250℉時修理試樣拉伸強度最高。

復合材料；挖補法修理；力學性能；固化溫度

先進復合材料具有高比強度、高比剛度、耐腐蝕和疲勞性能好等優異特性，在航空航天等領域得到廣泛應用，如在航空中，已由平尾、擾流板及方向舵等次承力擴展至中央翼盒、機身等主承力結構[1-3]。但其結構在使用壽命期內由于各種原因不可避免地會產生損傷。出于安全性和經濟性考慮，部分損傷結構必須實施修理。挖補法膠接修理對結構外形及氣動特性影響小并具備更高的修理效率，因而得到普遍采用，也是復合材料層壓板結構的基本修理方法之一[4-6]。

結構修理的實施勢必使結構原有力學特性產生變化，如靜強度、穩定性等靜力學特性以及固有頻率、動力響應等動力學特性。對于航空領域大量應用的復合材料薄壁結構而言，修理引起的結構穩定性變化是必須考慮的因素，其對結構能否繼續安全承載至關重要[7]。中國目前實施的大型民機重大科技專項也提出了復合材料結構修理研究的迫切需求[8]。對于飛機服役中出現的大量結構損傷，通過及時修理恢復其結構完整性和力學性能，使之重新投入使用，是商用飛機營運的重要保證。而修理方案設計、修理參數等是影響結構修理后其力學特性恢復的關鍵因素，對飛機結構安全使用產生的影響具有重要意義。

綜上所述，復合材料結構的復雜性決定了復合材料修理工藝的復雜性。復合材料損傷的膠接修理工藝參數對修復后的力學性能影響較大，修理工藝流程復雜，開展挖補膠接修理工藝參數對GFRP層壓板結構力學特性的研究，具有重要的理論意義和工程應用價值。

1　實驗材料及方法

1.1材料及試件制備

實驗材料選用日本東麗公司提供的民用航空器用BMS8-79 Style1581玻璃纖維預浸料；采用熱壓罐成型方法制備試板，拉伸性能測試層合板鋪層方式為[0]4。修理用膠膜為BMS 5-101，Type2，Grade10型中溫固化膠膜。對制備好的試板進行無損檢測，確保試板質量合格。

1.2挖補修理

采用階梯挖補法對GFRP層合板進行修理，修理結構示意圖如圖1所示。

圖1　層板挖補法修理示意圖Fig.1　Schematic diagram of laminate scarf patch repair

修理參數如表1所示。

表1　層板結構修理參數Tab.1　Structural repair parameters of laminate

1.3修理后質量檢測及力學性能測試

為了對修理質量進行評價，依據GB1446-83對修理后試樣進行目視檢查，之后進一步采用PAC公司超聲C掃無損檢測設備對修理后的試板進行檢測，保證修理質量的合格性。

采用INSTRON 5598型電子萬能拉伸試驗機對同批次完整試件和修理后試件進行力學性能測試。拉伸性能測試方法執行標準ASTM D3039，試樣尺寸如圖2所示，每組試件數量為5個。

圖2　試件尺寸Fig.2　Specimen size

2　結果討論

2.1修理質量檢測

對修理后的GFRP試板進行了外觀目視檢查，修理后試板外觀平整，無宏觀缺陷，鋪層結構完整；超聲C掃檢測結果如圖3所示，從圖中可以看出修理試板中沒有宏觀或微觀缺陷，修理質量合格。

圖3　修理后GFRP試板C掃檢測結果Fig.3　C-scan test results of GFRP test plate after repair

2.2臺階比率對GFRP拉伸性能的影響

針對挖補修理臺階比率設計了1∶10～1∶60的6種不同搭接尺寸，圖4為不同搭接尺寸拉伸試樣測試后的照片，可以看出，拉伸斷裂區域均在修理區域。

圖4　不同搭接界面尺寸試樣拉伸測試照片Fig.4　Tensile test sample photo of different lap interface size

圖5為臺階比率對GFRP拉伸性能的影響規律曲線，從圖中可以看出，修理后試樣的拉伸強度明顯低于未修理試樣的拉伸強度，對于GFRP修理試樣，隨著臺階比率的增加，拉伸強度先增加后減少。這是由于在拉伸過程中，拉伸損傷首先發生在修理鋪層和母板之間的膠層，然后向四周擴展，隨著拉伸應力的增加，損傷就會沿著補片或母板擴展，直至失效。隨著粘接界面尺寸的增加，拉伸過程中粘接界面膠接受力面積增加，拉伸強度隨之增加，且臺階比率為1∶10和1∶20的試樣拉伸失效過程為膠層首先損傷失效，隨之擴展使補片脫粘或斷裂失效；臺階比率為1∶50和1∶60時，拉伸過程中膠層損傷擴展使得母板斷裂；當臺階比率為1∶30和1∶40時，拉伸斷裂過程主要為膠層損傷，隨后擴展使得補片和母板接近同時失效，斷口較為齊平。因此當臺階比率達到某一臨界值時，隨著臺階比率的增加，薄板結構母板的強度降低，使其抗拉強度下降。在這6種臺階比率中，臺階比率為1∶40時，強度保持率最高，約為51%。將拉伸強度作為首要性能優化依據時，臺階比率為1∶40時的層合板修理后抗拉性能最優；另外，考慮到修理工藝可操作性方面的需求以及盡量少地擴大損傷部位尺寸，可將粘接界面尺寸控制在1∶30～1∶40之間，挖補試件的拉伸性能也比較穩定。

圖5　挖補修理臺階比率對GFRP拉伸性能的影響規律Fig.5　Effect of scarf patch repair step ratio on tensile properties of GFRP

2.3粘接界面粗糙度對GFRP拉伸性能的影響

選取臺階比率為1∶40的GFRP修理試板，對其粘接界面采用不同粒度砂紙打磨修理，拉伸測試試件的照片如圖6所示，同樣，試樣的拉伸斷裂區域均在修理區域。

圖6　粘接界面不同打磨粒度修理試樣拉伸測試照片Fig.6　Tensile test specimen phote of bonding interface of different grinding sizes

圖7為粘接界面粗糙度對修理后試樣拉伸性能的影響規律曲線，從圖中的測試結果可以得出，對于GFRP修理試樣，采用不同粒度砂紙打磨，使得界面粗糙度不同，隨著粘接界面粗糙度的降低，拉伸強度隨之降低，粘接界面采用80#砂紙打磨處理后較正常處理粘接界面粗糙度（800#）的拉伸強度提高了14.6%。這可能是由于在膠接修理過程中，相同固化環境下，粗糙膠接界面更有利于界面的化學反應和機械結合。綜合考慮，為了獲得最優力學性能的同時保證修理后試件力學性能的穩定性，粘接界面應采用80#砂紙進行機械打磨處理。

圖7　粘接界面粗糙度對GFRP拉伸性能的影響規律Fig.7　Influence of interface roughness on tensile properties of GFRP

2.4修理固化溫度對GFRP拉伸性能的影響

選取臺階比率為1∶40的試板，如圖8所示，通過不同修理固化溫度對其進行修理，然后測試其拉伸性能，試件的斷裂區域均在修理區域。

圖9為在不同修理固化溫度下GFRP層合板拉伸強度變化規律，從圖9中可以看出，對于GFRP修理試樣，BMS8-79 Style1581預浸料和BMS 5-101，Type 2，Grade 10膠膜材料體系在固化溫度為250℉時，拉伸強度最高，因此最佳固化溫度為250℉，當固化溫度升高或降低時，拉伸強度都相應下降。這是由于在固化過程中，固化溫度過低，會使膠粘劑無法發生完全交聯反應，表現為宏觀力學性能較差；當固化溫度過高，對于修理結構，會使得母板發生二次損傷[9]，降低其力學性能。

圖8　不同修理固化溫度對GFRP層板拉伸測試照片Fig.8　Tensile test photo under different repair curing temperatures of GFRP

圖9　不同修理固化溫度對GFRP拉伸性能的影響規律Fig.9　Effect of different curing temperatures on tensile property of GFRP

3　結語

1）GFRP層合板結構挖補修理明顯改變了原結構的力學特性，且不同挖補修理參數對其修理后的力學性能有不同程度的影響。

2）設計的6種臺階比率（1∶10～1∶60）中，隨著臺階比率的增加，拉伸強度及強度保持率先增加后降低，臺階比率為1∶40時，拉伸強度及強度保持率最高。

3）在臺階比率為1∶40時，粘接界面粗糙度對挖補修理拉伸強度也有不同程度的影響，隨著粘接界面粗糙度的降低，抗拉強度下降，80#砂紙打磨粘接界面試件拉伸強度比800#砂紙打磨試件提高了14.6%。

4）在臺階比率為1∶40時，針對BMS8-79 Style1581預浸料和BMS 5-101，Type 2，Grade 10膠膜材料體系，隨著固化溫度的增加，拉伸強度呈現先增加后降低的趨勢，在250℉時，試件的拉伸強度最大。

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（責任編輯：楊媛媛）

Influence of GFRP laminate’s scarf repair parameters on its tensile properties

LU Pengcheng,WANG Hongyang,LI Na,Su Jingxin
（Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance Key Lab of Tianjin,CAUC,Tianjin 300300,China）

Scarf repair approach is usually adopted to deal with a typical damage in GFRP（glass fiber reinforce polymer）laminate on a civil aviation aircraft.A systematic research is conducted on the influence of scarf repair key parameters such as step ratio,surface roughness and curing temperature upon its tensile properties.Experimental results reveal that scarf repair approach has a significant changing effect on the mechanical properties of GFRP laminated plate structure.Along with the increase of step ratio（from 1∶10 to 1∶60）,the tensile strength appears a trend of decrease following an initial increase.When step ratio is 1∶40,the tensile strength reaches its peak,with a tensile strength retention rate of 51%.In the case of 1∶40 step ratio,the tensile strength of repair specimen increases with an intensity of roughness on the surface of junction.Meanwhile,with the increase of curing temperature,tensile strength also presents a trend of increase after a decrease and the tensile strength of repair specimen reaches its maximum when the temperature is 250℉.

composite;scarf repair;mechanical property;curing temperature

TQ327.3

A

1674-5590（2016）05-0031-04

2016-07-06；

2016-09-06

國家自然科學基金項目（61471364）；中國民用航空局科技基金項目（MHRD20160106）

路鵬程（1987—），男，陜西榆林人，助理實驗師，碩士，研究方向為樹脂基復合材料.