不同膠黏劑對碳纖維復合材料膠接修理效果的影響

熊艷麗 陳飛 鄧云飛

摘? ?要：本文著重研究了不同膠黏劑對碳纖維復合材料膠接修理效果的影響，在概述膠黏劑的類型及力學性能的基礎上，分析了碳纖維復合材料膠接修理時的關鍵工藝，最后對貼補修理和挖補修理時修理參數進行了優化分析，對提高碳纖維復合材料的膠接修理效果、修理效率等具有理論指導意義。

關鍵詞：膠接劑? 碳纖維復合材料? 修理? 效果? 質量

中圖分類號：U465.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）11（c）-0051-03

隨著科學技術的發展及其在材料學的應用，各種新型的材料被研發并應用于各個行業中。其中，碳纖維復合材料以其高比強度、抗疲勞、耐腐蝕性等優勢被廣泛應用于航天、航空行業中。而且，碳纖維復合材料在航天航空飛行器、汽車應用的比例越來越大，使得復合材料的維修問題備受關注。目前，主要應用于復合材料結構的修補方法眾多，包括機械連接修補和膠接修補[1]。其中，碳纖維復合材料為脆性材料受到沖擊時容易造成內層損傷，采用機械連接修補方式無法修復其內層損傷，而且機械連接修復會導致材料出現新的缺陷，形成應力集中。總之，采用機械連接修補方式不僅無法滿足碳纖維復合材料的修復要求，還會對其造成新的損傷。采用膠接修補方式不會增加材料質量、應力集中較少。因此，在實際應用中常通過膠接修理方式對碳纖維復合材料進行修補。

采用膠接修理方式的修復效果在很大程度上與膠黏劑的選擇、補片材料相關。其中，膠黏劑的主要承擔傳遞補片與被修理結構間載荷的媒介。因此，在碳纖維復合材料修復過程中膠黏劑的選型尤其重要，應根據材料的使用環境、承受載荷水平選擇合適的膠黏劑。本文將著重分析不同膠黏劑對碳纖維復合材料的修復效果。

1? 膠黏劑概述

1.1 膠黏劑類型研究

目前，應用于工程中的膠黏劑主要分為雙組分膠黏劑和膜狀膠黏劑。其中，雙組分膠黏劑在使用時需按照一定的比例對其進行混合，其耐久性較差，故主要應用于對碳纖維復合材料的臨時修復;膜狀膠黏劑適用于120℃～180℃固化溫度下的熱膠接修補，其具有使用方便、操作簡單，主要適用于大面積的膠接，其主要應用于對飛機結構的修理中[2]。

1.2 膠黏劑力學性能對比分析

不同的膠黏劑的成分、固化溫度以及使用范圍，因此其力學性能也各不相同。不同剪切強度、模量將膠黏劑分為脆性膠黏劑和韌性膠黏劑。不同膠黏劑的力學性能如圖1所示。

2? 膠接修理工藝分析

碳纖維復合材料結構修理效果不僅與所采用的膠黏劑的類型、力學性能相關，還與修理過程中所采用的修理工藝相關。合適的修理工藝不僅僅能夠提高修理效率，還能夠降低修理成本。膠接修理工藝主要包括有：膠接件的表面處理、膠接固化工藝、無損檢測等。

2.1 膠接件的表面處理

膠接件表面處理后的效果和質量是確保膠接修理效果的基礎。通過對膠接件的表面處理，提升膠接件表面的物理和化學性能對提升膠接修理效果和效率具有顯著意義。一般情況下，先采用砂紙對膠接件表明進行打磨處理，而后采用先進的表面處理技術對其進行表明處理，以提升膠接表面的物理化學性能[3]。目前，應用于膠接件較為先進的表面處理方法主要有等離子氣體和激光處理方法。

2.2 膠接固化工藝

膠接固化工藝即為碳纖維復合材料與修補材料的膠接方式，包括有共固化膠接和二次膠接兩種方式。在實際應用中需根據所采用的修理方式選擇合適的膠接固化工藝。其中，貼補修理方式主要應用于修理氣動外形要求不嚴格的結構，與其相匹配的膠接方式主要有二次膠接;挖補修理方式主要針對修理區域的損傷材料進行修復，對結構的氣動外形有要求，故對于挖補修理方式主要采用共固化膠接方式。

2.3 膠接質量檢測

在實際修理過程中主要依靠修理工人的知識水平對產品最終的修理質量作出評估。為了提升膠接質量評估的準確性需對最終修理后的結構進行無損評估。但是通過無損評估僅能檢測處碳纖維復合材料結構中是否存在脫粘或者孔縫缺陷等，而無法準確檢測出膠接后的結構是否存在粘接質量較差的區域。因此，膠接修理后需完成無損檢測和破壞性試驗對其質量進行檢測。

3? 膠接修理參數對膠接質量的影響

碳纖維復合材料膠接修理參數從一定程度上決定了所選用膠黏劑的力學性能，進而決定了材料結構最終的修復效果和質量[4]。因此，在實際修理過程中可以適當調整膠接修理參數，提高對材料結構的修理效率及最終修復質量。本節注重探討貼補修理和挖補修理兩種修理方式的相關修理參數的優化設計。

3.1 貼補修理參數的優化

影響貼補修理效果及效率的主要參數包括有膠黏劑與母板得膠接長度、補片的厚度以及膠層的厚度。

（1）膠接長度對修理效果的影響。

在修理過程中，當膠接長度太短時，在其膠接位置的強度較低。隨著膠接長度的增加，碳纖維復合結構的剛度及強度均有一定的提升[5]。但是，當膠接長度大于貼補片載荷傳遞區域時，對所修理材料強度和剛度的提升效果不明顯。不同膠接長度下待修材料的破壞應力如圖2所示。

分析圖2可知，理論上碳纖維復合材料貼補修理時的最佳膠接長度為12～15mm，充分考慮安全系數、膠接缺陷等因素，最佳膠接長度應為20～30mm。

（2）補片厚度對修理效果的影響。

同樣，貼補修理時補片厚度的選擇也需適中。其中，補片過薄會導致修理后材料的剛度不能滿足實際應用要求;補片過厚會造成結構質量增大，不利于飛機輕質化的要求。不同補片厚度下待修材料的破壞應力如圖3所示。

（3）膠層厚度對修理效果的影響。

膠層厚度過小，膠層表現為脆性，在實際應用中容易導致碳纖維復合材料出現剪切破壞，進而影響整個膠接層的修復效果;膠層厚度過大，膠層表現為塑性，影響實際應用中載荷的傳遞效果，進而影響修復后碳纖維復合材料的修復效果。因此，在實際修理中常將膠層厚度控制在0.125～0.25mm之間。

3.2 挖補修理參數的優化

影響挖補修理效果的參數包括有膠層厚度、挖補角、補片形狀以及補片鋪層。其中，對修復效果影響最為顯著的參數為挖補角。因此，本節著重研究挖補角對修復效果的影響。

所謂挖補角指的是挖補膠接斜面角度。挖補角越小，膠層中的剪應力越小;隨著挖補角的增大，從一定程度上增大了修理難度，降低修理效率的同時增加了修理成本。碳纖維復合材料修復后的結構在完全破壞之前經歷了膠層失效形式。在不同失效形式下其應力隨挖補角的變化情況如圖4所示。

分析圖4可知，挖補修理時其挖補角應θ≤3°。

4? 結語

碳纖維復合結構目前在航天航空飛行器、汽車等領域的廣泛應用對其后續的維修質量提出了更高的要求和挑戰。在對碳纖維復合材料修理中膠黏劑的使用、修理工藝的選擇以及修理參數的設計均影響最終材料結構的修復效果。基于本文分析的基礎上，得出了碳纖維復合材料采用貼補和挖補修理時的優化修理參數。其中，貼補修理時膠接長度應控制在20～30mm，膠層厚度應控制在0.125～0.25mm;挖補修理時的挖補角應≤3°。

參考文獻

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[2] 楊小平，黃智彬，張志勇，等.實現節能減排的碳纖維復合材料應用進展[J].材料導報，2010，24（3）：1-5.

[3] 陳偉明，王成忠，周同悅，等.高性能T800 碳纖維復合材料樹脂基體[J].復合材料學報，2006，23（4）：29-35.

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[5] 高華，熊超，殷軍輝，等.碳纖維復合材料層合板面內壓縮損傷及聲發射特征分析[J].工程塑料應用，2017，45（12）：107-111.