挖補法修補復合材料層壓板壓縮性能

張萬卿，李洪春，史 勇

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

碳纖維樹脂基復合材料因具有比模量高、比強度高、耐高溫、質輕等性能特點，近幾十年來在航空航天系統迅速發展[1-4]。因其上述的優點，碳纖維樹脂基復合材料在航空、航天領域中的應用也被認為是衡量一個國家航空航天科技實力的重要標志[5-8]。

隨著我國飛機不斷地更新換代，飛機材料的使用要求也越來越高，因此飛機中的很多部位以及零部件都用到復合材料[9]，然而在復合材料制件的制造和使用過程中會產生各種缺陷與損壞，影響復合材料的可靠性。國外復合材料的修補技術已經非常成熟，而我國在20世紀80年代中后期，才逐漸開始研究先進復合材料修補技術[10-13]。成飛公司在2000年成功修補了雷達罩，就是采用了改性酚醛樹脂玻璃鋼蒙皮和雙層NOMEX蜂窩夾層結構[14]。哈飛公司也對復合材料修補在直九上的應用進行了系統的研究[15]。但總體而言，我國在復合材料修補技術方面還尚不成熟，急需掌握這項技術，以提高飛行器的可靠性。

1 缺陷試樣的制造及修復

復合材料層壓板由9層預浸料鋪疊而成，每層鋪好后進行抽真空壓實，最終成型。但在復合材料層壓板生產過程中，會產生3種常見缺陷，即中間夾雜、沖擊、中間褶皺。下面對這3種常見缺陷的設計及修補進行逐一描述。

1.1 中間夾雜的設計與修補

預浸料在鋪層過程中，需要在表面鋪覆一層隔離膜，而隔離膜去除時可能會留有碎屑，如不注意就會夾雜在鋪層中間造成缺陷。

試驗中對于缺陷的設計的方法為：在4～5層預浸料的中間鋪φ30 mm的聚四氟乙烯薄膜。

中間夾雜的層壓板采用挖補法進行修補，其具體步驟如下：

1)確定缺陷區域的大小(試樣缺陷為φ30 mm)，在面板上以環繞半徑至少12.7 mm的范圍內標記形狀;

2)在整個修補區域的上方放置一層透明膜(尼龍薄膜或聚酯薄膜)。在透明膜上標記每層鋪層邊緣的外形線，描畫輪廓并標出每種材料及其方向;

3)去除表面鋪層以暴露并除去夾雜缺陷，可用膠帶保護返修區域周圍。共需去除4層，每一層取出的鋪層邊緣(半徑)至少增加12.7 mm，形成階梯狀;

4)用150#或更細的砂紙打磨修補區域，用丙酮將抹布或軟刷子濕潤并擦抹或洗刷表面，多余的丙酮用干的、潔凈的棉布徹底擦拭;

5)重新鋪貼膠膜，替換層，最終過鋪層(替換層與過鋪層纖維角度與原先保持一致)。每層鋪層邊緣比去除的鋪層邊緣大12.7 mm。最終過鋪層尺寸比上次替換的預浸料層略大，角度與最后一層鋪層一致。膠膜應比最終鋪層邊緣略大。最后固化。中間夾雜無缺陷、缺陷、修補后試樣示意圖如圖1所示。

圖1 中間夾雜無缺陷、缺陷、修補示意圖

1.2 沖擊缺陷的設計與修補

層壓板生產制造過程中，如操作不注意，會使生產工裝掉落在制件上，制件受沖擊后，容易產生損傷，而且大部分損傷均難以用肉眼察覺，但其內部往往產生纖維斷裂、分層等缺陷[16]，這些內部損傷將使層壓板的力學性能嚴重退化，強度可削弱35%～40%，甚至會直接導致事故的發生。因而可以在試板上采用重5 kg、端頭為φ2.7 mm的沖頭，按照4.45 J/mm的能量對試板的中心位置進行沖擊獲得缺陷試樣。

沖擊缺陷和中間夾雜缺陷區域的大小可以均設為φ30 mm，因而就挖補法而言，兩種缺陷的修補方法相似，不同之處在于沖擊缺陷試樣修補時，應先用打磨器將缺陷打磨掉，隨后在缺陷處雙面各挖四層，即需要進行雙面修補。沖擊無缺陷、缺陷、修補后試樣示意圖如圖2所示。

圖2 沖擊無缺陷、缺陷、修補示意圖

1.3 中間褶皺的設計與修補

預浸料在鋪層過程中，如果預浸料未鋪平，隨后進行抽真空壓實，可能會造成鋪層褶皺，隨后再鋪覆預浸料，從而造成中間褶皺缺陷。對于中間褶皺缺陷的設計方案為：將第五層預浸料沿寬度方向在中間折出寬15 mm、長100 mm的褶皺。

針對中間褶皺的層壓板，其修補方法與中間夾雜缺陷層壓板相似，唯一不同之處在于缺陷區域大小的確定(試樣缺陷為15 mm×100 mm)，具體的修補步驟不做贅述。中間褶皺無缺陷、缺陷、修補后示意圖如圖3所示。

圖3 層壓板中間褶皺無缺陷、缺陷、修補示意圖

2 挖補法修補層壓板的力學性能測試方法

層壓板含有中間夾雜、中間褶皺和沖擊缺陷缺陷時，使用挖補法進行修補，為了評價其性能，本文對3種缺陷試樣及修補后試樣進行壓縮性能測試。

本文根據ASTM D 7137標準在室溫下進行測試壓縮，試驗件夾具由底座、底座滑動板、角板、側板、頂板以及頂部滑動板組成。將試件以及夾具安裝在SANS CMT5105試驗機后，首先進行壓縮預加載，為保證所有的加載面互相接觸，對試樣/夾具組合首先施加450 N的壓縮力，而后把壓縮載荷降低到150 N，對所有的儀器預調零和平衡。其試驗過程如圖4所示。

圖4 壓縮試驗裝置

試驗過程采用的試驗速度為1.25 mm/min。進行極限壓縮剩余強度的計算。

壓縮剩余強度

FCAI=Pmax/A

(1)

其中

A=hw

式中：FCAI為極限壓縮強度，MPa；Pmax為破壞前的最大力，N；A為橫截面,mm2。

3 挖補法修補層壓板測試結果與分析

本文對中間夾雜、中間褶皺和沖擊缺陷進行挖補法修補，并且對缺陷試樣、無缺陷試樣、修補試樣按照ASTM D 7137進行壓縮強度測試。所有試樣均采用標準試驗件，由5根試樣計算強度的平均值[17]。

將缺陷試樣和修補試樣的強度平均值對比無缺陷試樣強度的平均值，計算出其所占無缺陷試樣平均值的百分比，以此來對比不同缺陷及采用挖補法修補對試樣壓縮性能的影響。壓縮性能測試結果如表1所示、不同缺陷種類及修補對試樣壓縮性能影響如圖5所示。

表1 壓縮試驗結果

圖5 不同缺陷種類及修補對試樣壓縮性能影響

由圖5可知，中間夾雜缺陷試樣的壓縮強度低于無缺陷試樣，這是因為如圖6所示，中間夾雜中聚四氟乙烯的存在使預浸料產生了分層(分層處的微觀結構見圖7)，在試樣受到壓縮時，試樣分層處兩側的彎曲變形比未分層試樣更大，導致缺陷試樣更容易破壞。由圖8也可看出，無缺陷試樣受到壓縮時，斷裂面較為平整，因為其彎曲變形較小。而中間夾雜缺陷試樣受到壓縮時，斷裂面較為不規則，且斷裂在中心分層處，因為其彎曲變形較大。

圖6 中間夾雜壓縮受力示意圖

圖7 中間夾雜缺陷試樣微觀形貌

圖8 中間夾雜無缺陷、缺陷、修補后試樣壓縮破壞模式

中間夾雜缺陷試樣修補后，其壓縮強度與缺陷試樣相比顯著提高，這是因為只有基體與纖維充分結合，試樣整體才能更好地承受壓縮載荷，所以壓縮強度與基體及界面的性質關系較大。而去掉分層部分，使得纖維與基體的界面結合力得到明顯改善，而且階梯修補過程使得原缺陷處厚度增加，覆蓋在修補片表面的過鋪層使得受損處相比無缺陷試樣變厚，從而提高了復合材料的壓縮強度。由圖8可知，修補后的試樣受壓縮后，斷裂面較為整齊，這是因為修補后去除了分層，試樣在受壓時，彎曲變形較小。

由圖5可知，中間褶皺缺陷試樣的壓縮強度低于無缺陷試樣，而由圖9所示中間褶皺使預浸料在層鋪的過程中無法完全貼合，在褶皺邊緣黏結處產生縫隙，相當于預浸料產生了分層，且褶皺處壁厚增加，受到壓縮力時，褶皺邊緣的分層處形成薄弱點，造成應力集中，導致缺陷試樣的壓縮強度下降[18]。如圖10所示，中間褶皺缺陷試樣沿褶皺邊緣應力集中處斷裂。

圖9 中間褶皺缺陷試樣微觀形貌

圖10 中間褶皺無缺陷、缺陷、修補后試樣壓縮破壞模式

中間褶皺缺陷試樣修補后，其壓縮強度與缺陷試樣相比顯著提高，這是因為與中間夾雜缺陷修補后原理相同，中間褶皺缺陷修補后，去除了褶皺缺陷造成的分層，使得纖維與基體的界面結合力得到明顯改善，而且階梯修補過程使得原缺陷處厚度增加，覆蓋在修補片表面的過鋪層使得受損處相比無缺陷試樣變厚，從而提高了復合材料的壓縮強度。如圖10所示，修補后的試樣受壓縮后，斷裂面較為整齊，修補效果良好。

由圖5可知，沖擊缺陷試樣的壓縮強度明顯低于無缺陷試樣，且沖擊缺陷試樣的壓縮強度性能下降率明顯高于中間夾雜和中間褶皺缺陷。這主要是由于復合材料層壓板的壓縮強度受纖維斷裂損傷的影響較大，如圖11所示，本文的試驗件取自沖擊試驗結束后的試件，導致材料引入更多裂紋、分層缺陷，在缺陷試樣受到壓縮應力時，在這些缺陷處會造成應力集中，從而明顯降低了試樣的壓縮強度[19]。通過圖12可以看出，沖擊缺陷試樣受到壓縮時，試樣的破壞起始于試樣的沖擊點位置，沿垂直于載荷的方向擴展破壞。試樣受壓載荷達到一定水平時，層壓板的前后表面鋪層纖維發生斷裂，緊接著整個層壓板發生最終破壞，且斷裂面成不規則的發散狀。

圖11 沖擊缺陷試樣微觀形貌

圖12 沖擊缺陷無缺陷、缺陷、修補后試樣壓縮破壞模式

沖擊缺陷修補試樣的壓縮強度相比缺陷試樣有所提高，這主要是因為在沖擊載荷作用下，在與沖頭接觸的區域纖維出現斷裂損傷，通過挖補法修補將斷裂纖維區域去除，新的纖維鋪層與基體的界面強度得到改善。由圖12可以看出，沖擊后修補試樣受到壓縮力時，斷裂面呈不規則的發散狀破壞，這是因為沖擊點附近發生了分層擴展[20]，使得纖維與基體的結合強度下降，修補過程又無法將這些微受損區域完全進行修補，破壞時會沿著分層擴展的方向逐漸發散。因此修補后，試樣的強度無法恢復到沖擊損傷前的壓縮強度。

4 結論

1)沖擊缺陷對試樣壓縮強度影響最大，缺陷試樣壓縮性能占無缺陷試樣壓縮性能的59.3%；其次為中間褶皺缺陷，缺陷試樣壓縮性能占無缺陷試樣壓縮性能的90.3%；對試樣壓縮強度影響最小的為中間夾雜缺陷，缺陷試樣壓縮性能占無缺陷試樣壓縮性能的99.1%。

2)采用挖補法修補對中間夾雜及中間褶皺缺陷修補效果顯著，修補后壓縮性能分別達到無缺陷試樣壓縮性能的102.9%和110.1%；對沖擊缺陷修補效果不理想，因為沖擊缺陷會造成裂紋擴展，而修補過程又無法將這些微受損區域完全進行修補，因此修補后壓縮性能僅達到無缺陷試樣壓縮性能的67.9%。