金屬結構復材膠結修理表面處理影響研究

肖馮 李國琛 王紅光 李靜堯 王希 張欽博 劉健

摘要：在典型航空鋁合金結構復合材料膠結修理應用技術中，經常由于結構損傷部位特點、油箱環境、現場修理條件等限制，而無法采用磷酸陽極化等標準的化學表面處理方法。從膠結表面的清潔程度、粗化程度、偶聯劑、底膠及其組合作用等方面，通過浮滾剝離和膠結耐久性楔子試驗，分別研究各種因素對膠結界面剝離強度和濕熱度環境條件下膠結耐久性的影響。綜合研究成果，本文提出了一種與磷酸陽極化表面處理方法膠結性能接近的實用物理表面處理方法，并成功應用于某型飛機機翼結構疲勞薄弱部位的復材膠結修理補強。

關鍵詞：飛機金屬結構；復材膠結修理；表面處理；清潔度；粗化度；偶聯劑；底膠

中圖分類號：V252.2文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.03.012

近年來，隨著飛機服役數量的逐漸增多，服役時間越來越長，外場飛機暴露的疲勞薄弱部位也逐漸增多，為了飛機的使用安全需要及時對損傷結構進行修理。傳統的機械連接修理方法在修理時一般需要對原結構件重新連接開孔，不僅影響結構本身的強度、剛度，而且增加新的應力集中點。隨著復合材料、膠黏劑等各種產品和工藝技術的進步，采用復合材料對金屬結構的膠結修理技術應用日趨成熟。

經過近30年的發展，復合材料膠結修理金屬結構這項技術在國外得到了非常廣泛的應用，澳大利亞、美國等國家多個型號軍用、民用飛機金屬結構損傷都采用了復合材料膠結進行修理。國內在復合材料膠結修理金屬結構方面也開展了很多的研究和試驗，但多數停留在實驗室研究階段，距離成批量的工程實際應用還存在一定距離[1-5]。

對于復材膠結修理補強技術，膠結表面處理對膠結接頭的服役環境耐久性起著關鍵作用，膠結界面的好壞是膠結接頭性能的重要決定因素，而膠黏劑的膠結質量與表面處理方法有很大關系。金屬結構在膠結修理前的表面處理是為了獲取高能表面，使得膠結接頭暴露在濕熱環境下仍然具有良好的耐久性。因此，表面處理后的表面需保證無任何污染，有足夠的化學活性，可在膠黏劑和金屬基底表面之間形成化學鍵，以抵抗服役環境中水合作用引起的性能退化[6]。

本文綜合國內外膠結剝離強度和楔子試驗測試方法，研究膠結表面的清潔程度、粗化程度、偶聯劑、底膠等因素對膠結界面剝離強度和耐久性能的影響。通過試驗測試給出各種因素對膠結界面強度和耐久性能的積極效果。此外，結合某型飛機的外場環境條件，提出一種與標準磷酸陽極化化學方法膠結性能接近的實用物理表面處理方法，并成功應用于機翼結構疲勞薄弱部位的復材修理補強。

1試驗測試方法

1.1浮輥剝離強度試驗

綜合ASTM D3167-03a和GB/T 7122—1996標準，采用浮滾法測試剝離強度可獲得比其他剝離方法更加穩定的測試數據[7-8]。本文采用的剝離強度測試試件由厚度0.5mm和1mm的兩塊與飛機蒙皮材料一致的2024鋁合金材料大板按不同的表面處理方法處理后進行膠結固化，然后切割成寬度25.4mm的剝離強度測試試件，每類表面處理方法至少5件，試件制備過程如圖1所示。剝離強度測試試驗裝配示意圖如圖2所示[7-8]。其中，輥軸的兩端由軸承組成，保證其能夠自由轉動。試驗使用Instron電子萬能材料試驗機加載，試驗時下夾頭固定，上夾頭采用位移控制加載。在膠結試件剝離過程中，試驗機自動記錄載荷——位移曲線，采用求積儀法計算測試試件的剝離強度。

1.2膠結耐久性楔子試驗

綜合ASTM D3762-03和GJB 3383—1998中“方法102-膠結表面耐久性楔子試驗方法”標準，在膠結界面插入一個楔子從而在膠結接頭中預制一個初始裂紋，然后將試件置入濕熱環境下監測裂紋的擴展過程。該試驗測試方法是一種國際公認的膠結界面表面處理耐久性能測試的可靠方法，且ASTM D3762-03對良好的膠結界面給出了具體描述：在濕熱環境下48h，所有測試試件的平均裂紋擴展長度不大于6.3mm，單個試件裂紋擴展長度小于19mm[9-10]。

本文用的楔子試驗件由與飛機蒙皮材料一致的兩塊厚度為3mm的2024鋁合金材料大板按不同的表面處理方法處理后膠結固化，然后切割成寬度25.4mm的楔子試驗測試試件，每類表面處理方法至少8件，試件制備過程示意如圖3所示。

楔子試驗主要過程如下：（1）在試件的“未膠結區”緩慢地楔入楔子，直至楔子頂端與試樣平齊；（2）用工具顯微鏡或放大鏡觀測試件兩側的初始裂紋長度a0，并用劃針或記號筆刻下標記；（3）將試驗件放入溫度為（55±3）℃、相對濕度為95%以上的濕熱環境試驗箱內，放置1、2、4、8、12、24、48h后取出試樣，用工具顯微鏡或放大鏡觀測并記錄試件兩側的裂紋擴展長度；楔子試件裂紋擴展過程示意如圖4所示[9-10]。

2表面處理研究

2.1磷酸陽極化表面處理方法

磷酸陽極化是當前鋁合金材料膠結修理廣泛使用的表面處理方法，陽極化過程將生成一個約400nm的鋁氧化層，包含一個薄的內阻擋層、一個外多孔層、外部的晶須以及一個富有磷酸鹽的表面，氧化層非常薄，但具有最大的毛孔尺寸[11]。這種多微孔的氧化層是易碎的，通常需要涂上底膠，形成穩定的氧化層，所以磷酸陽極化+底膠能形成非常良好的膠結強度，為典型的航空鋁合金材料、環氧樹脂膠結修理提供最好的膠結耐久性。因此，通常把它作為鋁合金材料結構膠結修理的標準表面處理方法。針對典型的航空鋁合金2024材料，采用磷酸陽極化+底膠表面處理得到的膠結剝離強度見表1，膠結耐久性楔子試驗結果見表2。

從表1和表2可以得到鋁合金2024材料在標準的磷酸陽極化+底膠的表面處理方法下的剝離強度為12.52N/mm，楔子試件初始裂紋擴展平均長度為12.6mm，放入（55±3）℃、相對濕度為95%以上的濕熱環境試驗箱內，48h的裂紋擴展增量小于1mm。圖5為48h濕熱環境試驗后的磷酸陽極化楔子試件。另外，根據膠結耐久性楔子試驗的初始裂紋長度足可以評價膠結界面強度的好壞。因此，后續各類表面處理影響因素的研究僅給出膠結耐久性楔子試件的裂紋擴展均值曲線。

2.2表面粗化程度的影響

當暴露在濕熱環境下膠結界面層出現退化時，表面粗化程度對膠結接頭的強度及使用環境耐久性能會產生顯著的影響。一般通過打磨、噴砂或化學侵蝕等方法來清除金屬結構表面附著的氧化物，從而獲取一個無污染的活化表面，并形成粗糙的表面形貌[12-13]。本文在其他表面準備過程完全相同的情況下，表面粗化前未清洗的情況下分別用180#砂布打磨、120#砂布打磨與46#金剛砂噴砂進行表面粗化，然后丙酮清洗后干燥后直接膠結固化得到膠結楔子試件。各類粗化方法下在55℃、95%濕熱環境條件下的裂紋擴展均值曲線如圖6所示。

從以上結果可看出，膠結表面的粗化程度及其均勻度對膠結界面強度和濕熱環境耐久性影響大，表面粗化程度及其均勻度越好，初始裂紋擴展長度越短，擴展速率越緩慢，膠結界面強度及耐久性越好。但表面粗化對金屬結構表面本身將造成一定損傷，在實際工程應用中，表面粗化程度需考慮金屬結構本身的可承受能力。

2.3表面清潔度的影響

膠結表面處理的第一步就是清除阻礙與膠結表面產生化學反應的表面污染物。在整個表面處理過程中，表面的全過程清潔控制是膠結修理成功的必要條件。本文針對表面粗化前后的清潔方法開展了相應測試研究發現，同樣的表面處理工藝，膠結性能差異非常明顯，楔子試驗測試結果如圖7所示。造成這種差異的主要原因是僅表面粗化后清洗，表面粗化前未清洗污染物將直接污染粗化后的新鮮表面，嚴重影響膠結接頭性能。在實際工程應用中，清洗溶劑的選擇也非常重要，具有高揮發速度的溶劑最適合手工擦洗，因為任何殘留未蒸發的溶劑都會使得部分未溶解的污染物蔓延開來，溶劑揮發越快，污染的表面越小。另一方面，用于擦拭表面的擦拭布選擇也非常重要，需要它不脫毛，無色無味，且具有一定抗摩擦和撕裂能力。

2.4偶聯劑與底膠的促進效果

偶聯劑的作用原理是在金屬氧化物上增強羥基（OH）末端與膠黏劑鍵合的效力。在使用有機硅烷偶聯劑的情況下，選擇的有機頭團是與膠黏劑聚合體交鍵相容的。同時，在水解中形成硅烷醇團或在氧化層表面與羥基團發生化學反應形成環氧乙烷結合（M-O-Si），或與這些基團組成氫結合（M-OH-HO-Si），從而形成強的聚硅氧烷網，增強膠結界面的耐久性作用[6，11]。良好的偶聯劑具有與膠黏劑進行交叉耦合和水解穩定性的特征，但是存于金屬表面的污染物對有機硅烷偶聯劑與金屬氧化物上的羥基連接能力有重大影響[6，11]。因此，在實際應用中，刷涂偶聯劑之前需保證準備好的金屬表面清潔無污染，而且刷涂工具在使用過程中不能產生新的有機污染物。

底膠的作用主要是保護金屬基體表面不受污染，同時也防止在表面處理完之后到膠結固化期間出現化學變化。底膠一般為低黏度液體，可以迅速穿透粗糙的表面和微孔，很好地浸潤金屬基體表面，而且底膠干燥/固化后可有效保護金屬基體不受潮濕環境的影響。本文針對偶聯劑和底膠分別開展應用效果研究，圖8所示的試驗測試結果表明，兩者均可提高膠結界面的剝離強度和膠結耐久性，單獨使用底膠對膠結性能的促進效果優于單獨使用偶聯劑，而且兩者同時使用時，膠結性能提升更明顯。

3實用膠結表面處理方法及應用案例

由于某型號外場飛機機翼結構疲勞薄弱部位處于油箱邊界區，膠結修理區域面積大、多孔、多釘且結構形式復雜，無法采用磷酸陽極化標準的化學表面處理方法。

綜合以上膠結表面的清潔程度、粗化程度、偶聯劑、底膠及其組合作用等幾方面試驗測試成果，本文提出“丙酮清洗→移動式噴砂機噴砂→丙酮清洗→表面電吹風吹干→不脫毛白潔布/真絲布刷涂硅烷偶聯劑→紅外燈干燥→不脫毛白潔布/真絲布刷涂底膠（厚度4～10μm）→紅外燈干燥”的實用膠結表面處理工藝方法。

由于本文提出的表面處理方法是在FM73M膠膜推薦固化溫度120℃下得到的，而工程實際應用中復材膠結修理的金屬結構各區域導熱速率不同，從而導致膠結表面各區的溫度分布將存在明顯差異。因此，本文按以上表面處理工藝方法開展不同固化溫度下的膠結剝離強度和濕熱環境下的耐久性研究，得到2024鋁合金蒙皮材料剝離試件在不同固化溫度下的平均剝離強度，如圖9所示。楔子試件的裂紋擴展增量均值曲線如圖10所示。某型飛機機翼結構復材膠結修理表面處理主要過程如圖11～圖14所示。

4結論

通過研究，可以得出以下結論。

（1）不同表面粗化方法的試驗測試結果表明，膠結表面粗化的效果對膠結強度和耐久性影響大，工程可接受情況下，表面粗化程度及其均勻度越良好，得到的膠結接頭強度及耐久性越好。

（2）增加試驗膠結表面粗化前的清潔程序后，測試試件的初始裂紋尺寸和擴展速率明顯降低，說明粗化前、粗化后的清潔及干燥對膠結性能影響大。在工程實際應用過程中，做好表面處理的全過程清潔控制是復材膠結修理成功的關鍵。

（3）偶聯劑底膠試件的測試結果表明，單獨使用偶聯劑和底膠均對膠結接頭的強度和耐久性能均存在促進作用，兩者同時應用，效果更佳。

（4）本文結合某型飛機的外場使用條件，提出一種與磷酸陽極化標準化學表面處理方法膠結性能接近的實用膠結物理表面處理工藝方法，通過該表面處理方法得到的膠結接頭剝離強度可達到磷酸陽極化的70%以上，膠結接頭在濕熱環境下的裂紋擴展增量小于2mm。目前，該表面處理方法已成功應用于某型號外場飛機機翼結構疲勞薄弱部位的復材膠結修理，具有重要的工程實用價值。

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Research on Effects of Surface Treatment for Composite Repair of Metallic Structure

Xiao Feng1，Li Guochen1，Wang Hongguang2，Li Jingyao2，Wang Xi2，Zhang Qinbo1，Liu Jian1

1. AVIC Chengdu Aircraft Design & Research Institute，Chengdu 610091，China

2. AVIC Chengdu Aircraft Industrial（Group）Co.，Ltd.，Chengdu 610091，China

Abstract： In the application technology of composite bonding repair for typical aviation aluminum alloy structure， standard chemical surface treatment methods such as phosphoric acid anodization are often unable to be used due to the damage site， the environment of fuel tank and the repair conditions. For these bonding influence factors， such as the bonding surface cleanliness， roughness， coupling agent and primer， this paper studies adhesive peel strength and the bonding durability of damp-hot environment condition by the floating roller peeling test and wedge bonding durability test. According to the research results， it proposes a practical physical surface treatment method， whose bonding mechanical property is almost equal to phosphoric acid anodized surface treatment method. And the physical surface treatment method has been successfully applied to composite bonding repairing and reinforcing of the wing weak fatigue location of an aircraft.

Key Words： aircraft metallic structure； composite bonding repair； surface treatment； cleanliness； roughness； coupling reagent； primer