張健龍，胡芳友，趙培仲，岳劍飛

（1.中國人民解放軍66350部隊，河北 保定 071000；2.海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)航空機械系，山東 青島 266041）

補片設(shè)計對復(fù)合材料粘接修復(fù)效果的影響

張健龍1，2，胡芳友2，趙培仲2，岳劍飛1

（1.中國人民解放軍66350部隊，河北 保定 071000；2.海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)航空機械系，山東 青島 266041）

研究了補片參數(shù)對修復(fù)效果的影響并對補片參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果表明，補片參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計對補片承擔(dān)和傳遞載荷作用的發(fā)揮起著至關(guān)重要的作用，補片最佳層數(shù)是6層，最佳長度是20 mm，纖維方向與載荷方向一致時其加強作用最顯著，雙面貼補效果好于單面貼補。

復(fù)合材料粘接修復(fù)；拉伸強度；補片參數(shù)設(shè)計

損傷復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的粘接修復(fù)主要是通過纖維補片與樹脂固化后形成復(fù)合材料來增強的，而纖維補片起到主要的承力作用?？茖W(xué)設(shè)計補片是獲得良好修復(fù)效果和修復(fù)效益的有效保證。本文采用中心帶有貫穿圓孔的矩形碳纖維層壓板來模擬損傷結(jié)構(gòu)，運用環(huán)氧樹脂和玻璃纖維補片對其進行濕鋪貼補修復(fù)。對補片長度、鋪層角度、鋪層數(shù)目、以及單雙面貼補等因素進行了設(shè)計，研究了補片參數(shù)變化對修復(fù)試樣強度恢復(fù)的影響，綜合衡量修復(fù)效果和修復(fù)效益，優(yōu)化了補片設(shè)計參數(shù)。

1 實驗部分

1.1 主要原材料及設(shè)備

碳纖維層壓板，由臺麗TC-35碳纖維材料和619號環(huán)氧樹脂制成，鋪設(shè)方式為［（0，90）/0/90］S，廣東協(xié)創(chuàng)復(fù)合材料有限公司；雙酚A型環(huán)氧樹脂，E44（6101），鎮(zhèn)江丹寶樹脂有限公司；低分子-650-聚酰胺樹脂固化劑，巴陵石化有限公司；高強玻璃纖維編織布，SW100A-90a，南京玻璃鋼研究設(shè)計院。

電子萬能拉力試驗機，WDW-1型，濟南泰思特儀器有限公司。

1.2 表面處理工藝

采用丙酮清洗+砂紙打磨+丙酮清洗的方式。

1.3 試樣制備

損傷碳纖維層壓板的制備：將2 mm厚的碳纖維層壓板裁成100 mm×15 mm的矩形板，在板中心預(yù)制直徑4 mm的點圓孔作為損傷。

復(fù)合材料粘接修復(fù)試樣的制備：將E44和固化劑聚酰胺650按質(zhì)量比1：1混合均勻配制復(fù)合基體樹脂，采用濕鋪法粘接修理損傷板，80 ℃固化5 h。

1.4 拉伸性能測試

采用電子萬能拉力試驗機在室溫下測試試樣的拉伸性能。拉伸速率3 mm/min，每組5個試樣，取平均值。

2 結(jié)果與討論

經(jīng)測試，碳纖維層壓板完好試樣和損傷未修復(fù)試樣的拉伸強度分別為739.73 MPa和499.60 MPa。強度相對值為修復(fù)后試樣強度與完好試樣強度的比值。

2.1 鋪層數(shù)目

補片的鋪層數(shù)目對應(yīng)貼補厚度，適合的貼補厚度既要滿足修復(fù)強度的要求，又要綜合考慮補片對復(fù)合材料重量、氣動性能、隱身性能等因素的影響［1］。設(shè)計補片鋪層數(shù)目為3、5、6、7、9、11，補片長20 mm，寬15 mm，單面貼補，鋪設(shè)角度均為經(jīng)緯向。表1為鋪層數(shù)目對靜拉伸強度的影響。

當(dāng)鋪層數(shù)目較少時，每組5個試樣拉伸強度數(shù)據(jù)值比較接近，分散性比較小，損傷模式主要為補片與碳纖維板均在垂直于載荷方向的損傷孔周圍斷裂（稱為A模式）；隨著鋪層數(shù)目增加，數(shù)據(jù)差別逐漸增大，損傷模式主要為補片與膠層未失效，碳纖維板于某層失效后在垂直于載荷方向斷裂（稱為B模式）。A模式說明補片的強度較小，雖然對損傷層壓板有一定的加強作用，但是其加強作用還有待提高。隨著補片層數(shù)增加，補片的強度逐漸變大，在補片與碳纖維層壓板之間的膠層粘接較好的情況下，當(dāng)補片強度增長到一定值并大于層壓板的界面強度時，就出現(xiàn)了B模式［2］。

由表1還可知，隨著補片鋪層數(shù)目的增加，修復(fù)試樣的強度雖然總體趨勢是上升的，但是當(dāng)補片層數(shù)增加到一定數(shù)目后，上升趨勢明顯減弱并在一定區(qū)間內(nèi)動態(tài)變化。因此，補片的鋪層數(shù)目存在一個臨界值，大于該臨界值后，修復(fù)效果變化不明顯，同時隨著補片與膠粘劑的增加，試樣的重量也在增加，修復(fù)結(jié)構(gòu)的氣動外形會有更大的改變，隱身性能會有所下降。因此，選擇合適的鋪層數(shù)目并使不利影響減小到最少是修復(fù)設(shè)計的最佳選擇。綜合分析，本實驗的最佳鋪層數(shù)目為6層。

表1 鋪層數(shù)目對靜拉伸實驗結(jié)果的影響Tab.1 Effect of patch plies number on static tensile test results

2.2 鋪層長度

固定補片的寬度為15 mm，設(shè)計補片長度分別為10、20、30、40、50 mm，鋪設(shè)6層，單面貼補，各層鋪設(shè)角度均為經(jīng)緯向。表2為補片尺寸對靜拉伸實驗結(jié)果的影響。

補片長度為10 mm時，修復(fù)效果不理想，強度幾乎沒有恢復(fù)，損傷模式主要為補片未損傷，膠層失效（稱為C模式）。當(dāng)補片較短時，整個膠層都處于較高的剪應(yīng)力狀態(tài)［3］，膠層在較高的剪應(yīng)力下失效是主要損傷模式。在10～20 mm，修復(fù)試樣的強度迅速增加，說明隨著補片長度的增加，粘接面積也隨之增加，緩解了短補片時膠層中剪應(yīng)力較高的現(xiàn)象，補片的連接增強作用得到較好發(fā)揮，此時更多的載荷通過界面膠層傳遞到了補片上。隨著補片長度的繼續(xù)增長（20～40 mm），強度保持較高水平在一定區(qū)域小幅下降，補片長度在40～50 mm之間出現(xiàn)了明顯下降。其原因在于當(dāng)補片長度增加到一定程度之后如果再繼續(xù)增加，熱固化形成的殘余熱應(yīng)力也會隨之增大，并導(dǎo)致修復(fù)試樣產(chǎn)生較大的彎曲變形從而影響修復(fù)效果。本實驗的最佳補片長度為20 mm。

表2 補片長度對靜拉伸實驗結(jié)果的影響Tab.2 Effect of patch length on static tensile test results

2.3 鋪層角度

鋪層角度設(shè)計對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、穩(wěn)定性、可靠性等具有重要影響［4］。實驗中將平紋玻璃纖維編織布的鋪設(shè)角度設(shè)置為3種：第1種按照經(jīng)緯方向鋪設(shè)，即［（0，9 0）］6；第2種按照原經(jīng)緯方向旋轉(zhuǎn)45度鋪設(shè)，即［（±45）］6；第3種按照以上2種方向補片相間混雜鋪放，即［（0，90）/（±45）］3；每種鋪層角度鋪設(shè)6層，補片長20 mm，寬15 mm，單面貼補。表3為鋪層角度對靜拉伸實驗結(jié)果的影響。

由表3可知，鋪層角度設(shè)計為［（0，90）］6時靜拉伸強度恢復(fù)最大，［（±45）］6的鋪層結(jié)構(gòu)強度

最差。補片加強作用的發(fā)揮主要是由纖維的鋪設(shè)角度決定的，當(dāng)補片的纖維方向與載荷方向一致時其加強作用最明顯，承受和傳遞的載荷最大，隨著載荷方向纖維的減少，加強作用也逐漸減弱。本實驗的最佳鋪層角度是［（0，90）］6。

表3 鋪層角度對靜拉伸實驗結(jié)果的影響Tab.3 Effect of plies angle on static tensile test results

2.4 單雙面

在本次實驗中，單面貼補的補片長度為20 mm，雙面貼補在此單面貼補的基礎(chǔ)上，在損傷碳纖維層壓板另一面對稱進行相同的貼補修復(fù)。表4為靜拉伸實驗結(jié)果。

雙面貼補的損傷模式可以歸納為B模式，碳纖維層壓板出現(xiàn)2個失效界面，層壓板在厚度方向分為3部分，上下兩面均被對應(yīng)面的補片粘下若干層，中間多層于損傷孔處載荷方向斷裂，損傷形式對稱。

表4 靜拉伸實驗結(jié)果Tab.4 Static tensile test results

由表4可見，雙面貼補的實驗數(shù)據(jù)分散性比較小，說明雙面貼補受力對稱，影響因素比單面貼補少，可靠性更高。雙面貼補的恢復(fù)情況明顯好于單面貼補，5個修復(fù)試樣的拉伸強度都比較大，經(jīng)過雙面貼補修復(fù)后部分試樣的強度甚至已經(jīng)超過了完好試樣的強度。但雙面貼補后試樣的增重明顯高于單面貼補，這在航空領(lǐng)域是比較敏感的問題。另外，損傷結(jié)構(gòu)的另一面是否便于修復(fù)也應(yīng)根據(jù)實際情況而定。因此，在進行貼補修復(fù)設(shè)計時，需要綜合衡量確定貼補方式。在便于修復(fù)操作的情況下，對增重要求不高時采用雙面貼補修復(fù)是非常合適的。

3 結(jié)論

采用中心帶有貫穿圓孔的矩形碳纖維層壓板來模擬損傷結(jié)構(gòu)，運用環(huán)氧樹脂和玻璃纖維補片對其進行濕鋪貼補修復(fù)。實驗表明，補片的參數(shù)設(shè)計對補片傳遞和承擔(dān)載荷作用的發(fā)揮至關(guān)重要，合理設(shè)計補片參數(shù)是復(fù)合材料修復(fù)必不可少的重要組成部分。經(jīng)綜合分析，本實驗的最佳鋪層數(shù)目為6層；最佳補片長度為20 mm；纖維方向與載荷方向一致時其加強作用最顯著，最佳鋪層角度是［（0，90）］6；雙面貼補效果好于單面貼補。

［1］姚磊江，童小燕，呂勝利.損傷復(fù)合材料層壓板膠接修理試驗研究［J］.機械強度，2003，25（3）：260-263.

［2］T.D.Breitzman，et al.Optimization of a composite scarf repair patch under tensile loading［J］.Composites：Part A，2009，40（12）：1921-1930.

［3］陳紹杰.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理指南［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2001：37-44，147-148.

［4］范金娟，程小全，陶春虎.聚合物基復(fù)合材料構(gòu)件失效分析基礎(chǔ)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2011：1-30，45-48，115-124，144-159.

Effects of patch design on bonding repairing results of composites

ZHANG Jian-long1，2， HU Fang-you2， ZHAO Pei-zhong2， YUE Jian-fei1
（1.Unit 66350， PLA， Baoding， Hebei 071000， China； 2.Department of Aeronautical and Mechanical Engineering， Qingdao Branch of Naval of Aeronautical Engineering Institute， Qingdao， Shandong 266041， China）

The patch parameters were optimized and their effect on bonding repairing results was investigated. The results showed that the optimization of patch parameters were critical to the effectiveness of bearing and transferring loads of the patch. The optimal number of patch plies was 6 and the optimal length was 20 mm. The strengthening effect of patch was the best when the fiber direction and the loading direction were same. The effect of two-sided bonded-patch repairing was better than that of one-sided bonded-patch repairing.

bonding repairing of composites； tensile strength； design of patch parameters

TG494

A

1001-5922（2015）11-0078-03

2015-05-16

張健龍（1984-），男，碩士研究生。研究方向：復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)。E-mail：lbhjlz@126.com。

中國博士后科學(xué)基金（20110491882，2012T50875）。