補片設計對復合材料粘接修復效果的影響

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.海軍航空工程學院青島校區航空機械系，山東 青島 266041）

補片設計對復合材料粘接修復效果的影響

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.海軍航空工程學院青島校區航空機械系，山東 青島 266041）

研究了補片參數對修復效果的影響并對補片參數進行了優化設計。結果表明，補片參數的優化設計對補片承擔和傳遞載荷作用的發揮起著至關重要的作用，補片最佳層數是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。

復合材料粘接修復；拉伸強度；補片參數設計

損傷復合材料結構的粘接修復主要是通過纖維補片與樹脂固化后形成復合材料來增強的，而纖維補片起到主要的承力作用。科學設計補片是獲得良好修復效果和修復效益的有效保證。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構，運用環氧樹脂和玻璃纖維補片對其進行濕鋪貼補修復。對補片長度、鋪層角度、鋪層數目、以及單雙面貼補等因素進行了設計，研究了補片參數變化對修復試樣強度恢復的影響，綜合衡量修復效果和修復效益，優化了補片設計參數。

1 實驗部分

1.1 主要原材料及設備

碳纖維層壓板，由臺麗TC-35碳纖維材料和619號環氧樹脂制成，鋪設方式為［（0，90）/0/90］S，廣東協創復合材料有限公司；雙酚A型環氧樹脂，E44（6101），鎮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，在板中心預制直徑4 mm的點圓孔作為損傷。

復合材料粘接修復試樣的制備：將E44和固化劑聚酰胺650按質量比1：1混合均勻配制復合基體樹脂，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 結果與討論

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

2.1 鋪層數目

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

當鋪層數目較少時，每組5個試樣拉伸強度數據值比較接近，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）；隨著鋪層數目增加，數據差別逐漸增大，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，就出現了B模式［2］。

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

表1 鋪層數目對靜拉伸實驗結果的影響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，設計補片長度分別為10、20、30、40、50 mm，鋪設6層，單面貼補，各層鋪設角度均為經緯向。表2為補片尺寸對靜拉伸實驗結果的影響。

補片長度為10 mm時，修復效果不理想，強度幾乎沒有恢復，損傷模式主要為補片未損傷，膠層失效（稱為C模式）。當補片較短時，整個膠層都處于較高的剪應力狀態［3］，膠層在較高的剪應力下失效是主要損傷模式。在10～20 mm，修復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力較高的現象，補片的連接增強作用得到較好發揮，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增長（20～40 mm），強度保持較高水平在一定區域小幅下降，補片長度在40～50 mm之間出現了明顯下降。其原因在于當補片長度增加到一定程度之后如果再繼續增加，熱固化形成的殘余熱應力也會隨之增大，并導致修復試樣產生較大的彎曲變形從而影響修復效果。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

鋪層角度設計對復合材料結構的力學性能、穩定性、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角度設置為3種：第1種按照經緯方向鋪設，即［（0，9 0）］6；第2種按照原經緯方向旋轉45度鋪設，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果的影響。

由表3可知，鋪層角度設計為［（0，90）］6時靜拉伸強度恢復最大，［（±45）］6的鋪層結構強度

最差。補片加強作用的發揮主要是由纖維的鋪設角度決定的，當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上，在損傷碳纖維層壓板另一面對稱進行相同的貼補修復。表4為靜拉伸實驗結果。

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 靜拉伸實驗結果Tab.4 Static tensile test results

由表4可見，雙面貼補的實驗數據分散性比較小，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。雙面貼補的恢復情況明顯好于單面貼補，5個修復試樣的拉伸強度都比較大，經過雙面貼補修復后部分試樣的強度甚至已經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，這在航空領域是比較敏感的問題。另外，損傷結構的另一面是否便于修復也應根據實際情況而定。因此，在進行貼補修復設計時，需要綜合衡量確定貼補方式。在便于修復操作的情況下，對增重要求不高時采用雙面貼補修復是非常合適的。

3 結論

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構，運用環氧樹脂和玻璃纖維補片對其進行濕鋪貼補修復。實驗表明，補片的參數設計對補片傳遞和承擔載荷作用的發揮至關重要，合理設計補片參數是復合材料修復必不可少的重要組成部分。經綜合分析，本實驗的最佳鋪層數目為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.復合材料結構修理指南［M］.北京：航空工業出版社，2001：37-44，147-148.

［4］范金娟，程小全，陶春虎.聚合物基復合材料構件失效分析基礎［M］.北京：國防工業出版社，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：復合材料修復技術。E-mail：lbhjlz@126.com。

中國博士后科學基金（20110491882，2012T50875）。