蜂窩夾層結構的注膠修理工藝研究

邵蕊

摘 要：近年來，隨著民航領域的快速發展，各大航空公司機隊規模逐漸擴大，復合材料用量呈明顯遞增趨勢，其用量和比例已成為衡量飛機是否先進的重要標準之一。由于復合材料普遍存在層間性能弱、易受沖擊損傷等缺點，在服役期間易受到擠壓、超載、沖擊和環境等因素的影響造成損傷，從而影響復合材料的整體結構性能。因此，復合材料發展和應用對其缺陷損傷注膠修理提出迫切要求。

關鍵詞：復合材料;修理;技術

復合材料蜂窩夾層結構主要是由兩層剛度/強度較高的上、下面板和一層厚而輕的低密度夾芯層組成，將上、下蒙皮與芯子通過粘接劑膠接，采用直接注塑或模壓的加工工藝獲得整體結構。蜂窩夾層結構有質量輕、剛度大、隔熱性能較好的優點，大量應用于飛機結構。但飛機在服役過程中不可避免地因意外撞擊、鳥撞、冰雹等沖擊，造成復合材料夾層結構的損傷。從而大大降低結構的承載能力，因此復合材料蜂窩夾層結構的修理及修理后剩余強度受到研究人員越來越多的關注。

一、復合材料受損結構件修補的重要性

目前，軍機和客機老齡化問題日趨嚴重，為了確保現役飛機的正常使用，延長老齡飛機的經濟壽命，就必須對受損部位進行維修，或對受損構件進行更換。由于現代飛機設計、制造成本昂貴，而飛機結構的損傷絕大多數具有局部性和多發性的特點，對于那些不很嚴重的損傷，更換損傷結構，非但不必要，而且將花費大量的人力、物力和財力，延長飛機的停飛事件，造成浪費。這時，最經濟、最有效的方法就是對飛機的受損部位進行修理，以完全或部分恢復構件的承載能力，保證它的使用安全性。由此可見，修理受損的復合材料結構件是非常必要而且重要的。

二、復合材料常見缺陷及損傷修理

1、常見典型損傷和缺陷。生產過程中工藝控制不當、在服役過程中受到物體沖擊或受環境條件影響，這些因素都會造成復合材料的損傷或缺陷，復合材料在制造和使用中的常見缺陷和損傷如表。

2、損傷容限與修理容限。修理容限指的是兩個定量的界限，在復合材料修理中即表述為出現缺陷或損傷后需不需修、能不能修。結構的損傷容限是指損傷范圍從閾值到臨界值，以確定損傷結構在規定的使用期間是否具有足夠的剩余強度。修理工藝水平和經濟因素決定了修理容限。

三、復合材料結構修理方法

1、注膠與填膠修理。注膠修理是指當層合板結構或夾芯結構出現小面積的內部分層或脫膠損傷時，將滲透性和流動性好的低黏度樹脂注入到分層或脫粘區域并使之固化粘合的一種膠接修理方法。填膠修理是將樹脂膠或其他填料填充或灌注到損傷區以恢復其結構完整性的一種修理方法，通常在一些裝飾性結構和受載較小的蜂窩夾層結構上使用。修復的主要形式有表面劃痕、凹坑、部分蜂窩芯損壞、孔位置錯誤、孔尺寸過大。

2、膠接連接修理。通過使用膠粘劑將被修補結構與補片共同固化連接在一起的復合補片的修復方法稱為膠接修復，以確保損壞的復合材料的結構完整，完成載荷轉移的修復。在實際工作中，膠接修補是復合材料結構修補使用最多的修補方法，根據補片膠接方式不同，又可分為貼補法和挖補法兩種。

（1）貼補法。貼補法是指在去除損傷結構后，在缺陷部位表面附著固定補片，以恢復結構完整性、使用性能及承載力學性能的一種膠接修補手段。根據補片粘貼位置，貼補法可以分為單面貼補和雙面貼補。由于其對操作設備要求不高，具有操作簡單、周期短等優點，該方法多用于外場臨時性修理，由貼補法不能應用于對氣動外形要求較高的部位的修理。基于連續介質損傷力學和粘聚區模型建立了修補復合材料層合板的漸進損傷分析模型，計算了貼補修復后拉伸載荷下的極限強度，研究了補片復合材料的損傷演化過程，并討論了補片參數對修補后拉伸性能的影響，得出不同破壞模式下補片參數的改變對其力學性能的影響。當主要破壞模式是補片破壞時，補片的直徑對修補結構的極限強度影響不大;當破壞模式是膠層破壞時，補片直徑的增大可顯著提高修補的極限強度。分析原因為當補片直徑較小時，膠層剝離應力較大，此時膠層容易首先失效;補片直徑逐漸增大，膠層剝離應力隨之降低，不易失效，故修補結構的極限強度隨著補片直徑的增大而明顯提高。

（2）挖補法。挖補法是先將損傷和缺陷部位去除，再在損傷部位填以新材料的一種膠接方法。根據去除損傷時打磨手段不同又可分為斜接法和階梯法。相較于貼補法，復合材料結構經過挖補修理后，膠接面的膠層剪切應力較為均勻，且能保持較好的氣動外形。因此，挖補法多用于曲率較大、對承載及氣動外形要求較高的復合材料結構。[2]采用了三維損傷累積模型與試驗相結合的方式研究了修理后的復合材料層合板的拉伸性能，探討了挖補角對修復后層合板力學性能的影響，得出挖補修理中膠層失效載荷隨挖補角的增大而減小。同時分析了層合板挖補修復后受拉伸性能的影響、膠層失效后傳力路徑的變化，得到在膠層完全破壞后損傷會沿母版最窄處向兩側自由邊迅速擴展。當挖補修補結構不同時斜接法對挖補修理后力學性能變化的影響，分別對斜坡比為1：10、1：20、1：30和1：40的層合板進行拉伸破壞試驗，得出當斜坡比為1：30時采用斜接法修補抗拉強度最好，同時總結了斜接法修補后的斷裂位置特征，得出斷裂類型主要有脫膠斷裂和補片斷裂。

在當前航空航天領域發展迅猛趨勢下，我國未來幾年在復合材料修理技術領域有望取得更大的突破。在完善與充分利用現有技術的基礎上，應不斷汲取新技術方向發展;將實際工程相結合，成熟健全的修理技術是復合材料應用于各個領域的有力保障;開展復合材料修理標準化科學框架研究，大幅度提高修理效率，促進航空領域的可持續發展。

參考文獻

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[3]徐緋，劉斌，李文英.復合材料修理技術研究進展[J].玻璃鋼/復合材料，2016，8.

[4]相超，周麗，宋恩鵬.拉伸載荷下貼補復合材料層合板的漸進損傷分析[J].工程力學，2017，31（10）：21.