碳纖維/聚酰亞胺樹脂基復合材料開孔修補工藝的可靠性研究

◎許國棟 紀斌逸 蔣蔚

碳纖維/聚酰亞胺樹脂基復合材料開孔修補工藝的可靠性研究

◎許國棟 紀斌逸 蔣蔚

為了驗證碳纖維/聚酰亞胺樹脂基復合材料開孔修補工藝的可靠性，采用了平板開孔修補試驗件模擬某構件在振動工況下的工作環境，行進開孔修補試驗件x,y,z三軸向的動應變測試，試驗結果表明：試驗件無異常，動應變最大值≤200uε滿足抗震性能要求。

耐高溫聚酰亞胺樹脂基復合材料具有比強度和比模量高、可設計性強、抗疲勞性能好及耐熱性能優異等獨特優點。其中BMP316聚酰亞胺樹脂基復合材料是國內使用最廣泛的耐高溫樹脂基復合材料，并已經在發動機構件中得到應用。

發動機復合材料在實際使用過程中因各種原因發生擦傷、劃傷、磕、碰傷、分層等損傷，其中部分損傷面積小、深度淺，可直接采用膠黏劑修補損傷處，修補工藝簡單，成本低，可操作性高。本研究為了驗證碳纖維/聚酰亞胺樹脂基復合材料開孔修補工藝的可靠性，采用了平板開孔修補試驗件模擬某型號構件在振動工況下的工作環境，通過對開孔試驗件x,y,z三軸向的動應變測試，考核修補結構的抗振性能。

試驗

試驗材料。采用T300碳纖維/ BMP316聚酰亞胺預浸料，樹脂含量38～42%，單位面積纖維質量131～133g/ mm2，固化后單層厚度為0.12mm。某型耐溫膠黏劑，可在280°長期使用。

試件制備。試件為層合板，采用真空袋-熱壓罐成型。試驗件幾何尺寸為140X70mm，厚度為4mm，其中在試驗件中間加工Φ16mm的盲孔，盲孔深度為0.4mm。盲孔采用耐溫膠黏劑補平。為了監測試驗件在振動試驗過程中的應變狀況，在耐溫膠修補處的背面每900粘貼一應變片，共4片，試驗件見圖1、2。

試驗環境條件。試驗環境條件為，試驗溫度24±2℃，環境濕度28±3%。

試驗過程。根據GJB150.16A-2009軍用裝備實驗室環境試驗方法第16部分：振動試驗的要求，分別按z方向、y方向、x方向裝在實驗臺上，進行各自方向的振動試驗，試驗時采用兩端夾持的邊界條件，夾持尺寸為10～15mm，見圖3。本試驗系統為蘇州儀器試驗總廠生產的DCDS-2200-26～06電動振動系統，試驗振動控制系統采用的是美國Spectral Dynamics (SD)公司的美洲豹（PUMA）振動控系統。

試驗結果與分析

試驗件z、y、x方向的試驗振動條件的關鍵點如表1所示，每個方向振動持續時間為4小時。

從試驗現場狀況看，整個使用過程并無異常現象。從試驗后試件的形態看，試件整體無明顯變化，復合材料開孔修補處無脫落，無裂痕。對試件進行無損檢測，復合材料試件無缺陷,開孔修補處也無缺陷。

z,y,x方向振動試結果如圖4所示，我們從試驗過程測量的應變數據看，所有應變點應變值較小。其中z方向1、3監測點值≤200uε，2、4監測點值≤100uε；y方向1、3監測點值≤50uε，2、4監測點值≤30uε，x方向1、3監測點值≤100uε，2、4監測點值≤50uε，監測點在受力狀況下，均處于安全狀態。

復合材料開孔修補工藝振動試驗動應變最大值出現在Z方向，最大值為200uε，滿足構件振動性能要求；振動試驗和無損檢測結果合格，表明碳纖維/聚酰亞胺復合材料開孔修補工藝合理可行；碳纖維/聚酰亞胺樹脂基復合材料開孔修補工藝，為某型發動機復合材料構件使用壽命的延長提供了一種安全可行的途徑。

（作者單位：中航復合材料有限責任公司）