纏繞復合材料不同損傷形式的修補工藝研究

易 偉

(長沙晶優新材料科技有限公司，湖南 長沙 410000)

樹脂基復合材料具有比強度、比模量高，性能可設計性強，制件可整體成型等優點，是目前發展最迅速、應用最廣泛的復合材料[1-4]。運用復合材料制備的零部件，即使是大型的制件也能實現一次成型。從而使部件中零件的數目明顯的減少，避免了接頭過多，顯著的降低了應力集中，減少了制造工序和加工量，大量節約原材料。樹脂基復合材料以其獨特的優點，在許多工業領域得到了大量的應用[5-7]。

由于復合材料制備和零件成型同時完成，因而在制備過程中的缺陷不可避免，碰傷、加工原因引起的損傷也是較常見的。據報道，低能碰撞產生的非可見損傷可使復合材料的強度降低35%～40%。由于復合材料的損傷形式與金屬材料顯著不同，因而不能簡單的將傳統的修理方法直接應用于復合材料的修理。采用不恰當的方法修理方法處理，往往得不到好的修理效果，必須根據其損傷的特點，設計相應的修補方法，特別要重視鋪層設計和修理設計。

在生產的某型號纏繞筒體時，發現部分筒體尾端面局部開裂；另外在后期制作中，部分筒體的尾端面有局部被碰傷、壓傷及加工損傷的現象，導致局部尺寸變形，因而必須進行修復。通過相應的技術試驗，設計了不同的修補工藝，對筒體進行修補。修復后的筒體的表觀接近原有水平，結構強度和使用性能完全達到合格產品性能的要求。

1 實驗部分

1.1 原材料、設備及工裝

樹脂體系：TDE-85環氧樹脂、E-51環氧樹脂、T-31固化劑、聚酰胺650韌性固化劑、間苯二甲胺促進劑；

增強材料：有機氈、玻纖表面氈、短切高強紗、特種表面氈、特種纖維、滌綸表面氈；輔助原材料：聚乙烯醇、乙酸乙酯、丙酮、脫脂紗布、聚酯薄膜。

1.2 試驗過程

首先從部件的類型、損傷的類型、損傷所影響的范圍和損傷的程度評估部件損傷。通過工藝實驗最終確定操作簡便、切實可行的修補方案。

1.2.1 層間開裂修補試驗

在分層區內，距分層區邊緣一定距離處分別開一個注膠孔和一個出膠孔，如圖所示：

圖1 注膠口分布示意圖Fig.1 Distribution diagram of injection ports

孔通過脫膠和分層處，使樹脂膠粘劑能注入分層處，但是，孔也不能太深，否則會造成新的人為損傷。

調整膠液體系中固化劑比例，作凝膠試驗，將凝膠時間控制在30min左右，確保工藝人員有充裕的時間實施修補工藝。氣槍吹凈進膠口部位，用注射器通過注膠孔把膠粘劑注入分層處，直到有膠粘劑從臨近的孔中溢出。這樣直到把所有的損傷處注滿，用壓敏膠帶封住各孔位，待固化后，清理修補表面。

1.2.2 加工損傷修補試驗

采用兩件試驗件，在尾端面模擬加工出斜面后。將試驗件尾端面朝上直立，用水平尺找平尾端面，對尾端面修補部位進行表面打磨處理，并用脫脂紗布浸漬乙酸乙酯清洗修補部位，使試件分子鏈中未反應官能團裸漏，膠黏劑修補二次固化時可以在分子層面達到無界面，滿足粘接要求。

用壓敏膠帶封好尾端面內外徑(必須保證平整不皺)，防止修補過程中的滴落膠液污染制品表面。在專用加壓工裝表面涂刷聚乙烯醇脫模劑一層，涼置時間不低于24h。

按凝膠實驗確定的比例配制膠液后，將膠液均勻的涂刷在修補端面上，隨后依次鋪放兩層表面氈，注意應使表面氈均勻、充分的浸漬樹脂；于修補端面上放置加壓蓋板(注意保持平直狀態)；用脫脂紗布浸漬不同清理溢流膠液，防止污染制品表面；修補制品經至少24h的固化后方可拆除加壓工裝，進行必要的表面處理；修補部位經至少48h的充分固化后，可以進行后續的機加工操作。

1.2.3 局部碰傷修補試驗

本產品系由高強玻璃纖維增強環氧/酸酐樹脂體系，利用纏繞工藝制備的柱形筒體[8-9]。局部碰傷部位一般在筒體表面，在清理時應盡量避免損傷原增強材料，以盡量減少對強度的影響。采用兩件試驗件，在表面及端面進行模擬碰撞，使試驗件出現與比產品更嚴重的損傷。如圖2。

圖2 碰撞損傷形式Fig.2 Collision damage pattern

在修補層和筒體間加膠膜，使二者能很好的粘接。如此可以最大限度的提高、恢復筒體的力學性能。

修補層數的確定：根據對切除區的實測數據確定修補層數，公式如式1：

(1)

式1中：a為需要修補的層數，h為缺陷實際深度，k為修補系數，根據選用的增強材料和樹脂的不同取不同的值。如利用公式計算的值大于0.95，按一層計算，否則不記。

2 修補結果分析

在經過修補的部分取樣，根據相關標準進行力學性能檢測，其結果如表1。

表1 不同損傷形式修補后性能Table 1 Performance after repair in different damage forms

由表1數據分析可知針對不同損傷形式進行修補后的制件，拉伸性能及壓縮性能均能滿足設計值，修補工藝設計合理，后續也可為不同成型工藝的復合材料制件損傷提供參考。對比兩種性能，不同損傷修補的壓縮性能測試結果離散性較為穩定，而拉伸性能離散性較大，分析可能是試樣在拉伸性能測試時，兩次成型的界面雖然有分子層面的交聯，但相對一次成型仍然較少，導致該處為薄弱點，而不同缺陷方式、缺陷面積、缺陷深度均會導致界面強度的不同。而壓縮性能測試時，試樣主要為纖維受力，界面對其影響較小。

3 結論

(1)本文根據復合材料纏繞成型制件在制備及使用過程中可能存在的層間開裂、加工損傷及局部碰傷3種損傷形式，進行工藝設計及修補試驗，修復后的筒體的表觀接近原有水平，工藝操作較為方便，可為后續其它復合材料修補提供了方案。

(2)在試驗件模擬修補的基礎上，完成打尾螺套孔、攻絲、尾螺套粘結等后續工序。經力學性能檢測及相關人員鑒定認為：采用上述修補方案修補的試驗件，尾端面均勻密實，而且具有與筒體其它部位相當的機械強度，修補后的筒體滿足驗收技術條件中對筒體儀器艙部位的強度要求。