蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)粘接修理研究

孫海霞，崔愛永，戴京濤，蘇洪波，魏華凱

(海軍航空大學(xué) 青島校區(qū)，山東 青島 266041)

蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)是近年來廣受關(guān)注的一種新型復(fù)合材料。它是由上下兩層大強(qiáng)度的薄板和中間一層玻璃纖維或者復(fù)合材料制成的芯子組成(見圖1)，上下兩層面板和中間的芯子通過膠接或焊接連接。其面板是主要的受力部件，芯子起到分隔和支撐上下兩面板的作用，并且可以承受面板內(nèi)部產(chǎn)生的剪應(yīng)力[1]。蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)可以由很多材料制成，蜂窩芯子按其材料的不同可分為鋁蜂窩、玻璃蜂窩和芳綸紙蜂窩等，面板材料有鋁合金、鈦合金、不銹鋼和玻璃鋼等復(fù)合材料。蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)除具有傳統(tǒng)復(fù)合材料的大多數(shù)優(yōu)點(diǎn)外，還具有耗材少、成本低、面積大、質(zhì)量輕、可循環(huán)和耐高溫等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。因此，飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件大多數(shù)采用蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，如雷達(dá)罩、客艙地板、各類裝飾面板、各類整流罩、操縱舵面和梁腹板等[4]。隨著飛機(jī)結(jié)構(gòu)上蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的大量使用以及對飛機(jī)使用壽命要求的不斷提高，蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)受損修理問題正成為目前航空領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問題。

圖1 蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)

目前，膠接蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)件的損傷大概可分為5類[5]：表面損傷、脫粘損傷、單側(cè)面板損傷、穿透損傷和內(nèi)部積水。這些損傷中，穿透損傷最為嚴(yán)重，修補(bǔ)難度最大，需要用挖補(bǔ)法進(jìn)行修補(bǔ)。針對蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)損傷后修理問題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究[6-8]。汪海等[9]對受損傷復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的單側(cè)挖補(bǔ)、單側(cè)加襯挖補(bǔ)和雙面貼補(bǔ)修理方法進(jìn)行了研究，得出了復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)修補(bǔ)后的剛度和強(qiáng)度變化規(guī)律；李劍峰等[10]對復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)單面貼補(bǔ)的彎曲性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值分析；曾建江等[11]研究了不同夾芯復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的剪切破壞行為。本文以試驗(yàn)研究為主，探究用挖補(bǔ)法修補(bǔ)芳綸紙蜂窩單側(cè)面板和芯子損傷后夾芯結(jié)構(gòu)的抗沖擊和抗壓縮性能，采用控制變量法探究不同尺寸鋪層面板、不同樹脂膠和不同蜂窩緊密程度3種試驗(yàn)因素對修理效果的影響，以探究最佳修理方案，期望對外場修理工作起到指導(dǎo)作用，提高外場修理工作效率。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備和材料

試驗(yàn)設(shè)備：落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)、壓縮試驗(yàn)機(jī)和電熱鼓風(fēng)干燥箱。

試驗(yàn)材料：芳綸紙蜂窩、玻璃纖維布、環(huán)氧樹脂、聚酰胺樹脂、固化劑、特種潤滑脂、玻璃棒、膠層塑料刮板、一次性橡膠手套、一次性塑料紙杯、裁紙刀、尺子、剪刀、記號筆和游標(biāo)卡尺。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案是采用控制變量法，將面板的尺寸、蜂窩替芯緊密度以及膠層的類型作為變量，通過這3個(gè)變量的不同排列組合，制定了7個(gè)不同修補(bǔ)方案，每個(gè)方案準(zhǔn)備6個(gè)試件，另外需要準(zhǔn)備6個(gè)完好的試件與修補(bǔ)試件進(jìn)行對比，一共48個(gè)試件(見表1)。每個(gè)方案取3個(gè)試件進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)，另外3個(gè)試件進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。最后，量取并記錄落錘沖擊試驗(yàn)后的試件損傷的尺寸和深度數(shù)據(jù)，讀數(shù)并計(jì)算壓縮試驗(yàn)后試件的最大承受壓力和最大應(yīng)力。

表1 試驗(yàn)方案

1.3 試件制備

本試驗(yàn)需要制備48塊邊長為80 mm的正方形蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)試件。試件的面板采用鋪層為3層的玻璃纖維布，中間膠層使用環(huán)氧樹脂加入固化劑調(diào)制的膠或者聚酰胺樹脂加入固化劑調(diào)制的膠。其中，環(huán)氧樹脂與固化劑的配制比例為4∶1，聚酰胺樹脂與環(huán)氧樹脂的配制比例為1∶1。挖去蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)試件中一塊邊長為40 mm的正方形區(qū)域(見圖2)，剩余部分應(yīng)保證切口邊緣不產(chǎn)生蜂窩芯子與面板脫粘，損傷底部的面板應(yīng)盡量把殘余的蜂窩芯子剔除，使底部平整。

圖2 損傷試件

受損傷試件的未損傷面板內(nèi)側(cè)涂抹膠，把裁剪好的40 mm×40 mm的芳綸紙蜂窩輕輕放進(jìn)受損部位，保證芳綸紙蜂窩上方與未損傷的芳綸紙蜂窩芯子齊平，保證玻璃纖維布完全覆蓋住損傷，100 ℃高溫固化2 h，修補(bǔ)好的試件如圖3所示。

圖3 修補(bǔ)好的試件

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

沖擊試驗(yàn)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較和對沖擊后試件的觀察有如下發(fā)現(xiàn)。

1)所有試件修補(bǔ)后的抗沖擊性能均可恢復(fù)或者近似恢復(fù)試件完好時(shí)的抗沖擊性能。

2)矩形面板受沖擊后，尺寸短的一側(cè)容易脫粘，也更容易出現(xiàn)裂紋，而用正方形面板修補(bǔ)的試件受沖擊后，四周不容易出現(xiàn)脫粘和裂紋。因?yàn)槭軟_擊時(shí)，正方形的面板受力比較均勻，不會形成較集中的應(yīng)力，所以使用正方形面板修補(bǔ)的試件其抗沖擊性能要優(yōu)于矩形面板修補(bǔ)的試件。

3)使用更緊密的蜂窩對試件進(jìn)行修補(bǔ)后，其抗沖擊性能要明顯優(yōu)于與損傷尺寸相同的蜂窩進(jìn)行修補(bǔ)的試件。這主要是因?yàn)橄嗤w積下，緊密蜂窩替芯的密度更大，蜂格多，當(dāng)錘頭落下時(shí)，單位面積內(nèi)會有更多的蜂格來承受沖擊。

4)2種不同的膠對修補(bǔ)后試件的抗沖擊性能影響效果不是很明顯。

2.2 壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

壓縮試驗(yàn)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較和對沖擊后的試件觀察有如下發(fā)現(xiàn)。

1)方案1和方案5沒有超過完好時(shí)的最大壓縮應(yīng)力和低于完好時(shí)的最大壓縮應(yīng)力。通過觀察壓縮后的試件和分析發(fā)現(xiàn)，矩形面板在接受壓縮時(shí)，當(dāng)壓力增大到一定值時(shí)，短邊一側(cè)的蜂窩替芯會提前失效出現(xiàn)斷裂，導(dǎo)致整個(gè)試件受力不均勻，整個(gè)試件的最大承受壓力就達(dá)不到修復(fù)前的水平。方案2～方案7的最大承受壓力和最大壓縮應(yīng)力均超過修復(fù)前水平，是因?yàn)樾扪a(bǔ)后試件損傷處的面板要高于正常區(qū)域的面板，高處的部分是膠層和修補(bǔ)的面板，這兩部分在進(jìn)行壓縮時(shí)先受力，它會將受到的壓力勢能部分轉(zhuǎn)化為彈性勢能和熱能，最后才是試件整體受力，所以在試驗(yàn)結(jié)果上會表現(xiàn)為修復(fù)后的抗壓強(qiáng)度要超過完好時(shí)的抗壓強(qiáng)度。

2)蜂窩芯子的緊密程度對于修補(bǔ)效果具有十分明顯的影響。使用更緊密的蜂窩對試件進(jìn)行修補(bǔ)后，其抗壓縮性能要明顯優(yōu)于與損傷尺寸相同的蜂窩進(jìn)行修補(bǔ)的試件，并且更緊密蜂窩對試件抗壓縮性能的影響要大于矩形玻璃纖維布面板。

3)2種不同的膠對修補(bǔ)后試件的抗壓縮性能影響較為明顯。

3 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)試件修補(bǔ)后的抗沖擊性能能夠恢復(fù)到或者近似恢復(fù)到試件完好時(shí)的抗沖擊性能；并且使用正方形面板、緊密的蜂窩芯子和環(huán)氧樹脂膠層修補(bǔ)的試件抗沖擊性能最好。

2)試件修補(bǔ)后的抗壓縮性能能夠恢復(fù)到或者近似恢復(fù)到試件完好時(shí)的抗壓縮性能；并且使用正方形面板、緊密的蜂窩芯子和聚酰胺樹脂膠層修補(bǔ)的試件抗壓縮性能最好。

希望這些規(guī)律和結(jié)論能夠?qū)︼w機(jī)上芳綸紙蜂窩部件的修理起到指導(dǎo)作用。在今后的研究中，能夠更進(jìn)一步探究和改進(jìn)芳綸紙蜂窩的修補(bǔ)工藝，采用更加先進(jìn)修理技術(shù)去探究膠層固化時(shí)間、鋪層數(shù)量對于修補(bǔ)效果的具體影響。