补片设计对复合材料粘接修复效果的影响

张健龙，胡芳友，赵培仲，岳剑飞

（1.中国人民解放军66350部队，河北 保定 071000；2.海军航空工程学院青岛校区航空机械系，山东 青岛 266041）

补片设计对复合材料粘接修复效果的影响

张健龙1，2，胡芳友2，赵培仲2，岳剑飞1

（1.中国人民解放军66350部队，河北 保定 071000；2.海军航空工程学院青岛校区航空机械系，山东 青岛 266041）

研究了补片参数对修复效果的影响并对补片参数进行了优化设计。结果表明，补片参数的优化设计对补片承担和传递载荷作用的发挥起着至关重要的作用，补片最佳层数是6层，最佳长度是20 mm，纤维方向与载荷方向一致时其加强作用最显著，双面贴补效果好于单面贴补。

复合材料粘接修复；拉伸强度；补片参数设计

损伤复合材料结构的粘接修复主要是通过纤维补片与树脂固化后形成复合材料来增强的，而纤维补片起到主要的承力作用。科学设计补片是获得良好修复效果和修复效益的有效保证。本文采用中心带有贯穿圆孔的矩形碳纤维层压板来模拟损伤结构，运用环氧树脂和玻璃纤维补片对其进行湿铺贴补修复。对补片长度、铺层角度、铺层数目、以及单双面贴补等因素进行了设计，研究了补片参数变化对修复试样强度恢复的影响，综合衡量修复效果和修复效益，优化了补片设计参数。

1 实验部分

1.1 主要原材料及设备

碳纤维层压板，由台丽TC-35碳纤维材料和619号环氧树脂制成，铺设方式为［（0，90）/0/90］S，广东协创复合材料有限公司；双酚A型环氧树脂，E44（6101），镇江丹宝树脂有限公司；低分子-650-聚酰胺树脂固化剂，巴陵石化有限公司；高强玻璃纤维编织布，SW100A-90a，南京玻璃钢研究设计院。

电子万能拉力试验机，WDW-1型，济南泰思特仪器有限公司。

1.2 表面处理工艺

采用丙酮清洗+砂纸打磨+丙酮清洗的方式。

1.3 试样制备

损伤碳纤维层压板的制备：将2 mm厚的碳纤维层压板裁成100 mm×15 mm的矩形板，在板中心预制直径4 mm的点圆孔作为损伤。

复合材料粘接修复试样的制备：将E44和固化剂聚酰胺650按质量比1：1混合均匀配制复合基体树脂，采用湿铺法粘接修理损伤板，80 ℃固化5 h。

1.4 拉伸性能测试

采用电子万能拉力试验机在室温下测试试样的拉伸性能。拉伸速率3 mm/min，每组5个试样，取平均值。

2 结果与讨论

经测试，碳纤维层压板完好试样和损伤未修复试样的拉伸强度分别为739.73 MPa和499.60 MPa。强度相对值为修复后试样强度与完好试样强度的比值。

2.1 铺层数目

补片的铺层数目对应贴补厚度，适合的贴补厚度既要满足修复强度的要求，又要综合考虑补片对复合材料重量、气动性能、隐身性能等因素的影响［1］。设计补片铺层数目为3、5、6、7、9、11，补片长20 mm，宽15 mm，单面贴补，铺设角度均为经纬向。表1为铺层数目对静拉伸强度的影响。

当铺层数目较少时，每组5个试样拉伸强度数据值比较接近，分散性比较小，损伤模式主要为补片与碳纤维板均在垂直于载荷方向的损伤孔周围断裂（称为A模式）；随着铺层数目增加，数据差别逐渐增大，损伤模式主要为补片与胶层未失效，碳纤维板于某层失效后在垂直于载荷方向断裂（称为B模式）。A模式说明补片的强度较小，虽然对损伤层压板有一定的加强作用，但是其加强作用还有待提高。随着补片层数增加，补片的强度逐渐变大，在补片与碳纤维层压板之间的胶层粘接较好的情况下，当补片强度增长到一定值并大于层压板的界面强度时，就出现了B模式［2］。

由表1还可知，随着补片铺层数目的增加，修复试样的强度虽然总体趋势是上升的，但是当补片层数增加到一定数目后，上升趋势明显减弱并在一定区间内动态变化。因此，补片的铺层数目存在一个临界值，大于该临界值后，修复效果变化不明显，同时随着补片与胶粘剂的增加，试样的重量也在增加，修复结构的气动外形会有更大的改变，隐身性能会有所下降。因此，选择合适的铺层数目并使不利影响减小到最少是修复设计的最佳选择。综合分析，本实验的最佳铺层数目为6层。

表1 铺层数目对静拉伸实验结果的影响Tab.1 Effect of patch plies number on static tensile test results

2.2 铺层长度

固定补片的宽度为15 mm，设计补片长度分别为10、20、30、40、50 mm，铺设6层，单面贴补，各层铺设角度均为经纬向。表2为补片尺寸对静拉伸实验结果的影响。

补片长度为10 mm时，修复效果不理想，强度几乎没有恢复，损伤模式主要为补片未损伤，胶层失效（称为C模式）。当补片较短时，整个胶层都处于较高的剪应力状态［3］，胶层在较高的剪应力下失效是主要损伤模式。在10～20 mm，修复试样的强度迅速增加，说明随着补片长度的增加，粘接面积也随之增加，缓解了短补片时胶层中剪应力较高的现象，补片的连接增强作用得到较好发挥，此时更多的载荷通过界面胶层传递到了补片上。随着补片长度的继续增长（20～40 mm），强度保持较高水平在一定区域小幅下降，补片长度在40～50 mm之间出现了明显下降。其原因在于当补片长度增加到一定程度之后如果再继续增加，热固化形成的残余热应力也会随之增大，并导致修复试样产生较大的弯曲变形从而影响修复效果。本实验的最佳补片长度为20 mm。

表2 补片长度对静拉伸实验结果的影响Tab.2 Effect of patch length on static tensile test results

2.3 铺层角度

铺层角度设计对复合材料结构的力学性能、稳定性、可靠性等具有重要影响［4］。实验中将平纹玻璃纤维编织布的铺设角度设置为3种：第1种按照经纬方向铺设，即［（0，9 0）］6；第2种按照原经纬方向旋转45度铺设，即［（±45）］6；第3种按照以上2种方向补片相间混杂铺放，即［（0，90）/（±45）］3；每种铺层角度铺设6层，补片长20 mm，宽15 mm，单面贴补。表3为铺层角度对静拉伸实验结果的影响。

由表3可知，铺层角度设计为［（0，90）］6时静拉伸强度恢复最大，［（±45）］6的铺层结构强度

最差。补片加强作用的发挥主要是由纤维的铺设角度决定的，当补片的纤维方向与载荷方向一致时其加强作用最明显，承受和传递的载荷最大，随着载荷方向纤维的减少，加强作用也逐渐减弱。本实验的最佳铺层角度是［（0，90）］6。

表3 铺层角度对静拉伸实验结果的影响Tab.3 Effect of plies angle on static tensile test results

2.4 单双面

在本次实验中，单面贴补的补片长度为20 mm，双面贴补在此单面贴补的基础上，在损伤碳纤维层压板另一面对称进行相同的贴补修复。表4为静拉伸实验结果。

双面贴补的损伤模式可以归纳为B模式，碳纤维层压板出现2个失效界面，层压板在厚度方向分为3部分，上下两面均被对应面的补片粘下若干层，中间多层于损伤孔处载荷方向断裂，损伤形式对称。

表4 静拉伸实验结果Tab.4 Static tensile test results

由表4可见，双面贴补的实验数据分散性比较小，说明双面贴补受力对称，影响因素比单面贴补少，可靠性更高。双面贴补的恢复情况明显好于单面贴补，5个修复试样的拉伸强度都比较大，经过双面贴补修复后部分试样的强度甚至已经超过了完好试样的强度。但双面贴补后试样的增重明显高于单面贴补，这在航空领域是比较敏感的问题。另外，损伤结构的另一面是否便于修复也应根据实际情况而定。因此，在进行贴补修复设计时，需要综合衡量确定贴补方式。在便于修复操作的情况下，对增重要求不高时采用双面贴补修复是非常合适的。

3 结论

采用中心带有贯穿圆孔的矩形碳纤维层压板来模拟损伤结构，运用环氧树脂和玻璃纤维补片对其进行湿铺贴补修复。实验表明，补片的参数设计对补片传递和承担载荷作用的发挥至关重要，合理设计补片参数是复合材料修复必不可少的重要组成部分。经综合分析，本实验的最佳铺层数目为6层；最佳补片长度为20 mm；纤维方向与载荷方向一致时其加强作用最显著，最佳铺层角度是［（0，90）］6；双面贴补效果好于单面贴补。

［1］姚磊江，童小燕，吕胜利.损伤复合材料层压板胶接修理试验研究［J］.机械强度，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］陈绍杰.复合材料结构修理指南［M］.北京：航空工业出版社，2001：37-44，147-148.

［4］范金娟，程小全，陶春虎.聚合物基复合材料构件失效分析基础［M］.北京：国防工业出版社，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

张健龙（1984-），男，硕士研究生。研究方向：复合材料修复技术。E-mail：lbhjlz@126.com。

中国博士后科学基金（20110491882，2012T50875）。