GFRP层合板挖补修理参数对其拉伸性能的影响

路鹏程，王宏洋，李　娜，苏景新

（中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津　300300）

GFRP层合板挖补修理参数对其拉伸性能的影响

路鹏程，王宏洋，李娜，苏景新

（中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津300300）

针对民用航空器用玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料（GFRP，glass fiber reinforce polymer）层合板，典型损伤通常采用挖补方法进行修理，本研究对挖补修理的关键参数——台阶比率、表面粗糙度、固化温度等因素对挖补修理结构拉伸性能的影响规律进行了系统研究。实验结果表明，挖补修理明显改变了GFRP层板结构的力学特性，在6种台阶比率（1∶10～1∶60）中，随着台阶比率的增加，拉伸强度呈现先增加后减小的趋势，在台阶比率为1∶40时，拉伸强度最高，拉伸强度保持率约为51%。在台阶比率为1∶40情况下，修理试样拉伸强度随着粘接界面的粗糙度增加而增加；同时，随着修理固化温度的增加，拉伸强度也出现先增加后降低的趋势，250℉时修理试样拉伸强度最高。

复合材料；挖补法修理；力学性能；固化温度

先进复合材料具有高比强度、高比刚度、耐腐蚀和疲劳性能好等优异特性，在航空航天等领域得到广泛应用，如在航空中，已由平尾、扰流板及方向舵等次承力扩展至中央翼盒、机身等主承力结构[1-3]。但其结构在使用寿命期内由于各种原因不可避免地会产生损伤。出于安全性和经济性考虑，部分损伤结构必须实施修理。挖补法胶接修理对结构外形及气动特性影响小并具备更高的修理效率，因而得到普遍采用，也是复合材料层压板结构的基本修理方法之一[4-6]。

结构修理的实施势必使结构原有力学特性产生变化，如静强度、稳定性等静力学特性以及固有频率、动力响应等动力学特性。对于航空领域大量应用的复合材料薄壁结构而言，修理引起的结构稳定性变化是必须考虑的因素，其对结构能否继续安全承载至关重要[7]。中国目前实施的大型民机重大科技专项也提出了复合材料结构修理研究的迫切需求[8]。对于飞机服役中出现的大量结构损伤，通过及时修理恢复其结构完整性和力学性能，使之重新投入使用，是商用飞机营运的重要保证。而修理方案设计、修理参数等是影响结构修理后其力学特性恢复的关键因素，对飞机结构安全使用产生的影响具有重要意义。

综上所述，复合材料结构的复杂性决定了复合材料修理工艺的复杂性。复合材料损伤的胶接修理工艺参数对修复后的力学性能影响较大，修理工艺流程复杂，开展挖补胶接修理工艺参数对GFRP层压板结构力学特性的研究，具有重要的理论意义和工程应用价值。

1　实验材料及方法

1.1材料及试件制备

实验材料选用日本东丽公司提供的民用航空器用BMS8-79 Style1581玻璃纤维预浸料；采用热压罐成型方法制备试板，拉伸性能测试层合板铺层方式为[0]4。修理用胶膜为BMS 5-101，Type2，Grade10型中温固化胶膜。对制备好的试板进行无损检测，确保试板质量合格。

1.2挖补修理

采用阶梯挖补法对GFRP层合板进行修理，修理结构示意图如图1所示。

图1　层板挖补法修理示意图Fig.1　Schematic diagram of laminate scarf patch repair

修理参数如表1所示。

表1　层板结构修理参数Tab.1　Structural repair parameters of laminate

1.3修理后质量检测及力学性能测试

为了对修理质量进行评价，依据GB1446-83对修理后试样进行目视检查，之后进一步采用PAC公司超声C扫无损检测设备对修理后的试板进行检测，保证修理质量的合格性。

采用INSTRON 5598型电子万能拉伸试验机对同批次完整试件和修理后试件进行力学性能测试。拉伸性能测试方法执行标准ASTM D3039，试样尺寸如图2所示，每组试件数量为5个。

图2　试件尺寸Fig.2　Specimen size

2　结果讨论

2.1修理质量检测

对修理后的GFRP试板进行了外观目视检查，修理后试板外观平整，无宏观缺陷，铺层结构完整；超声C扫检测结果如图3所示，从图中可以看出修理试板中没有宏观或微观缺陷，修理质量合格。

图3　修理后GFRP试板C扫检测结果Fig.3　C-scan test results of GFRP test plate after repair

2.2台阶比率对GFRP拉伸性能的影响

针对挖补修理台阶比率设计了1∶10～1∶60的6种不同搭接尺寸，图4为不同搭接尺寸拉伸试样测试后的照片，可以看出，拉伸断裂区域均在修理区域。

图4　不同搭接界面尺寸试样拉伸测试照片Fig.4　Tensile test sample photo of different lap interface size

图5为台阶比率对GFRP拉伸性能的影响规律曲线，从图中可以看出，修理后试样的拉伸强度明显低于未修理试样的拉伸强度，对于GFRP修理试样，随着台阶比率的增加，拉伸强度先增加后减少。这是由于在拉伸过程中，拉伸损伤首先发生在修理铺层和母板之间的胶层，然后向四周扩展，随着拉伸应力的增加，损伤就会沿着补片或母板扩展，直至失效。随着粘接界面尺寸的增加，拉伸过程中粘接界面胶接受力面积增加，拉伸强度随之增加，且台阶比率为1∶10和1∶20的试样拉伸失效过程为胶层首先损伤失效，随之扩展使补片脱粘或断裂失效；台阶比率为1∶50和1∶60时，拉伸过程中胶层损伤扩展使得母板断裂；当台阶比率为1∶30和1∶40时，拉伸断裂过程主要为胶层损伤，随后扩展使得补片和母板接近同时失效，断口较为齐平。因此当台阶比率达到某一临界值时，随着台阶比率的增加，薄板结构母板的强度降低，使其抗拉强度下降。在这6种台阶比率中，台阶比率为1∶40时，强度保持率最高，约为51%。将拉伸强度作为首要性能优化依据时，台阶比率为1∶40时的层合板修理后抗拉性能最优；另外，考虑到修理工艺可操作性方面的需求以及尽量少地扩大损伤部位尺寸，可将粘接界面尺寸控制在1∶30～1∶40之间，挖补试件的拉伸性能也比较稳定。

图5　挖补修理台阶比率对GFRP拉伸性能的影响规律Fig.5　Effect of scarf patch repair step ratio on tensile properties of GFRP

2.3粘接界面粗糙度对GFRP拉伸性能的影响

选取台阶比率为1∶40的GFRP修理试板，对其粘接界面采用不同粒度砂纸打磨修理，拉伸测试试件的照片如图6所示，同样，试样的拉伸断裂区域均在修理区域。

图6　粘接界面不同打磨粒度修理试样拉伸测试照片Fig.6　Tensile test specimen phote of bonding interface of different grinding sizes

图7为粘接界面粗糙度对修理后试样拉伸性能的影响规律曲线，从图中的测试结果可以得出，对于GFRP修理试样，采用不同粒度砂纸打磨，使得界面粗糙度不同，随着粘接界面粗糙度的降低，拉伸强度随之降低，粘接界面采用80#砂纸打磨处理后较正常处理粘接界面粗糙度（800#）的拉伸强度提高了14.6%。这可能是由于在胶接修理过程中，相同固化环境下，粗糙胶接界面更有利于界面的化学反应和机械结合。综合考虑，为了获得最优力学性能的同时保证修理后试件力学性能的稳定性，粘接界面应采用80#砂纸进行机械打磨处理。

图7　粘接界面粗糙度对GFRP拉伸性能的影响规律Fig.7　Influence of interface roughness on tensile properties of GFRP

2.4修理固化温度对GFRP拉伸性能的影响

选取台阶比率为1∶40的试板，如图8所示，通过不同修理固化温度对其进行修理，然后测试其拉伸性能，试件的断裂区域均在修理区域。

图9为在不同修理固化温度下GFRP层合板拉伸强度变化规律，从图9中可以看出，对于GFRP修理试样，BMS8-79 Style1581预浸料和BMS 5-101，Type 2，Grade 10胶膜材料体系在固化温度为250℉时，拉伸强度最高，因此最佳固化温度为250℉，当固化温度升高或降低时，拉伸强度都相应下降。这是由于在固化过程中，固化温度过低，会使胶粘剂无法发生完全交联反应，表现为宏观力学性能较差；当固化温度过高，对于修理结构，会使得母板发生二次损伤[9]，降低其力学性能。

图8　不同修理固化温度对GFRP层板拉伸测试照片Fig.8　Tensile test photo under different repair curing temperatures of GFRP

图9　不同修理固化温度对GFRP拉伸性能的影响规律Fig.9　Effect of different curing temperatures on tensile property of GFRP

3　结语

1）GFRP层合板结构挖补修理明显改变了原结构的力学特性，且不同挖补修理参数对其修理后的力学性能有不同程度的影响。

2）设计的6种台阶比率（1∶10～1∶60）中，随着台阶比率的增加，拉伸强度及强度保持率先增加后降低，台阶比率为1∶40时，拉伸强度及强度保持率最高。

3）在台阶比率为1∶40时，粘接界面粗糙度对挖补修理拉伸强度也有不同程度的影响，随着粘接界面粗糙度的降低，抗拉强度下降，80#砂纸打磨粘接界面试件拉伸强度比800#砂纸打磨试件提高了14.6%。

4）在台阶比率为1∶40时，针对BMS8-79 Style1581预浸料和BMS 5-101，Type 2，Grade 10胶膜材料体系，随着固化温度的增加，拉伸强度呈现先增加后降低的趋势，在250℉时，试件的拉伸强度最大。

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（责任编辑：杨媛媛）

Influence of GFRP laminate’s scarf repair parameters on its tensile properties

LU Pengcheng,WANG Hongyang,LI Na,Su Jingxin
（Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance Key Lab of Tianjin,CAUC,Tianjin 300300,China）

Scarf repair approach is usually adopted to deal with a typical damage in GFRP（glass fiber reinforce polymer）laminate on a civil aviation aircraft.A systematic research is conducted on the influence of scarf repair key parameters such as step ratio,surface roughness and curing temperature upon its tensile properties.Experimental results reveal that scarf repair approach has a significant changing effect on the mechanical properties of GFRP laminated plate structure.Along with the increase of step ratio（from 1∶10 to 1∶60）,the tensile strength appears a trend of decrease following an initial increase.When step ratio is 1∶40,the tensile strength reaches its peak,with a tensile strength retention rate of 51%.In the case of 1∶40 step ratio,the tensile strength of repair specimen increases with an intensity of roughness on the surface of junction.Meanwhile,with the increase of curing temperature,tensile strength also presents a trend of increase after a decrease and the tensile strength of repair specimen reaches its maximum when the temperature is 250℉.

composite;scarf repair;mechanical property;curing temperature

TQ327.3

A

1674-5590（2016）05-0031-04

2016-07-06；

2016-09-06

国家自然科学基金项目（61471364）；中国民用航空局科技基金项目（MHRD20160106）

路鹏程（1987—），男，陕西榆林人，助理实验师，硕士，研究方向为树脂基复合材料.