复合材料层合板挖补修复工艺研究

刘诗琪 杨 涛 杜 宇

(1 天津市现代机电装备技术重点实验室, 天津 300387)(2 天津工业大学机械工程学院, 天津 300387)

复合材料层合板挖补修复工艺研究

刘诗琪1，2杨 涛1，2杜 宇2

(1 天津市现代机电装备技术重点实验室, 天津 300387)(2 天津工业大学机械工程学院, 天津 300387)

文 摘 针对不同挖补斜度的复合材料层合板使用韧性胶黏剂Araldite@2015，对修补后的试件使用弯曲和拉伸性能进行评价。结果表明：铺层方式为[±45°]4s层合板在弯曲载荷作用下修补后修补效率最高能达到119.6%，拉伸载荷作用下修补效率最高能达到71.4%；铺层方式为[0°/90°]4s层合板在弯曲载荷作用下修补后修补效率最高能达到82.1%。结果可为实际修补提供依据和指导。

复合材料，挖补修补，韧性胶黏剂

0 引言

复合材料具有比强度和比模量高、可设计性强、疲劳性能好、耐腐蚀等许多优异性能[1]，近年来已经越来越多的在民用和军用领域大量应用。伴随着越来越多的使用，复合材料出现损伤的几率也大大增加。为了不影响后续的使用以及经济性方面的考虑，复合材料的修补已成为一个受到广泛关注的问题。对于这些损伤，在一些承力不大的部位，可以忽略不予修补，但是对于一些重要部位，大面积更换部件又不经济划算[2]，对原有复合材料构件进行修补便成为一种经济可行的方案。

修补大致分为机械连接修补和胶接修补。机械连接修补因其需要在原结构上开孔而会引起不必要的应力集中，较少地被应用于实际修补中。而胶接修补能够很大程度上减小应力集中，结构增重小，能最大程度保持气动外形抗腐蚀，并且工艺流程简洁快速而越来越多的来代替机械连接修补[3]。

胶接修补主要分为贴补法和挖补法[4]。贴补法和挖补法的主要区别在于是否对原损伤孔进行重新打磨。贴补法是在原损伤部位上直接粘贴上与原材料相同的补片，而挖补法则是在原损伤结构上进行打磨后补以相同材料的补片进行粘接修补。

胶接修补在工艺上应考虑纤维铺层、修补角度、胶黏剂选择等多个因素[5]。国内外在胶接修补方面多采用有限元模拟的方式对胶接修补的各个因素进行分析，刘佳[6]针对挖补修补工艺设计了不同挖补角度，附加层数固化成型方法等实验参数采用拉伸强度进行考察，得到最高强度能恢复到到未损伤母板的79.5%。刘遂[7]对经穿透挖补修补后的平面编织混杂铺层层合板的拉伸性能进行了实验研究，初始损伤相同时，挖补斜度为1∶30时的拉伸强度最高。张兴益[8]在研究碳/环氧复合材料骨架桁条修补时提出修补斜度可以为1∶10～1∶30，静力破坏实验证明经多次重负加载后其承载强度仍然较高，且最终破坏载荷为180%。Campilho[9]在对不同挖补角度的层合板进行拉伸实验时采用了韧性胶黏剂[10]得到数据与进行有限元模拟的数据吻合度较高。

1 复合材料修补参数的设计和实验方案的确定

1.1 试件制备

试件采用SK化工(青岛)有限公司的TR50碳纤维预浸料制备，碳纤维的密度1.77 g/cm3。复合材料层合板的铺层数为16，每层厚度为0.0125 mm。复合材料层合板的固化采用模具热压成型的方法，具体操作是铺层、压实、加热、冷却和固化。采用东莞宏正AM-200型全自动热压、冷却成型机上进行加热冷却固化成型，温度设定为140℃、2 h，压力设定为100 kg/cm2。Araldite@2015[11]是一种双组分韧性胶黏剂，具有高剪切模量和高剥离强度，低收缩，固化时间短，使用时需要按照体积比1∶1混合。试件制备主要考虑的因素有：

(1)为研究不同纤维铺层的层合板采用韧性胶黏剂粘接后的力学性能，选取[±45°]4s和[0°/90°]4s两种不同铺层方式的层合板;

(2)挖补斜度选取比较有区分度的四种斜度：1∶10、1∶15、1∶20、1∶25;

(3)由于复合材料树脂基体的性质以及考虑到韧性胶黏剂对纤维增强复合材料有很好的粘接性选择Araldite@2015胶黏剂。

复合材料层合板在冷却完成后应按照标准测试试件的尺寸合理剪裁，并按照实验方案打磨出相对应的斜度，打磨完成后应采用丙酮清洁打磨表面，打磨好的斜面呈现出规则的铺层痕迹。Araldite@2015需粘接时按照体积比1∶1混合使用 。图1为胶接示意图。

1.2 试件形状和尺寸及测试条件

(1)拉伸试验，通过材料拉伸实验能够得到材料的抗拉强度、屈服强度和弹性模量等参数。对修补后的试件通过拉伸实验来对修复效果进行评价。试件尺寸按照GB3354—1982选取，采用单向拉伸方法测试修补试件的拉伸强度。拉伸试件的名义尺寸为230 mm×25 mm×2 mm(L×b×t)，为保证试件在拉伸过程中端部不首先破坏，在试件两端分别粘贴规格为50 mm×25 mm×2 mm的铝制加强片，加载速度为2 mm/min。

复合材料力学性能实验在日本岛津(SHIMADZU)的AG-100KNE型万能试验机上进行，加载速度为2 mm/min。为保证实验数据的可靠性，每组实验均采用一个完好试件作为参照，5个胶接修补后试件作为试验件对比。最后用修补效率作为量化判定修补结果的参数，修补效率为所有试件在实验过程中强度的最大值的平均值与完好试件强度的最大值的比值，修补效率超过60%即可认为达到修补的目的[12]。

2 实验数据分析

2.1 对[±45°]4s铺层的的试件进行弯曲实验

图2为不同斜度修补后复合材料试件和完好试件进行弯曲实验后得到的典型载荷-行程曲线。随着斜度的增大，修补试件的强度也随着增大，当斜度超过1∶10时强度甚至可以超过完好试件的强度。并且在斜度为1∶20和1∶25时试件在弹性变形区域能达到强度的最大值后还能进入塑性变形区。

(a) 1∶10

(c) 1∶20

表1为修补效率计算结果。当斜度超过1∶10时修补效果均能超过完好试件，并且在斜度为1∶20时修补效率达到最高值119.6%。

表1 [±45°]4s铺层层合板修补后弯曲性能测试得到修补效率

2.2 对[0°/90°]4s铺层的试件进行弯曲实验

图3为不同斜度修补后复合材料试件和完好试件进行弯曲实验后得到的典型行程-载荷曲线。

不同于[±45°]4s铺层试件的行程-载荷曲线，[0°/90°]4s铺层试件的行程-载荷曲线表明修补试件没有进入塑性变形区即失效。[0°/90°]4s铺层层合板修补后弯曲性能测试得到修补效率见表2。

表2 [0°/90°]4s铺层层合板修补后弯曲性能测试得到修补效率

随着斜度的增加，修补试件的强度有明显增加的趋势，且能在斜度1∶25时达到最佳修补效果。其中，斜度为1∶20和1∶25时修补效率均超过60%，在1∶25时甚至能达到82.1%，虽然修补效率只能达到[±45°]4s铺层试件修补效率的最低水平，但仍认为达到修补目的。

2.3 对[±45°]4s铺层修补后试件进行拉伸实验.

图4为不同斜度修补后复合材料试件和完好试件进行拉伸实验后得到的位移-载荷数据图。[±45°]4s铺层层合板修补后拉伸性能测试得到修补效率见表3。

(a) 1∶10 (b) 1∶15

表3 [±45°]4s铺层层合板修补后拉伸性能测试得到修补效率

随着斜度的增加，拉伸试件的最大极限载荷也增加，并且在与完好试件对比发现不管斜度多大，修补试件都能在进入塑性变形区之前达到最大强度，当斜度超过1∶15时甚至能产生微小塑性变形后失效。当斜度为1∶15时修补效率为65.1%，即能达到修补目的，并且当斜度为1∶20和1∶25时，虽然斜度有所增加，但是修补试件的极限强度并没有增加，从修补效率上看，1∶20的斜度就可以满足修补要求。

3 破坏形貌

3.1 [±45°]4s铺层试件进行弯曲实验后的破坏形貌

图5为[±45°]4s铺层试件弯曲实验后的典型试件的破坏形貌。分析表明，修补斜度1∶10和1∶15的试件容易从胶层处断开，且容易引起靠近胶层附近的纤维的撕裂。而修补斜度达到1∶20时试件弯曲实验后仅仅在胶层处开裂，不会完全从胶层处断开，但是开裂处会引起周围层合板的分层损伤。修补斜度为1∶25时试件在达到最大强度后完全进入塑性变形区，失效形式仅表现为表层纤维损伤。修补斜度越大，胶层越不容易断开。

3.2 [0°/90°]4s铺层试件进行弯曲实验后的破坏形貌

图6为对[0°/90°]4s铺层的试件进行弯曲实验后的典型试件的破坏形貌。对[0°/90°]4s铺层的试件进行弯曲实验后的断裂形貌进行分析，修补斜度在1∶10和1∶15时试件容易在胶层处断开，且垂直于试件长度方向即纤维0°方向容易发生纤维的撕裂。而当斜度为1∶20和1∶25时试件不会从胶层处完全断开，胶层处除了会出现纤维撕裂外还会明显出现分层的情况。

3.3 [±45°]4s铺层试件进行拉伸实验后的破坏形貌

图7为对[±45°]4s铺层的试件进行拉伸实验后的典型试件的破坏形貌。对[±45°]4s铺层的试件进行拉伸实验后的断裂形貌进行分析，随着修补斜度的增大，胶层断裂处发生纤维撕裂的部位越来越多。当斜度为1∶10时失效形式仅表现为胶层处断裂并无明显纤维撕裂情况。当斜度达到1∶15时，除了胶层处断开以外还伴随有明显的纤维撕裂的情况，且撕裂现象通常出现在胶层边缘处。当斜度为1∶25时，整个胶层都出现较为明显的纤维撕裂的现象。

4 结论

(1)通过对[±45°]4s铺层试件修补后进行弯曲实验证明，采用Araldite@2015韧性胶黏剂对试件进行胶接修补，随着斜度的增大试件能达到的极限强度也随着增大，并且修补效率最高达到119.6%，当斜度超过1∶15时，修补后试件能达到的极限强度甚至超过了完好试件。对[0°/90°]4s铺层的试件，随着斜度的增大试件的极限载荷也随着增大，但是只有当斜度达到1∶20时，修补效率达到61.2%，才能满足修补目的。

(2)通过对不同铺层试件的弯曲实验后的破坏典型形貌上看，都是随着斜度的增大，胶层处越来越不容易开裂。当斜度较小时，胶层处断开后容易出现纤维的撕裂。而当斜度逐渐增大时，试件在达到弹性变形区极限载荷时，不仅表现为纤维撕裂，而且在胶层处有分层现象。

(3)通过对[±45°]4s铺层试件修补后进行拉伸实验证明，当斜度达到1∶15时修补效率就能达到63.1%，随着斜度的增加，修补效率也随着增加，但是当斜度从1∶20增加到1∶25时，修补效率的增加不明显，且斜度越大，试件失效后胶层处出现纤维撕裂的部位越大。

(4)通过对以上数据及破坏形貌分析表明，采用Araldite@2015韧性胶黏剂能够很好的达到修补的目的，在实际工况中，选择合适的挖补斜度不仅能够较少的去除原有材料，还能达到理想的修补目的。。

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Repairing Technology of Laminated Composite Patch

LIU Shiqi1,2YANG Tao1，2DU Yu2

(1 Advanced Mechatronics Equipment Technology Tianjin Area Major Laboratory, Tianjin 300387)(2 School of Mechanical Engineering，Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387)

Factors affecting the effect of repairing damage of composite materials are mainly layer angle, angle and adhesive patch. This paper aims at different patching slope of composite laminates using ductile adhesives Araldite@2015. The repaired specimens using bending mechanical properties and tensile mechanical properties were evaluated. The results show that the overlay [±45°]4slaminates under bending load repair efficiency can reach the highest of 119.6%, under tensile load repair efficiency can reach the highest of 71.4%; layer [0°/90°]4slaminates under bending load repair efficiency can reach the highest of 82.1%. These results can provide the basis and guidance for the actual repair.

Composite laminates，Strap repair，Ductile adhesive

2016-12-11

国家自然科学基金(11372220)

刘诗琪，1991年出生，硕士研究生，研究方向为复合材料成型技术与装备。E-mail：972775799@qq.com

杨涛，教授。E-mail: yangtao@tjpu.edu.cn

TB32

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.02.016