挖補參數對低能量沖擊損傷層合板修理性能的影響研究

劉逸眾，李 敏，聶明明，陳 律

（1.空軍航空維修技術學院，湖南 長沙 410124；2.湖南省飛機維修工程技術研究中心，湖南 長沙 410124）

近年來，碳纖維層合板由于具有強度高、質量輕、耐腐蝕、耐高溫等優良品質，在飛機結構上得到了廣泛應用，使用部位也逐漸從非承力結構過渡到了次承力結構[1,2]。但層合板結構在使用過程中易受到各種不同沖擊源（工具掉落、操作不當、砂石、冰雹）的沖擊，這對結構的壽命和安全性造成了不同程度的影響[3-5]，成為研究者關注的一個重要問題。其中，對損傷層合板的修理工藝參數及修理質量影響因素的研究對于碳纖維層合板的生產制造、日常維修等工作有重要的現實意義。

挖補修理法是層合板修理的一種典型工藝，國內外學者對挖補修理工藝進行了研究。周喜輝、Kashfuddoja 等采用有限元方法研究了相對沖擊位置及補片形狀、大小、厚度等因素對修理后層合板的靜強度的影響，結果表明挖補修理對于層合板的強度恢復率較高[6-11]；劉國春、Darwish 等對層合板膠接修理后的靜力學性能進行了試驗研究，分析了挖補角度、挖補形式等因素對修理后層合板的拉伸性能的影響，得到了最佳挖補角度范圍，對比了階梯形和斜切形修理的修理效率[12-15]；蘇雨茹、Jen 等對挖補修理后層合板的疲勞性能進行了試驗研究，分析了損傷孔徑、接頭搭接方式對疲勞壽命的影響[16-18]。綜合上述研究可知，對于修理后層合板的性能，目前已有了大量的數值研究，并建立了合適的模型，而試驗研究主要集中于分析修理參數對拉伸性能、疲勞性能的影響，從壓縮性能著手的研究較少。

層合板的壓縮強度及沖擊后的保持率是復合材料的重要性能指標，基于此，本文進行了不同低能量沖擊源下，挖補修理后層合板的壓縮強度試驗，探討了不同沖擊源、修理參數對層合板修理強度恢復率的影響，分析總結了修理后層合板的壓縮破壞機理，為碳纖維層合板低能量沖擊損傷的修理設計提供了可靠依據。

1 試驗過程與方法

1.1 試樣制備

試驗用碳纖維層合板采用預浸料T700/DS1202鋪層，順序為[0°/+45°/90°/-45°]，含膠量32%，采用熱壓罐成型，固化工藝如圖1 所示。試樣尺寸為150 mm×100 mm×3.0 mm。為減小復合材料試驗的分散性對試驗結果的影響，每組取5 件試樣。

圖1 T700/DS1202 固化制度

1.2 損傷制備及測試

1.2.1 落錘沖擊試驗

利用落錘沖擊試驗預制低能量沖擊損傷，試驗按照ASTМ D7136 標準進行，采用濟南東測試驗機技術有限公司生產的JLW-100 落錘沖擊試驗機，儀器及沖頭如圖2 所示。試驗沖擊能量等級分別取1.67 J·mm-1、3.34 J·mm-1、5 J·mm-1、6.67 J·mm-1、 8.34 J·mm-1，每組取5 件試樣。

1.2.2 無損檢測

采用千分尺及深度尺進行表面損傷的初步檢查，為準確表征試樣的尺寸，采用Keyence VHX-5000 超景深三維顯微鏡進行表面損傷深度及大小的測量。

采用РXUT-350+/SIUI 32Р 水浸超聲特征掃描成像系統對試樣內部損傷進行檢測，探頭為10М 水浸聚焦探頭，掃描方式為沿試樣表面平行線方向移動，設備如圖3 所示。

圖3 超聲特征掃描成像系統

1.2.3 壓縮強度試驗

參考ASTМ D7137/D7137М-12 標準，采用WDW-100L 萬能試驗機進行，試驗加載速率為1.25 mm/min。對層合板進行壓縮試驗時，必須保證試樣不會發生整體失穩，試樣兩邊需要加側向支持，試驗儀器及夾具如圖4 所示。

圖4 壓縮試驗裝置

1.3 修理工藝選擇

1.3.1 修理材料選擇

為減少其他不確定性因素，并參照工程應用實際，修理補片采用母板原材料T700/DS1202 預浸料。綜合考慮母板、膠膜、補片三者的力學性能的匹配性、固化溫度以及線膨脹系數等因素，膠膜采用黑龍江省科學院石油化學研究院生產的中溫固化膠黏劑J-47，性能參數如表1 所示。

表1 膠膜J-47 性能參數

1.3.2 修理參數選擇

階梯形挖補修理是層合板損傷修理的典型工藝，如圖5 所示。在挖補修理中，補片的搭接寬度是重要的修理參數，結合文獻和生產實際，發現并非補片越大修補效果就越好。在對寬度100 ～200 mm 之間的層合板進行階梯挖補修理時，當修理補片大于10 mm，基體開裂、分層、纖維斷裂初始載荷幾乎保持不變，因此，本試驗的補片搭接寬度定為10 mm，其他修理參數如表2所示。

表2 修理工藝主要參數

圖5 階梯形挖補修理示意圖

1.3.3 修理質量評估

為了說明修理質量，采用壓縮試驗的方法測試損傷層合板修理后的壓縮強度，以強度恢復率Q0來衡量修理效率，如式（1）所示。

其中，P為層合板修理后的壓縮強度，P0為無損層合板的壓縮強度。

同時，為表征層合板的修理增重，對修理后的層合板的質量進行了測量，取平均值后與未損傷層合板的質量進行了比較。

2 試驗結果分析

2.1 層合板修理質量的影響因素分析

在前期研究中發現：采用圓形沖頭進行沖擊，當沖擊能量等級≥6.67 J·mm-1，損傷深度≥0.315 mm時，層合板背面開始出現裂紋；而采用錐形沖頭進行沖擊時，當沖擊能量等級≥5 J·mm-1，層合板背面即開始出現裂紋[4]。當層合板出現貫穿厚度的裂紋時，其壓縮強度就會大幅度退化。因此，當層合板僅正面出現損傷時，采用單面挖補修理；當背部出現裂紋時，采用雙面挖補修理。修理鋪層方式選擇與母板相同的鋪層角度（設置對比組，修理鋪層方式全部為0°鋪層），修理后強度恢復率如表3 所示。

表3 修理試樣的強度恢復率

由表3 可知，無論采用何種鋪層方式，修理后層合板的強度均有一定的恢復，甚至在單面挖補修理時部分組別強度恢復率超過了100%，證明T700/DS1202 預浸料、J-47 膠膜與損傷層合板具有良好的匹配性，本試驗所采用的修理工藝能夠較好地恢復損傷層合板的強度。同時，平均修理增重較小，僅1.8%，對比組為-1.31%，都在可接受的范圍。

2.1.1 沖擊源的影響

圖6 分別描述了不同沖擊源造成損傷后的修理強度恢復率，可以看出：在試驗所涉及的沖擊能量等級下，無論何種沖擊源造成的損傷，挖補修理均能在一定程度上恢復層合板的壓縮強度（105%～77.6%）。當沖擊源為圓形沖頭時，能量等級≤5 J·mm-1時，強度恢復率較高（105%～96.4%）；當沖擊源為錐形沖頭，能量等級≤3.34 J·mm-1時，強度恢復率與圓形沖頭基本相當。這是因為錐形沖頭對層合板造成的損傷有較大的深度，在較小能量時即出現了穿透性損傷，需要采用雙面挖補修理，導致強度恢復率降低了。因此，可以發現：錐形沖擊源更易造成穿透性損傷，在同等能量等級沖擊下，進行挖補修理后強度恢復率較低?？闯觯寒敳捎脝蚊嫱谘a工藝時，對比組的強度恢復率明顯高于試驗組，這是因為壓縮強度測試方向為層合板的0°方向，而全部采用0°方向的鋪層對該方向上的壓縮性能起到了較強的增強作用；當采用雙面挖補工藝時，試驗組的強度恢復率則高于對比組，但僅恢復了-0.4%～12.1%（對比組為-5.7%～5.4%）。并且，單面挖補時強度恢復率的離散系數較低（3.6%～6.3%），雙面挖補時離散系數較大（6.0%～14.2%）。因此，可以看出：單面挖補工藝的強度恢復率更高，修理質量更加穩定；雙面挖補工藝由于工藝復雜，膠接面多，挖補階梯容易產生應力集中，導致了強度恢復率低，修理質量穩定性差，甚至還可能出現性能下降的情況。

圖6 不同沖擊源損傷層合板的修理強度恢復率

2.2 修理后層合板壓縮試驗損傷形式分析

2.1.2 修理工藝的影響

本試驗采用的修理鋪層角度與母板鋪層角度一致，并采用全部0°鋪層為對比組。從圖6 可以

為研究修理參數對修理層合板壓縮損傷形式的影響，觀察了修理層合板的壓縮破壞斷口，損傷形貌如表4 所示。

表4 修理后層合板的壓縮破壞形貌

當沖擊源為圓形沖頭，沖擊能量等級≤5 J·mm-1，或沖擊源為錐形沖頭，沖擊能量等級≤3.34 J·mm-1時，采用單面挖補修理工藝。從表4 可知，采用單面挖補修理工藝時，壓縮失效均發生在層合板的端部，這說明單面挖補并沒有造成修理區域局部過大的應力集中，并且修理補片對壓縮方向上的強度有了加強，致使修理區域的壓縮強度高于母板。相反，當采用雙面挖補修理工藝時，在修理區域上發生了橫向斷裂，且裂紋貫穿整個補片直徑，說明雙面挖補時修理區域更易造成應力集中，挖補區域變成了整個層合板的薄弱部分。

圖7 為單面挖補修理層合板的壓縮試驗損傷截面形貌。由圖7（a）可知，單面挖補修理后層合板的壓縮損傷從正面垂直貫穿到背面，表面鋪層出現了嚴重的屈曲現象。從圖7（b）（c）中可以觀察到，層合板內部出現了局部壓潰，纖維斷裂和基體開裂現象嚴重，并伴有少量分層。這說明造成層合板失效的主要模式為基體和纖維的壓縮破壞。圖8 為雙面挖補修理層合板的壓縮試驗損傷截面形貌。由圖8（a）可知，雙面挖補修理后層合板的壓縮截面出現了階梯形的分層，表面鋪層同樣出現了屈曲和纖維斷裂的現象。從圖8（b）（c）中可以觀察到，子層之間的分層呈現明顯的臺階狀，并且內部失效主要以大量的微小分層組成。這是由于雙面挖補的打磨臺階較多，單層修理補片和母板的膠接處應力集中嚴重，層間出現了大量的剪切破壞，隨著載荷的增加，分層不斷擴大，最終導致層合板的失效。因此，在雙面挖補時，可考慮斜坡式挖補，以減少應力集中，提高修理質量。

圖7 單面挖補修理試樣的壓縮破壞截面形貌

圖8 雙面挖補修理試驗件的壓縮破壞截面形貌

3 結論

本文對不同沖擊源造成的層合板損傷進行了階梯形挖補修理，對修理結果進行了分析和討論，并分析了修理后的壓縮破壞模式。通過研究得到了以下結論：

（1）無論是何種沖擊源（圓形沖頭或錐形沖頭），損傷層合板均能夠得到較好的強度恢復率（達到了79.9%以上），可以證明此修理工藝適用于不同沖擊源下層合板的損傷修理，但錐形沖擊源更易造成穿透性損傷，同等沖擊能量等級下，強度恢復率較低。

（2）單面挖補工藝的強度恢復率更高，質量更加穩定；雙面挖補工藝由于工藝復雜，膠接面多，挖補階梯容易產生應力集中，導致了強度恢復率低，修理質量穩定性差，甚至還可能出現性能下降的情況。

（3）單面挖補修理后層合板的壓縮破壞主要為基體和纖維的壓縮破壞；而雙面挖補修理后主要以分層破壞為主，因此當采用雙面挖補時，優先考慮斜坡式挖補，以減少應力集中。