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1、复合材料结 构修补技术的发展 北 京 航 空 材 料 研 究 所陈 祥 宝 先进复 合材 料在航空工业 的大 量应用可有 效地改 善飞机 的性能 。 随着这种 应用的增长以 及为了 更有效 地使用 先进复 合材料 , 迫切 需 要 发 展可 靠的修理技术 。 本文综述 了有关 复合材 料修补技 术 的发展 。 已有的结 果表 明 , 如采 用适当的修 理技术 , 复 合材料构件可有效 地修复 . 甚至可 恢 复到原来的强度 。 关锥词 : 复 合材料 , 修补 , 结 构 T h e D eve loPm e nto fR ePa ir o fC om Po site St rueture C
2、 he fl (B e ijing I n s tit uteo f Xia n gba o M ater ialsE n g in e erjn g) Th ee xtensiveu seo f adv a n eedeom p o site m aterialsinaero sPa ee indu stryha sProven to b e a nef feetive m e a n sofimProvingairera ftp e rfo rmanee . Th e trem en do usgr owthin theira PP lia c tion ha s inerea s ed
3、th e ne ed fo rr e l iab le r ePairsyste m s . A review o f e om p o site str u eturerePairteehn ology e ff orts 15giv en . It15 sho w n thateom p o sitestr uetur e , de sign ed in av arietyo f eon fig u r atio nand f ora wide rangeo flo adint en sities c a n ef fe etivel y b e rePaire dto alm o s t
4、alltheir o r ig in al strength . Keywo rd s: Com户sites , rePair , struetu r e 一 、 前 言 复合 材料 在 各个 工业领 域 的应用 正日益增加 。 使用 复合 材 料 可避免象 金属材料 那 样 由疲 劳 和腐 蚀引起的 维修问题 。 但由于复 合材料基体的脆性 特点 , 它对冲击 引起的 损伤极为敏感 , 因此 发 展那些能恢复结 构完整性 的修补方法显得十分 重要 2 。 一般来说 , 复合材料 修补 应在有限的 设备条件下和 短的时 间 内完成 。 复合材 料结 构修补 的基本目的是在 最小花费和 最短时
5、间 内使结 构 恢复完整性 。 修补件应与 原 结构 的刚度和 强度 相匹配 而 同时却又使 其所 增加的 重量 为最小 。 因此复 合材料修补 对 所使用的 树脂体系 和胶粘 剂 、 修补技术和 设备都有一 些特殊的要求 。 事实上 , 关于复合材料修补已经进 行了 大量 的研 究工 作 , 一些关键技术已经日趋成熟 。 本 文将 介绍有关这方面近期 的研究成 果 。 二 、 修补确 定 很低 。 这种形 式 的 应 用允 许 的损 伤水平很高 。 而另 外 一 些高使 用 应力的 制 件只在 较 小的损伤下才具有可修补 性 L3 。 确 定复合材 料损伤和缺陷的方法 有许 多 。 检 查分
6、层 最简单的 方法 是 锤击 。 超声穿 透 法和反射 法 能够 有效地 检测复合材料 分层 、 空隙 、 架桥 、 脱粘 、 各种夹杂以及 夹层结构蒙皮和 芯材 之 间的 脱粘 。 x 射线照相法 可用于 检测金属 夹杂 、 空隙 、 蜂窝夹 层结构中 各种 芯材 缺 陷及 芯内的水 分 。 红 外热谱图可 有效地 检测复合 材料 表面附 近的各种 缺陷 。 超 声法 是外场 使用最 普遍的 无损 检测方 法 , 适用于各种类型纤维和基体 。 而 X 射 线和红 外热谱 图 则适于快速检测大型制 件 , 在外场 使用 不 很方便t , 5几 。 目前正在 发展的各 种监测技术也可用来 检测制
7、 件 的 完 整性 。 例如将光 纤埋入复合材料结构 内 , 由于接近 损伤区的 光纤断 裂 后不再 传递光 束因此很容易确 定 损 伤 位置 和 程度阶 7竺。 声 发 射技 术 也 能用来探 测复合材 料 结 构的损 伤匡 。 使用不 同材料制 备的 复 合材 料 , 具有不同 的损伤容 限 。 一 个损 伤的 复合材 料 制件 是否具有可 修补性 , 主要 取决干它的损伤容限和具体应用 。 许 多碳纤维 增强复合 结构 , 在设 计 中考 虑铆 接和 开孔 的存在 , 设计 使用应 力 8 三 、 修补材料 考虑 到复合材料 结构修补通常 是在外场 或 维 修厂 条 件下进行 , 甚至必
8、须在飞机机体上进行 , 这 就需 要能 1994年10期 在 真空压力 下低 温就能 固化的树脂和胶粘 剂体系 . 理 想的修补 复合材 料结构 的树脂和胶粘剂应满足 以下条 件 : 可室温或低温固化 ; 低粘度 ; 能在室温 贮存 , 有 较长的贮存期 ; 固化时 间短 , 且 能 在 真空压 力下成 形 ; 耐高温和潮湿 。 K 、 p 、 S ubrh a m a 哑 n,研制 了一种低温快 速固化 树脂 体 系(R P一 37 7) , 树脂主要成 分为改 性环氧 树脂 , 可在 室 温 (2 7亡 )贮存一年之久 . 在 1 49时固化 时 间 为 smn i , 在 9 3 固化时
9、间 为 Zh , 能 在 真空压力下成 形出 优良力学性 能的板材(表 1) 。 此外这一树脂 体系还 具有 高 韧性及低 吸湿的 特点 , 因此 Rp 一 3 77 树脂 基 复合材 料 具 有良好 的冲击后压缩强度和高的湿热性能保持 率 . 表 1R P 一 37 7 /A S 一 4 诬合材 料性能 性性能能试验温度度单向板板准各向同性 板板 0 0 0 o弯曲强度 度 2 2 1267MPa a a1 130MPa a a ( ( (S : D一3 2 : 1) ) ) 9 310 3 4MPa a a65 5MPa a a 1 1 1 1 104 8 6lMPa a a a a 0
10、0 0 o弯曲模量 量 2 2 1 17GPa a a6 9G Pa a a ( ( (S , D一32 : 1) ) ) 93 1 03GP a a a a a 1 1 1 1 104 8 3GPa a a a a 短短梁剪切强度 度 2 2 7 6MP扭 扭 57MP扭 扭 ( ( (S : D=4 : l) ) )93 5 2MPa a a3IMPa a a 1 1 1 1 1 04 39MP a a a a a 冲冲击后压缩 强度 2 2 I 2 75淤 纤纤维体积含量6 0% ; 真空压力 、 9 6 固化h h h 2 有恢复再 胶接界 面的层剪强度 、 断 裂韧性和耐疲 劳 裂纹
11、 扩展性的能 力 。 此外分层修补树脂还必 须具有足够低的 粘度和高的浸 润性 。 根 据修补树脂流 入分层的 流 动模 型 , 可以获 得 适合分层修补的 树脂体系应 具备 50 0 0 0P a 一, 的流 动 能力 幻 。 复 合材料外场修 补用树脂 体系的研 究 表明 , 如以固 化 时 间短 、 温度低 、 真 空压力下即能固化以及 在 室温 B 阶段有长的贮存 寿命为原则 , 最有希望作 为外 场 修补用 环氧树脂体 系 为 : D o w 化学公司的 DE R3 32/DM HDA 、 DE R332/E CN1 2 99/DMH D 以及D u闪 nt 公司的 RDCE / D
12、 MH D A 树 脂体系 1 3, 这 里 , D E R33 2 为双 酚 A 二缩 水甘 油醚环氧 , R DGE 为间苯二酚 二缩 水甘油醚环氧 , DMH - DA 为 2 . 5二 甲基己二胺 , E c N1 2 9 9 为邻位 线性酚 醛多 缩水甘油醚 。 对修补 用胶 粘 剂 的研 究表明 , 一般 市售的环氧 、 厌 氧和丙烯酸 室温固化 胶粘剂不 能满足飞机 修补的要 求1 。 一种由 甲基酚醛环氧 、 E cN 12 9 9 , 对一氨基 酚三 缩水 甘油 醚以及二乙烯三胺组成 的胶粘剂体系 , 室温固 化后 在 121可得到140 0P SI 的搭 剪强度1 s 。
13、此 外 , 乙 烯 醋 树 脂体系可用作 中温 胶 粘 剂 , 典型的D o w 化学公 司的D e r k a a n e树 脂用过 氧化甲乙酮 固化后T g为 12 1 、 最大吸 湿量为 1% . 四 、 修补技术 R . 5 . J am e s ,。利用 nMA 对 3 2 种固化树 脂 体系浇 铸体 进 行了分析 。 这 些 浇铸 体 包括 15 0 下 、 2 0 0 下和 3 5 0下 固化 样品 。 利用 DMA 分析 技术 是因为 所 得到的 动态剪 切模量与层板 的压 缩 强度 有关以及 DMA 可 快速 测 定大量 试 样 。 对于G l 值最高的 几个体系又进一步进
14、行了士刁5 层板 的湿热 、 拉 伸 、 压 缩 、 层剪等试验 , 从而 选出两种树 脂 体系 , R e n Pla s tic s /Ci比 G e哪 的 CG 1 300 和 F i比:Re sin 的 FR 70 20 , 可用 于波音 757 和 767 飞机复合 材料 结构件 的过度性和永久性修补 。 cG1 30OA /B树脂 可在 93一17 7固化 。 在 1 2 1 固化 时 , 修补后恢 复到 原 来 1 7 7 固化的环 氧预浸料 的强度和 刚度 , 在 9 3 固化时 , 恢复到原来 12 1 固化的环 氧预 浸料 的强度和 刚 度 。 F R 7O 2 0 固化温
15、度可从室温至 6 6 。 这 二种树脂 体系均 适用 于手糊操作 , 室温贮 存 。 关于这二种材 料 的 使用方法和修补 判据已载入 7 57 /7 67结 构修补手册 。 复合材料分层修补 需要特 殊 的树脂体系l 。 分层修 补树脂 的基本 性能 , 如固化温度和T g , 应与所修补 构件 的 耐热性和使用 温度 相匹配 , 固化时不产生挥发分 , 具 材料工程 1 . 姗接修补 常在军机外场修补采用的一种修补技术 。 螺接 修补 需首先将 损 伤部 位清 理 或切除 , 然 后用 螺 栓把金属 补钉 或复合材 料补钉 连 结到被修理 结 构 上以便 恢复 结构 的 设计强度 。 补钉
16、可以是单面搭接或 双 面搭接 。 螺接 修补 只限修补一 些简 单 曲面的结构 , 因为对于复杂 曲面 , 补 钉 的加工将变得十分困难 。 复合 材料螺接 修补所需 工具 和 金 属结构修补几 乎相 同且具有操作容易 、 快 速等优 点 。 螺接修补用补 钉可选择钦板 、 铝板 、 不锈钢 板及予 固化 碳/环氧层压板 。 当采 用金属 补钉 时应采取措施以 防止产生电化学腐蚀 创 。 使用复合材料层板补钉进行螺接修理时 , 连接件间 距应 大于 4倍连接 件直径 , 边 距 应 大于 3倍连接 件直 径 。 当使用金 属 补钉 时边距应大于 2 倍 直径 。 为了传递 双轴 或 偏 心载荷 , 在损伤区周围最少应 布置二排 连接 件 。 如使用埋头连 接 件补钉板不允许被划 穿v l 。 2 . 胶接 修补 目前最常用的一种复 合材 料修补技术 。 胶接 修补通 常可 使制件恢 复到全 设计强度及原来形状 , 以保 持良好
