1、引言 

      大量應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料已經(jīng)成為新一代飛機(jī)的趨勢，國產(chǎn)C919大型客機(jī)也將大量采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。美國NASA對復(fù)合材料應(yīng)用問題調(diào)查研究結(jié)果表明【1】：結(jié)構(gòu)修理是目前阻礙復(fù)合材料進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用的兩個主要問題之一（另一個問題是復(fù)合材料成本），國外大約從上個世紀(jì)70年代開始研究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修理，對膠接修理理論和修理工藝進(jìn)行了大量研究【2~8】，已經(jīng)獲得許多研究成果和成熟的經(jīng)驗(yàn)，但相關(guān)研究仍在繼續(xù)進(jìn)行。國內(nèi)在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理方面也開展過一些研究工作【9~12】，獲得了一些研究成果。但試驗(yàn)研究主要針對軍用飛機(jī)，采用的是國產(chǎn)材料，且研究工作還不夠系統(tǒng)與深入，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果對于民用飛機(jī)維修實(shí)踐的指導(dǎo)意義有限。
       本文采用民用飛機(jī)實(shí)際使用的原材料制備了試驗(yàn)件，主要研究了不同試驗(yàn)參數(shù)對挖補(bǔ)修理后的拉伸強(qiáng)度影響，試驗(yàn)采用了單面挖補(bǔ)和雙面挖補(bǔ)兩種工藝進(jìn)行研究。 

2、試驗(yàn) 

       2.1原材料 

       (1)cycom970/T300 12k預(yù)浸料用于制造層壓板試驗(yàn)件母板和修補(bǔ)復(fù)合材料損傷區(qū)域;
       (2) METLBOND1515-4M膠膜用于母板與修補(bǔ)層的膠接； 

       2.2設(shè)備 

       (1)熱壓罐用于成型復(fù)合材料層壓板試驗(yàn)件母板和部分修補(bǔ)試驗(yàn)件,工作壓力不少于0.7MPa,溫度不低于200℃;
       (2)烘箱用于修補(bǔ)試驗(yàn)件的成型固化，可以抽真空至0.09MPa；
       (3)試驗(yàn)機(jī)用于試驗(yàn)件的拉伸強(qiáng)度測試，試驗(yàn)中使用的試驗(yàn)機(jī)為INSTR0N-8803 型多功能試驗(yàn)機(jī)； 

       2.3試驗(yàn)件與試驗(yàn)方法 

     （1）試驗(yàn)件制造過程大體可以分為母板制造，損傷引入，損傷區(qū)域斜面打磨，準(zhǔn)備修理層，修理層鋪設(shè)，封裝與固化等步驟。 

     （2）單面穿透挖補(bǔ)試驗(yàn)件的母板尺寸為300mm×200mm×2mm，雙面挖補(bǔ)試驗(yàn)件尺寸為300mm×150mm×2mm。標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件的鋪層順序是準(zhǔn)各向同性的[45/0/-45/90]2S，試驗(yàn)中使用含有直徑20mm 穿透孔的復(fù)合材料層板來模擬損傷板，使用斜接挖補(bǔ)技術(shù)對層板進(jìn)行修復(fù)。通過單向拉伸試驗(yàn)考察單面挖補(bǔ)法的修理效果。雙面和單面挖補(bǔ)修理示意圖如圖1 和圖2所表示
        
    （3）為了更好的夾持試驗(yàn)件，試驗(yàn)件兩端粘貼了加強(qiáng)片，拉伸試驗(yàn)的基本試驗(yàn)信息如下：試驗(yàn)溫度25℃、相對濕度30%、單向拉伸加載，加載速度1.5mm/min。 

3、試驗(yàn)結(jié)果及討論 

       試驗(yàn)設(shè)計(jì)了不同的挖補(bǔ)角度、附加層層數(shù)、固化成型方法（熱壓罐/烘箱），通過對比試驗(yàn)來了解各參數(shù)對拉伸強(qiáng)度的影響。挖補(bǔ)修理試驗(yàn)矩陣與結(jié)果如表1所示，表中C系列表示單面穿透挖補(bǔ)，D系列表示穿透雙面挖補(bǔ)。從試驗(yàn)結(jié)果來看，經(jīng)過挖補(bǔ)修理后C系列與D系列試驗(yàn)件的靜強(qiáng)度均高于未修板的靜強(qiáng)度，因此，采用挖補(bǔ)的方式進(jìn)行修理是可行的。

       3.1 強(qiáng)度恢復(fù)率 

       為了獲得完好板的拉伸破壞強(qiáng)度數(shù)據(jù)，使用板條進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，板條的材料和鋪層順序與挖補(bǔ)修理試驗(yàn)件完全相同。經(jīng)過測試并取平均值得到完好板的拉伸強(qiáng)度為692.128MPa。挖補(bǔ)修理后，試驗(yàn)件的強(qiáng)度恢復(fù)率如圖3 所示。從圖中可以看出與完好板相比，C系列和D 系列試驗(yàn)件修補(bǔ)前，拉伸強(qiáng)度下降都很大，分別下降至完好板的30.4%和37.1%。挖補(bǔ)修理后，C系列和D 系列試驗(yàn)件的拉伸強(qiáng)度明顯增加，其中D系列雙面挖補(bǔ)修理明顯高于C系列單面挖補(bǔ)修理，其強(qiáng)度最高可恢復(fù)至完好板的79.5%，這可能是因?yàn)?，與單面挖補(bǔ)修理相比雙面挖補(bǔ)修理可以減少母板打磨區(qū)域，從而減少對母板的損傷，另一方面，雙面挖補(bǔ)修理試驗(yàn)件兩面都增加了修理層，結(jié)構(gòu)相對對稱應(yīng)力分布比較均勻，且每面增加的層數(shù)相對較少更容易壓實(shí)，從而有利于抑制新缺陷的產(chǎn)生。
     
       3.2挖補(bǔ)角度的影響 

       從圖4中可以看出，當(dāng)挖補(bǔ)角度由1:10減小到1:30后，可以提高試件的破壞強(qiáng)度，挖補(bǔ)角度為1：30時具有更好的極限拉伸強(qiáng)度。這可能是因?yàn)樵谝欢ǖ慕嵌确秶鷥?nèi)，較為平緩的挖補(bǔ)角度增加了膠膜與母板的膠結(jié)面積，使修理區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力變化梯度較為和緩，從而有利于提高結(jié)構(gòu)的極限拉伸強(qiáng)度。需要注意的是小的挖補(bǔ)角度將增加維修工作量，且過少的角度對試驗(yàn)件母板纖維的打磨破壞大，容易在修補(bǔ)過程中產(chǎn)生新的損傷和制造缺陷，導(dǎo)致強(qiáng)度急劇下降。
      
       3.3附加層數(shù)的影響 

       從圖4中可以看出附加層數(shù)的增加顯著的提高了拉伸強(qiáng)度，三層附加層具有最高的極限拉伸強(qiáng)度，這可能是因?yàn)橥谘a(bǔ)修理中的附加修理層可以降低修理補(bǔ)片端部的剝離應(yīng)力，從而提高結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度。但是值得注意的是過多的附加層層數(shù)將影響氣動外形。 

       3.4固化方法的影響 

       從圖4 中可以看出，固化方法對C系列和D系列影響有所不同，對比C-1，C-2 組試驗(yàn)件可知，使用熱壓罐進(jìn)行修理，拉伸強(qiáng)度提高了14%，而對于D 系列不同的固化方法對拉伸強(qiáng)度幾乎沒有影響。這是因?yàn)?，熱壓罐固化與烘箱固化相比，固化壓力更大，而單面穿透挖補(bǔ)修理，單面修補(bǔ)層數(shù)最高達(dá)到了19 層，這需要較大的壓力才能壓實(shí)，來減少出現(xiàn)新的制造缺陷。另一方面，D 系列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，在一定的修補(bǔ)層數(shù)內(nèi)使用烘箱或修補(bǔ)儀進(jìn)行修理，其拉伸性能完全能夠滿足要求。

4、結(jié)論 

      （1）采用挖補(bǔ)修理工藝修補(bǔ)能夠提高受損結(jié)構(gòu)的拉伸強(qiáng)度，其中，雙面挖補(bǔ)修理工藝修補(bǔ)后的試驗(yàn)件具有較高的強(qiáng)度恢復(fù)率，其強(qiáng)度最高可恢復(fù)至完好母板的79.5%
      （2）挖補(bǔ)角度、附加層數(shù)以及固化成型方法等試驗(yàn)參數(shù)對修理后的強(qiáng)度有重要影響。在一定范圍內(nèi)較少的挖補(bǔ)角度，增加附加層數(shù)目和使用熱壓罐進(jìn)行固化有利于提高拉伸強(qiáng)度。