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1　引言復(fù)合材料具有比強度、比模量高,可設(shè)計性強,良好的抗疲勞、抗腐蝕性能和尺寸穩(wěn)定性,在航空航天領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。飛機在服役期間受損是難免的,需要適當(dāng)?shù)男扪a。20世紀(jì)70年代以來,澳大利亞皇家空軍航空研究實驗室和美國海軍研究實驗室發(fā)展了一種新的結(jié)構(gòu)修補技術(shù),即采用復(fù)合材料補片對飛機受損的金屬結(jié)構(gòu)進行膠接修補,已成功地應(yīng)用于一些軍用和民用飛機的金屬和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。2　復(fù)合材料補片膠接修補的優(yōu)越性作為一種新的結(jié)構(gòu)修補技術(shù),與傳統(tǒng)的機械修補方法(鉚接、焊接、螺接)相比,復(fù)合材料膠接修補具有明顯的優(yōu)點。(1)復(fù)合材料比強度、比模量高,其補片厚度約為鋁合金補片的1/3～1/2,就能達到同樣的修補效果,因此膠接修補后的結(jié)構(gòu)增重小。(2)復(fù)合材料可設(shè)計性強,可根據(jù)使用要求和受力狀況進行材料的鋪層設(shè)計。(3)復(fù)合材料有多種成形工藝,便于大面積整體成形,制成大型結(jié)構(gòu)件和表面形狀復(fù)雜的零部件,可采用膠接共固化工藝進行原位修補。對復(fù)雜曲面,復(fù)合材料補片修補比傳統(tǒng)的機械修補更容易實施,而且修補后補片與母體粘合緊密,基本保持原有結(jié)構(gòu)外形,容易滿足復(fù)雜的空氣動力學(xué)要求。(4)復(fù)合材料補片膠接修補能提高損傷區(qū)的剛度、靜強度,減小裂紋尖端應(yīng)力強度因子,貼補膠接修補不需要對原結(jié)構(gòu)開孔,不會形成新的應(yīng)力集中源,有利于提高結(jié)構(gòu)的損傷容限和抗疲勞性能[1]。(5)修補時間短、成本低。(6)外場修補所需設(shè)備簡單,主要有修補工具包、修補儀和便攜式ＮＤＴ設(shè)備等。3　復(fù)合材料補片膠接修補的關(guān)鍵技術(shù)針對復(fù)合材料補片膠接修補而言,膠粘劑的選擇、補片材料與被修金屬構(gòu)件的匹配性、被修補結(jié)構(gòu)的表面處理和修補固化工藝及施工工藝保障等是關(guān)鍵技術(shù)。3.1　膠粘劑的選擇　　膠粘劑是實現(xiàn)補片止裂作用的中間媒介,因此對膠粘劑的選擇至關(guān)重要。應(yīng)根據(jù)修補結(jié)構(gòu)的實際承力水平和使用環(huán)境選擇既具有良好的抗疲勞性能,又具有較高的剪切、剝離強度,良好的耐介質(zhì)和耐濕熱老化性能的膠粘劑。復(fù)合材料膠接修補所用的膠粘劑主要有兩大類:一類是雙組分膠粘劑,主要用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的室溫固化修補(少數(shù)雙組分膠粘劑可用于熱膠接固化修補);另一類是膜狀膠粘劑(膠膜),用于熱膠接固化修補。國外在復(fù)合材料補片膠接修補中采用的膠粘劑多屬于環(huán)氧體系,如ＦＭ—73、ＦＭ○Ｒ300—2、ＡＦ—126等。這類膠粘劑具有很高的韌性和剪切強度,較高的剝離強度,一般在100℃～120℃固化,屬于中溫固化體系。國內(nèi)類似的膠粘劑有Ｊ—88、Ｊ—47和Ｊ—159等。3.2　復(fù)合材料補片與被修金屬構(gòu)件的匹配性復(fù)合材料補片應(yīng)在盡量低的溫度下固化,并能與膠粘劑的固化溫度一致;補片熱膨脹系數(shù)應(yīng)與母體材料的相匹配。國外大多采用硼/環(huán)氧復(fù)合材料補片對損傷金屬結(jié)構(gòu)進行膠接修補。因為硼/環(huán)氧復(fù)合材料強度、彈性模量高,熱膨脹系數(shù)相對較高,與金屬材料的熱匹配性能好,有利于降低膠接修補結(jié)構(gòu)中的殘余熱應(yīng)力,導(dǎo)電性低,便于使用渦流無損檢測,與金屬接觸后,電化學(xué)腐蝕性能較碳/環(huán)氧復(fù)合材料好。但硼纖維成本較高,加工較困難,國內(nèi)多采用碳/環(huán)氧補片及玻璃/環(huán)氧補片,價格相對便宜。碳/環(huán)氧復(fù)合材料在航空工業(yè)中應(yīng)用較廣,易于操作,可制成曲率半徑較大的零部件,適合于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的修補,但其強度和剛度不如硼/環(huán)氧復(fù)合材料與金屬接觸易發(fā)生電化學(xué)腐蝕3.3　被修補結(jié)構(gòu)的表面處理被修補結(jié)構(gòu)的表面處理是指膠接之前,通過機械方法除去結(jié)構(gòu)表面影響結(jié)合力的氧化層、污染物增加機械結(jié)合面;或通過化學(xué)方法在結(jié)構(gòu)表面有控制地沉積一層均勻的特種氧化物或在膠接面形成化學(xué)鍵,使經(jīng)過處理的結(jié)構(gòu)表面具有高的表面能,從而獲得較高的膠接強度和耐久性。常用的凈化表面的方法有溶劑清洗、蒸氣脫脂等。常用的化學(xué)處理方法有無槽化學(xué)氧化及涂硅烷偶聯(lián)劑等。無槽化學(xué)氧化的方法在外場實施時會受縫隙、裂紋損傷等結(jié)構(gòu)形式的限制,易產(chǎn)生二次污染,故不宜在外場使用。目前常用的簡單表面處理方法是表面機械打磨后涂硅烷偶聯(lián)劑。3.4　修補固化工藝及施工工藝保障修補固化的主要控制因素是壓力、溫度和時間。由于被修補部位與周圍機體結(jié)構(gòu)組成了一個復(fù)雜的熱導(dǎo)體,而且結(jié)構(gòu)形式多樣,因此,需通過專用修補設(shè)備(如熱補儀)、配套材料以及特配工具對修補區(qū)提供連續(xù)的溫度和壓力保障。4　復(fù)合材料補片膠接修補的設(shè)計分析4.1　膠接修補的耐久性原則對膠接修補的設(shè)計應(yīng)考慮耐久性原則。(1)控制設(shè)計應(yīng)力水平。通過強度設(shè)計的應(yīng)力計算來選擇補片的幾何參數(shù),至少保證膠接結(jié)構(gòu)中補片所受的應(yīng)力水平與原結(jié)構(gòu)損傷部位一致,而且補片分擔(dān)的載荷不超過膠粘劑的承載能力。(2)避免或減小偏心。單面膠接易使膠接修補的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生偏心,于外力的作用下,在膠層中產(chǎn)生垂直于膠接面的拉伸應(yīng)力,使應(yīng)力峰值超過名義應(yīng)力,降低被修補結(jié)構(gòu)的承載能力。(3)降低應(yīng)力集中。補片邊緣的剛度變化應(yīng)平緩,避免邊緣結(jié)構(gòu)剛度突變而在膠層中產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致該部位膠層提前破壞。(4)合理布置補片。為保證修補效率,可在修補中采用單向纖維層板,在受載復(fù)雜部位可根據(jù)需要適當(dāng)增加90°和±45°鋪層。(5)修補后采取適當(dāng)?shù)姆雷o措施。因為濕熱、腐蝕介質(zhì)、紫外線照射等環(huán)境會加速膠粘劑與補片的老化,降低膠粘能力。(6)控制膠接質(zhì)量。利用復(fù)合材料補片對損傷結(jié)構(gòu)的膠接修補應(yīng)嚴(yán)格遵循有關(guān)工藝規(guī)程來進行。4.2　膠接修補的主要參數(shù)通過對補片尺寸、鋪層及外形等細節(jié)的設(shè)計,使被修補結(jié)構(gòu)在載荷、環(huán)境等因素的綜合作用下具有良好的使用功能和較長的使用壽命。從設(shè)計角度而言,膠接修補的參數(shù)主要包括補片的形狀、尺寸和鋪層。4.2.1　補片的形狀確定補片的形狀時,考慮損傷結(jié)構(gòu)的具體特點,并注意補片的形狀不能太特殊。修補中心帶裂紋的金屬板,補片的最佳形狀是設(shè)計成歪斜的(對稱的四尖葉形或腰鼓形),注意確保板內(nèi)應(yīng)力不超過許用應(yīng)力;矩形的補片次之,但比橢圓形、圓形和正方形的更有效,垂直于裂紋方向的最佳長度等于裂紋的長度,平行于裂紋方向的長度等于板長的最有效;橢圓的補片次于歪斜的和矩形的,橢圓的長軸平行于裂紋的比垂直于裂紋的更有效,長軸的最佳長度等于母板寬度,短軸(垂直于裂紋方向)的最佳長度等于裂紋的長度。對相同體積的補片而言,增加厚度與增加面積相比,前者可使應(yīng)力強度因子多下降18%[6]。補片邊緣應(yīng)設(shè)計成具有一定錐度的楔形,錐度比為30∶1至20∶1時,就能避免邊緣結(jié)構(gòu)剛度突變而在膠層中產(chǎn)生的應(yīng)力集中。而ＭａｒｙＡ.Ｍａｈｌｅｒ[7]認(rèn)為錐度比為16∶1時,粘接強度較高;應(yīng)力分析表明,在某些區(qū)域,錐度比為10∶1時,也能提供足夠高的粘接強度。修補結(jié)構(gòu)承載較小的區(qū)域,即使存在稍高一點的應(yīng)力/應(yīng)變集中,也仍在安全范圍之內(nèi)。為避免剪應(yīng)力,尤其在補片的0°方向,將其末端切成鋸齒形就能減小剪應(yīng)力,并大大提高修補的粘接強度。