1、引言 

      大量應(yīng)用先進復(fù)合材料已經(jīng)成為新一代飛機的趨勢，國產(chǎn)C919大型客機也將大量采用復(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)合材料進一步擴大應(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，但相關(guān)研究仍在繼續(xù)進行。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。但試驗研究主要針對軍用飛機，采用的是國產(chǎn)材料，且研究工作還不夠系統(tǒng)與深入，試驗數(shù)據(jù)和結(jié)果對于民用飛機維修實踐的指導(dǎo)意義有限。
       本文采用民用飛機實際使用的原材料制備了試驗件，主要研究了不同試驗參數(shù)對挖補修理后的拉伸強度影響，試驗采用了單面挖補和雙面挖補兩種工藝進行研究。 

2、試驗 

       2.1原材料 

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

       2.2設(shè)備 

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

       2.3試驗件與試驗方法 

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

3、試驗結(jié)果及討論 

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

       3.1 強度恢復(fù)率 

       為了獲得完好板的拉伸破壞強度數(shù)據(jù)，使用板條進行拉伸試驗，板條的材料和鋪層順序與挖補修理試驗件完全相同。經(jīng)過測試并取平均值得到完好板的拉伸強度為692.128MPa。挖補修理后，試驗件的強度恢復(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 系列試驗件修補前，拉伸強度下降都很大，分別下降至完好板的30.4%和37.1%。挖補修理后，C系列和D 系列試驗件的拉伸強度明顯增加，其中D系列雙面挖補修理明顯高于C系列單面挖補修理，其強度最高可恢復(fù)至完好板的79.5%，這可能是因為，與單面挖補修理相比雙面挖補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，雙面挖補修理試驗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，從而有利于抑制新缺陷的產(chǎn)生。
     
       3.2挖補角度的影響 

       從圖4中可以看出，當(dāng)挖補角度由1:10減小到1:30后，可以提高試件的破壞強度，挖補角度為1：30時具有更好的極限拉伸強度。這可能是因為在一定的角度范圍內(nèi)，較為平緩的挖補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)的極限拉伸強度。需要注意的是小的挖補角度將增加維修工作量，且過少的角度對試驗件母板纖維的打磨破壞大，容易在修補過程中產(chǎn)生新的損傷和制造缺陷，導(dǎo)致強度急劇下降。
      
       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度，三層附加層具有最高的極限拉伸強度，這可能是因為挖補修理中的附加修理層可以降低修理補片端部的剝離應(yīng)力，從而提高結(jié)構(gòu)的極限強度。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 組試驗件可知，使用熱壓罐進行修理，拉伸強度提高了14%，而對于D 系列不同的固化方法對拉伸強度幾乎沒有影響。這是因為，熱壓罐固化與烘箱固化相比，固化壓力更大，而單面穿透挖補修理，單面修補層數(shù)最高達到了19 層，這需要較大的壓力才能壓實，來減少出現(xiàn)新的制造缺陷。另一方面，D 系列的實驗結(jié)果說明，在一定的修補層數(shù)內(nèi)使用烘箱或修補儀進行修理，其拉伸性能完全能夠滿足要求。

4、結(jié)論 

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