李俊婷，馬寶亮

(中航工業(yè)哈爾濱飛機工業(yè)集團有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150066)

直升機復合材料修理及濕熱環(huán)境影響研究綜述

李俊婷，馬寶亮

(中航工業(yè)哈爾濱飛機工業(yè)集團有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150066)

隨著纖維增強樹脂基復合材料在直升機結(jié)構(gòu)上應用的不斷增加，復合材料修理技術(shù)已變得越來越重要。而且，直升機(尤其是海上飛行的直升機)的飛行環(huán)境特別復雜，環(huán)境因素特別是濕熱環(huán)境會使復合材料的一些性能降低。綜述了復合材料的修理技術(shù)，包括預浸料和濕法鋪層修理及真空輔助樹脂轉(zhuǎn)移模塑成形(VARTM)補片修理；分析了濕熱環(huán)境對復合材料修理的影響。

直升機；復合材料；修理；濕熱環(huán)境

0 引言

由于纖維增強樹脂基復合材料具有比強度高、比模量大、抗疲勞性能好、耐腐蝕性能優(yōu)越等優(yōu)點，在直升機上已獲得了大量應用。H360、S-75、BK-117和V-22等直升機均大量采用了纖維增強樹脂基復合材料，V-22“魚鷹”的復合材料用量約為3000kg，占結(jié)構(gòu)總重的45%左右，應用部位包括機身、機翼、尾翼的大部分結(jié)構(gòu)以及發(fā)動機懸掛接頭和葉片緊固裝置。

眾所周知，直升機復合材料結(jié)構(gòu)的一個大的缺點是易受到低速沖擊損傷，如鳥撞、工具掉落等。一旦損傷被確認，那么對于每一架直升機，就需要一個可靠的、經(jīng)濟的修理方法。樹脂基復合材料結(jié)構(gòu)的修理方法主要有機械連接、膠接及混合連接[1]。機械連接是航空工業(yè)中最常用的方法。但是，對于纖維增強樹脂基復合材料而言，機械連接不是最適合的方法，因為鉆孔將會切斷纖維，降低復合材料性能，并且脆性基體會出現(xiàn)應力集中。另外，一些纖維增強復合材料會在連接件上產(chǎn)生電偶腐蝕，如碳纖維復合材料和鋁合金連接件。

焊接一般被用于連接兩個金屬結(jié)構(gòu)，但是，現(xiàn)在的航空工業(yè)對其已經(jīng)有了新的發(fā)展，可以使用一種熱塑性塑料(如Fortron PPS)實現(xiàn)兩個樹脂基復合材料結(jié)構(gòu)的焊接。這項技術(shù)已經(jīng)成功地應用于新的G650商務飛機上，但是它在疲勞載荷下的性能還沒有完全弄清楚。

隨著樹脂基復合材料應用的不斷擴大，膠接已經(jīng)變得非常普遍。它們具有很多優(yōu)點，如低的應力集中系數(shù)和好的抗疲勞性。失效保護能力的缺乏一直以來是膠接的一個主要問題，這阻止了它在航空結(jié)構(gòu)關鍵件上的應用。盡管混合連接解決了這個問題，但是它犧牲了純膠接的一些優(yōu)點。

1 復合材料修理技術(shù)

選擇復合材料補片而不選擇金屬補片，主要是因為復合材料補片提供了更好的結(jié)構(gòu)完整性，并且更容易進行修理。而且，復合材料補片強度和剛度更大，節(jié)省重量和體積，防止裂紋起始和擴展，具有更好的疲勞性能，阻止腐蝕，對于復雜構(gòu)型更易實施[2]。除了結(jié)構(gòu)優(yōu)勢之外，復合材料補片還具有修理成本低的優(yōu)勢。

復合材料結(jié)構(gòu)的修理方法有多種分類，如外場修理和工廠修理、無補片修理和有補片修理等，其中補片修理又包括預浸料修理和濕法修理等。

1.1 預浸料和濕法鋪層修理

對于挖補而言，在預浸料修理中，首先是按照挖補型腔對預浸料進行切割，然后使用膠膜來制備補片，預浸料和膠膜通常都需要在溫度非常低的冰箱里存儲，以防止環(huán)境條件下的固化；在濕法修理中，干纖維織物通過浸漬工藝制備補片，樹脂同時充當了膠黏劑。

從20世紀70年代開始，國外的學者就已經(jīng)對復合材料修理開展了研究。現(xiàn)今，復合材料修理從先進的軍用飛機到排水管都有應用。澳大利亞防衛(wèi)科學和技術(shù)組織(DTO)[3]的航空研究實驗室對復合材料修理進行了15年的試驗。他們在戰(zhàn)斗機上使用硼/環(huán)氧樹脂補片，修理區(qū)包括：上翼蒙皮和鋼翼軸組件。研究表明：被修理的復合材料結(jié)構(gòu)、層壓板或夾層結(jié)構(gòu)，能夠達到較高的修理后強度與原始強度比(在80%-100%之間)。然而，需要由經(jīng)過高度訓練的人員負責修理，以保證修理的一致性。Roh等人[1]表明：分別采用熱壓罐和真空固化進行的挖補修理的拉伸強度和層間剪切強度(ILSS)相同，這表明了外場設備上的這類修理的有效性。

Dehm等人[4]進行了類似的研究，比較了濕法鋪層修理和預浸料修理技術(shù)。然而，預浸料修理的性能要比濕法鋪層修理的性能好，但是不可能總是采用熱壓罐進行修理。研究發(fā)現(xiàn)：能夠經(jīng)受高溫但是可以在室溫固化的樹脂是復合材料修理的重要需求。Moutier等人[5]對幾種樹脂開展了研究，以便對碳/馬來酰亞胺結(jié)構(gòu)進行外場修理。在進行了搭接剪切試驗后，他們發(fā)現(xiàn)，所有的樹脂都不能夠滿足所規(guī)定的要求。

在復合材料修理(如補片)中，失效常由出現(xiàn)在膠粘劑邊緣的剝離應力所控制。因此，Sun等人[6]提出了單搭接。該設計的目的是消除邊緣的剝離應力，并且將其轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?。這種改進幾乎使連接強度翻倍。Bhawesh等人[7]通過增加連接件改進了航空工業(yè)上常用的失效保護混合連接。這種改進激活了螺栓承載，使得連接更具有重量效率。

Liu等人[8]發(fā)現(xiàn)：對于修理，有一個最佳的補片厚度，當補片不是“太硬以致分離或太柔軟以致沿孔邊失效”時，就是最佳厚度。

計算仿真表現(xiàn)出了與上述的結(jié)果相同的結(jié)果。Gu等人[9]進行了一個數(shù)值仿真，使用了一個1層和4層的復合材料補片來修理一個單邊v-開口Al7075-T6試樣。研究表明：該修理將裂紋尖端(SIF)的應力強度因子從1/6降到了1/20，裂紋開口位移(CMOD)減少了80。

可見，這兩種方法都需要固化，因此需要高溫和壓力來獲得補片壓實。而且，如果樹脂體系的粘度低、固化溫度低、固化時間短，那么挖補修理的制備成本低。然而，為了獲得與母結(jié)構(gòu)完全一致的修理補片，補片的材料選擇將會依賴于母結(jié)構(gòu)所使用的材料體系。

1.2 VARTM補片修理

國內(nèi)外的統(tǒng)計資料表明，在航空器全壽命費用中，使用和維護保障費高達50%以上，在航空器大面積采用整體化復合材料結(jié)構(gòu)后，其維護和修理問題變得更加突出。為此，國外的一些研究人員開始致力于復合材料的快速低成本修理技術(shù)的研究。

在2010年，珀德尤大學驗證了一個外場級的VARTM(真空輔助樹脂轉(zhuǎn)移模塑成形)修理技術(shù)[10]。試驗使用了直升機上的典型的夾層板結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，該修理通過使用膠接的碳纖維補片恢復了夾層結(jié)構(gòu)的完整性。

VARTM補片修理技術(shù)是為CH-53K重型直升機而開發(fā)的[10]，該直升機是由西科斯基公司研制的。為了恢復復合材料結(jié)構(gòu)的強度和完整性，該修理技術(shù)被設計成快速修理，并且使用的設備很少。

VARTM補片修理技術(shù)的補片增強材料主要是碳纖維織物。該技術(shù)使用真空輔助樹脂轉(zhuǎn)移模塑成形(VARTM)對樹脂基復合材料進行修理。一層平紋織物放在被修理復合材料結(jié)構(gòu)和碳纖維織物之間，以便給樹脂流動提供空間[11]。

真空輔助樹脂轉(zhuǎn)移模塑成形技術(shù)是樹脂轉(zhuǎn)移模塑成形(RTM)技術(shù)的改進。樹脂復合材料使用一個剛性模具進行成形，以便實現(xiàn)零件的幾何構(gòu)型。另一方面，大氣壓力通過真空袋將纖維壓實。與其它的RTM工藝相比，該技術(shù)的優(yōu)點是其所獲得的纖維體積分數(shù)高(大約為60%或更高)。因此，使用該技術(shù)生產(chǎn)的零件的剛度將會更好。圖1所示為VARTM工藝的示意圖。

圖1 VARTM 俯視圖[12]

選擇VARTM的原因是：與預浸料不同，原材料沒有存放期限，這是因為樹脂和固化劑還沒有被混合，因此不需要冷藏庫；另一方面，使用VARTM會比濕法鋪層工藝產(chǎn)生更高、更均勻的纖維體積分數(shù)，因此使用該工藝會得到更高的力學性能。

到目前為止的研究結(jié)果已經(jīng)表明，VARTM修理與預浸料修理的結(jié)構(gòu)件性能一樣。眾所周知，在濕熱環(huán)境下，復合材料性能會退化，因此，清楚地理解其影響對于評估修理方法是非常必要的。

Coker等人[11]通過對能夠代表CH-53K結(jié)構(gòu)(見圖2)的板的制造和測試驗證了VARTM修理技術(shù)。

圖2 被測試的CH-53K樣件[11]

2 濕熱環(huán)境對復合材料修理的影響

濕熱環(huán)境會使復合材料的力學和熱性能退化。這個現(xiàn)象背后的物理原因是熱溫度和吸濕對基體的影響。圖3所示為復合材料的退化。

圖3 退化因素總結(jié)[13]

研究表明：吸濕降低了基體的玻璃化溫度Tg，產(chǎn)生了溶脹應力。這種現(xiàn)象與Tg附近的溫度結(jié)合可能會是一個災難性的結(jié)合。

Baker等人[14]使用挖補補片修理了F-18的垂直安定面，他們在熱/濕中進行了四點彎曲試驗，結(jié)果表明，失效均勻地出現(xiàn)在低溫環(huán)境中測試的試樣的失效應變的一半處。

研究表明，復合材料吸濕產(chǎn)生了溶脹誘導應力，在其它情況下通過軟化釋放應力。材料力學性能退化是一個與時間有關的過程。然而，Harper等人[15]表明，吸濕和解吸循環(huán)比單純吸濕對復合材料的力學性能更有害。這是因為復合材料在干燥過程中出現(xiàn)拉伸應力，在一些情況下，它可能引起小的脫膠，這會在后面的吸濕和解吸循環(huán)中產(chǎn)生新的吸濕表面。Harper等人還總結(jié)了吸濕的影響：吸濕量或解吸量是環(huán)境濕度和溫度的函數(shù)；如果吸濕量高，蠕變發(fā)生得更快；吸濕影響最大的力學性能是剪切和壓縮強度。

環(huán)氧膠黏劑容易吸濕，因為它有吸引水分子的親水基。對于一些聚合物和膠黏劑而言，吸收的水分可能成為增塑劑、溶劑或水解劑，如塑化和溶脹等一些影響是可逆的。膠黏劑在吸濕時的力學性能的降低，也會導致連接強度的降低。連接強度不會一直降低，而是會保持在一定水平上不變。Oudad等人[16]對60個老化的AdeckitA140拉伸試樣進行了試驗研究。這些試樣被浸在了蒸餾水中，溫度保持在30℃。結(jié)果表明：隨著吸水量增加，膠黏劑的機械阻抗大幅度降低；浸泡時間對膠黏劑的力學性能有很大影響；在第一天的浸泡之后，膠黏劑的拉伸強度降低很大，在15天的浸泡之后，該降低率達到了58%；在這個時間之后，膠黏劑的拉伸強度幾乎保持不變，因為吸水達到了飽和；在30天的浸泡之后，膠黏劑變?yōu)橥耆苄?，其塑性應變超過了25%。

Murthy等人[17]研究了海上應用的玻璃纖維/環(huán)氧樹脂、玻璃纖維/乙烯基酯、碳纖維/環(huán)氧樹脂、碳纖維/乙烯基酯復合材料的鹽水老化。研究發(fā)現(xiàn)(圖4)：乙烯基復合材料在與水有關的應用中優(yōu)于環(huán)氧樹脂體系，前者吸水更少。擴散系數(shù)和最大吸濕量如圖4所示。

圖4 海上應用的不同樹脂體系吸濕試驗結(jié)果[17]

不同力學性能如彎曲強度、層間剪切強度如圖5所示[17]。最后，Murthy 等人通過SEM觀察，發(fā)現(xiàn)了纖維/基體脫膠。

圖5 左：彎曲強度，右：層間剪切強度[17]

Bradley等人[18]研究了7種不同復合材料在加壓、有鹽分的水里的吸濕。研究發(fā)現(xiàn)，與復合材料浸沒在有鹽分的水里或是在靜水壓力(3000 p.s.i.)下時相比，當復合材料浸沒在純水里時，基體會吸收更多的水，這是因為鹽在復合材料表面的積聚減慢了擴散過程。另一方面，加壓水被試樣的體積下降而抵消。Liao等人[19]發(fā)現(xiàn)：E-玻璃/乙烯基脂復合材料在高溫下的水吸收更快。然而，不久之后，其含水量甚至低于室溫試樣。

Deo等人[20]使用Fick理論模擬了環(huán)氧樹脂基復合材料的吸濕，并根據(jù)Fick擴散理論將吸濕數(shù)據(jù)擬合為以下的方程：

式中：Mt是在任何指定的時間t的吸水量；Mm是平衡時的吸水量(飽和)；k和n是常數(shù)；k指的是試樣和水之間的交互作用，n指的是吸水方式。n=0.5，主要吸水方式是擴散；n>=1，主要吸水方式是毛細作用和基體內(nèi)的微裂紋。

Elaldi等人[21]研究了挖補試樣的吸濕。研究發(fā)現(xiàn)：修理試樣比無損試樣平均多吸收0.5%的水。其原因之一是挖補的孔隙率高。在搭接剪切試驗中發(fā)現(xiàn)，濕法挖補的試樣的拉伸強度僅分別降低了7%(70℃)和12%(100℃)。將這些強度值與使用熱壓罐固化修理的試樣相比發(fā)現(xiàn)，最高的差異為10%，出現(xiàn)在干態(tài)/室溫條件下。鑒于兩個固化工藝的復雜水平和所需的設備，這個百分比值很低。

Moreno[10]對濕熱環(huán)境對VARTM補片的力學性能影響進行了研究。結(jié)果表明，當溫度達到樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(約110℃)，膠層的拉伸模量和極限拉伸強度呈指數(shù)下降；膠層內(nèi)吸濕量降低了修理的斷裂韌性。

3 結(jié)論及展望

綜上所述，隨著復合材料在直升機上的應用的不斷擴大，復合材料修理技術(shù)的研究創(chuàng)新將會非常重要，特別是快速及低成本修理技術(shù)的開發(fā)以及環(huán)境因素尤其是濕熱環(huán)境對其的影響，將是直升機復合材料修理的重要研究方向。建議今后在以下幾個方面開展深入研究：

1)常溫存儲、低溫固化的復合材料體系；

2)熱壓罐外成型工藝和非傳統(tǒng)固化技術(shù)；

3)復合材料修理結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境中如濕熱、鹽霧等的吸濕量；

4)吸濕量對復合材料修理結(jié)構(gòu)力學性能的影響關系。

[1] Roh H S. Repair of composite structures, Aeronautics and Astronautics[D]. West Lafayette, Indiana: Purdue University, 2010.

[2] Albedah A, Bachir B B, Ouddad W, et al. Elasticplastic analysis of bonded composite repair in cracked aircraft structures[J]. JReinf Plast Compos, 2011, 30:66-72.

[3] Rutherford P, Berg S. Evaluation of boron/epoxy doublers for reinforcement of comercial aircraft metallic structures[R]. Boeing Company Report, March 1996.

[4] Dehm S, Wurzel D. Fast in-situ repair of aircraft panel components[J]. Journal of Aircraft,1989, 26(5): 476-481.

[5] Moutier J, Fois M, Picard C. Characterization of carbon/epoxy materials for structural repair of carbon/BMI structures[J]. Composites Part B: Engineering,2009, 40(1): 1-6.

[6] Sun C T, Zeng Q G. Novel design of a bonded lap joint[J]. AIAA Journal, 2001, 39(10): 1991-1996.

[7] Bhawesh K, Sun C T, Peng H W, et al. Adding additional load paths in a bonded/bolted hybrid joint[J]. Journal of Aircraft, 2010, 47(5): 1593-1598.

[8] Liu X, Wang G. Progressive failure analysis of bonded composite repair[J]. Composite Structures, 2007, 81(3): 331-340.

[9] Gu L X, Kasavajhala A, Zhao S. Finite element analysis of cracks in aging aircraft structures with bonded composite-patch repairs[J]. Composites Part B: Engineering, 2011, 42(3): 505-510.

[10] Moreno D F G. Environmental characterization of VARTM repair technology[D]. West Lafayette: Purdue University, 2012.

[11] Coker I, Pipes R B, Adams D, et al. Validation of VARTM patch repair for composite structures[D]. West Lafayette: Purdue University, (MS) 2010.

[12] Anupam D. VARTM process with some modifications[D]. Michigan: Michigan State University EAN 9781109026917, (MS) 2008.

[13] Chawla S A. Characterization and modeling of the effect of environmental degradation on flexural strength of carbon/epoxy composites[D]. The University of Alabama, 2009.

[14] Baker A, Chester R, Hugo G, et al. Scarf repairs to highly strained graphite/epoxy structure[J]. International Journal of Adhesion and Adhesives, 1999, 19(2-3): 161-171.

[15] Harper D, Weitsman Y. On the effects of environmental conditioning on residual stresses in composite laminates[J]. International Journal of Solids and Structures,1985, 21(8): 907-926.

[16] Oudad W, Madani K, Bachir B B, et al. Effect of humidity absorption by the adhesive on the performances ofbonded composite repairs in aircraft structures[J]. Compos Part B, 2012( 43):3419-3424.

[17] Narasimha M H, Sreejith M, Krishna M, et al. Seawater durability of epoxy/vinyl ester reinforced with 17 glass/carbon composites[J]. Journal of Reinforced Plastics and Composites, 2010, 29(10): 1491-1499 .

[18] Deo C, Acharya S K. Effect of moisture absorption on mechanical properties of chopped natural fiber reinforced epoxy composite[J]. Journal of reinforced plastics and composites, 2010, 29(16): 2513-2521.

[19] Grant T S, Bradley W L. The effect of the moisture absorption on the interfacial strength of polymeric matrix composites[J]. Journal of Material Science,1995, 30(21): 5537-5542.

[20] Liao K, Schultheisz C, Hunston D. Effects of environmental aging on the properties of pultruded GFRP[J]. Composites Part B: Engineering, 1999, 30(5): 485-493.

[21] Elaldi F, Elaldi P. A study on curing processes and environmental effects for rapid composite repair[J]. Journal of Reinforced Plastics and Composites,2011, 30(9): 749-755.

Review of Development of the Repair for Helicopter Composite Materials and Effects of Hydro-Thermal Environment

LI Junting, MA Baoliang

(AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co., Ltd., Harbin 150066, China)

With the increasing application of fiber reinforced resin composite materials in helicopter structures, repair technology of composite materials has becoming more and more important. Moreover, the fly environments of helicopters are very complex, in particular the helicopter flying over the sea. Environment, especial hydro-thermal environment, will make some properties of the composite material degrade. This paper reviewed the repair technology, including prepreg, wet layup and VARTM(Vacuum Assisted ResinTransfer Molding)repair; effects of hydro-thermal environment on the repair, the aim of which was to provide a reference for the development of the repair technology for helicopter composite materials.

helicopter; composite material; repair; hydro-thermal environment

2016-05-06

李俊婷(1969-)，女，黑龍江省青岡縣人，本科，工程師，主要從事技術(shù)圖書情報工作。

1673-1220(2016)04-064-05

V267+.46；V258

A