易 偉

(長沙晶優(yōu)新材料科技有限公司，湖南 長沙 410000)

樹脂基復合材料具有比強度、比模量高，性能可設計性強，制件可整體成型等優(yōu)點，是目前發(fā)展最迅速、應用最廣泛的復合材料[1-4]。運用復合材料制備的零部件，即使是大型的制件也能實現(xiàn)一次成型。從而使部件中零件的數(shù)目明顯的減少，避免了接頭過多，顯著的降低了應力集中，減少了制造工序和加工量，大量節(jié)約原材料。樹脂基復合材料以其獨特的優(yōu)點，在許多工業(yè)領域得到了大量的應用[5-7]。

由于復合材料制備和零件成型同時完成，因而在制備過程中的缺陷不可避免，碰傷、加工原因引起的損傷也是較常見的。據(jù)報道，低能碰撞產(chǎn)生的非可見損傷可使復合材料的強度降低35%～40%。由于復合材料的損傷形式與金屬材料顯著不同，因而不能簡單的將傳統(tǒng)的修理方法直接應用于復合材料的修理。采用不恰當?shù)姆椒ㄐ蘩矸椒ㄌ幚?，往往得不到好的修理效果，必須根?jù)其損傷的特點，設計相應的修補方法，特別要重視鋪層設計和修理設計。

在生產(chǎn)的某型號纏繞筒體時，發(fā)現(xiàn)部分筒體尾端面局部開裂；另外在后期制作中，部分筒體的尾端面有局部被碰傷、壓傷及加工損傷的現(xiàn)象，導致局部尺寸變形，因而必須進行修復。通過相應的技術試驗，設計了不同的修補工藝，對筒體進行修補。修復后的筒體的表觀接近原有水平，結構強度和使用性能完全達到合格產(chǎn)品性能的要求。

1 實驗部分

1.1 原材料、設備及工裝

樹脂體系：TDE-85環(huán)氧樹脂、E-51環(huán)氧樹脂、T-31固化劑、聚酰胺650韌性固化劑、間苯二甲胺促進劑；

增強材料：有機氈、玻纖表面氈、短切高強紗、特種表面氈、特種纖維、滌綸表面氈；輔助原材料：聚乙烯醇、乙酸乙酯、丙酮、脫脂紗布、聚酯薄膜。

1.2 試驗過程

首先從部件的類型、損傷的類型、損傷所影響的范圍和損傷的程度評估部件損傷。通過工藝實驗最終確定操作簡便、切實可行的修補方案。

1.2.1 層間開裂修補試驗

在分層區(qū)內，距分層區(qū)邊緣一定距離處分別開一個注膠孔和一個出膠孔，如圖所示：

圖1 注膠口分布示意圖Fig.1 Distribution diagram of injection ports

孔通過脫膠和分層處，使樹脂膠粘劑能注入分層處，但是，孔也不能太深，否則會造成新的人為損傷。

調整膠液體系中固化劑比例，作凝膠試驗，將凝膠時間控制在30min左右，確保工藝人員有充裕的時間實施修補工藝。氣槍吹凈進膠口部位，用注射器通過注膠孔把膠粘劑注入分層處，直到有膠粘劑從臨近的孔中溢出。這樣直到把所有的損傷處注滿，用壓敏膠帶封住各孔位，待固化后，清理修補表面。

1.2.2 加工損傷修補試驗

采用兩件試驗件，在尾端面模擬加工出斜面后。將試驗件尾端面朝上直立，用水平尺找平尾端面，對尾端面修補部位進行表面打磨處理，并用脫脂紗布浸漬乙酸乙酯清洗修補部位，使試件分子鏈中未反應官能團裸漏，膠黏劑修補二次固化時可以在分子層面達到無界面，滿足粘接要求。

用壓敏膠帶封好尾端面內外徑(必須保證平整不皺)，防止修補過程中的滴落膠液污染制品表面。在專用加壓工裝表面涂刷聚乙烯醇脫模劑一層，涼置時間不低于24h。

按凝膠實驗確定的比例配制膠液后，將膠液均勻的涂刷在修補端面上，隨后依次鋪放兩層表面氈，注意應使表面氈均勻、充分的浸漬樹脂；于修補端面上放置加壓蓋板(注意保持平直狀態(tài))；用脫脂紗布浸漬不同清理溢流膠液，防止污染制品表面；修補制品經(jīng)至少24h的固化后方可拆除加壓工裝，進行必要的表面處理；修補部位經(jīng)至少48h的充分固化后，可以進行后續(xù)的機加工操作。

1.2.3 局部碰傷修補試驗

本產(chǎn)品系由高強玻璃纖維增強環(huán)氧/酸酐樹脂體系，利用纏繞工藝制備的柱形筒體[8-9]。局部碰傷部位一般在筒體表面，在清理時應盡量避免損傷原增強材料，以盡量減少對強度的影響。采用兩件試驗件，在表面及端面進行模擬碰撞，使試驗件出現(xiàn)與比產(chǎn)品更嚴重的損傷。如圖2。

圖2 碰撞損傷形式Fig.2 Collision damage pattern

在修補層和筒體間加膠膜，使二者能很好的粘接。如此可以最大限度的提高、恢復筒體的力學性能。

修補層數(shù)的確定：根據(jù)對切除區(qū)的實測數(shù)據(jù)確定修補層數(shù)，公式如式1：

(1)

式1中：a為需要修補的層數(shù)，h為缺陷實際深度，k為修補系數(shù)，根據(jù)選用的增強材料和樹脂的不同取不同的值。如利用公式計算的值大于0.95，按一層計算，否則不記。

2 修補結果分析

在經(jīng)過修補的部分取樣，根據(jù)相關標準進行力學性能檢測，其結果如表1。

表1 不同損傷形式修補后性能Table 1 Performance after repair in different damage forms

由表1數(shù)據(jù)分析可知針對不同損傷形式進行修補后的制件，拉伸性能及壓縮性能均能滿足設計值，修補工藝設計合理，后續(xù)也可為不同成型工藝的復合材料制件損傷提供參考。對比兩種性能，不同損傷修補的壓縮性能測試結果離散性較為穩(wěn)定，而拉伸性能離散性較大，分析可能是試樣在拉伸性能測試時，兩次成型的界面雖然有分子層面的交聯(lián)，但相對一次成型仍然較少，導致該處為薄弱點，而不同缺陷方式、缺陷面積、缺陷深度均會導致界面強度的不同。而壓縮性能測試時，試樣主要為纖維受力，界面對其影響較小。

3 結論

(1)本文根據(jù)復合材料纏繞成型制件在制備及使用過程中可能存在的層間開裂、加工損傷及局部碰傷3種損傷形式，進行工藝設計及修補試驗，修復后的筒體的表觀接近原有水平，工藝操作較為方便，可為后續(xù)其它復合材料修補提供了方案。

(2)在試驗件模擬修補的基礎上，完成打尾螺套孔、攻絲、尾螺套粘結等后續(xù)工序。經(jīng)力學性能檢測及相關人員鑒定認為：采用上述修補方案修補的試驗件，尾端面均勻密實，而且具有與筒體其它部位相當?shù)臋C械強度，修補后的筒體滿足驗收技術條件中對筒體儀器艙部位的強度要求。