碳纤维蜂窝夹芯板脱胶的修理方法

  碳纤维复合材料蜂窝夫层结构具有比强度、比刚度高等优异的力学性能,以及良好的隔音降噪、耐腐蚀和抗疲劳性能,该结构中还可以安装嵌入件,使得承载较低、重量较小的设备易于安装。目前,该结构已广泛应用在直升机结构上,如舱门、口盖、内饰、进气道和整流罩等非承力结构,地板、蒙皮、框腹板、梁腹板、尾梁等承力结构。复合材料面板与蜂窝之间通过胶层连接,这使得两者间的界面强度低,易发生脱胶。直升机在全寿命周期内,大多执行近地面飞行任务,容易受到来自地面异物的冲击,导致复合材料蜂窝夹层结构发生脱胶。

  脱胶破坏了碳纤维复合材料蜂窝夹层结构的完整性,使其抗弯曲、抗剪切能力,尤其是抗压缩能力严重下降。脱胶范围会在载荷作用下不断扩大,进而导致结构失效。因此,脱胶的修理尤为重要。

  脱胶缺陷/损伤的修理容限。碳纤维复合材料蜂窝夹层结构的修理要求较高,耗时费力,“过度”修理甚至会适得其反。因此修理前需要先确定修与不修、能修与不能修的界限,即修理容限。修与不修的界限需要根据结构受载情况,开展比对试验确定;能修与不能修的界限则根据修理的技术难度和经济成本确定。如F-18的修理指南规定脱胶缺陷/损伤直径小于19mm可不修理,脱胶缺陷/损伤直径大于75mm时报废不能修。

  脱胶范围的确定。脱胶修理前,需要通过目视、敲击及无损检测方法确定脱胶的程度。脱胶程度确认时,应注意:当两处或两处以上脱胶距离较近时,将其作为同一处脱胶处理;当一处脱胶跨域两个结构分区时,按修理要求较高区域修理。

  碳纤维复合材料蜂窝夹层结构脱胶主要有几下几种修理方法:

  一、注射修理指用流动性和渗透性好的低粘度树脂,注入脱胶区域并固化粘合的修理方法。该方法无需去除脱胶区域的材料,主要用于修理整流罩、舱门、口盖和内饰等碳纤维复合材料制件上范围较小的蜂窝脱胶。

  二、挖补法指将存在缺陷/损伤的碳纤维复合材料铺层和蜂窝去除,并更换蜂窝及铺层的方法。该方法因可以修复制件气动外形,产生的修补应力较小,基本不存在偏心载荷,增重小等优势而成为主流的复合材料结构修理方法,主要用于修理面积较大、情况较严重的缺陷/损伤,是蒙皮、腹板、尾梁等承力结构蜂窝脱胶的主要修理方法。

  有研究表明,按完好制件铺层挖补法修理后,制件的承载能力恢复到完好制件的80~90%,其主要原因是由于挖补法在原有缺陷基础上进一步扩孔,加大了损伤面积。使用该方法修理时,应考虑适当增加修理铺层的数量,以保证制件修理后的强度。

  三、贴补法。指在结构缺陷/损伤的外部,通过胶接或胶接共固化来固定一外部补片以恢复结构的强度、刚度及使用性能。该方法主要用于对气动外形要求不高复合材料制件的修理。

  有研究表明,采用贴补法修理后(贴补铺层与原铺层相同),制件破坏模式与完好件相同,均发生在制件的非修理部位,说明经该方法修理后,贴补处已达到或超过母体的强度。目前常用的修理材料和修理方法往往需要在一定的温度下完成固化,如120℃的中温修理,但加温设备往往对使用场地有要求,导致直升机必须在场站进行修理,甚至有些修理需要在厂内完成。这使得修理时间长,修理成本高。国内外已有研究表明,使用常温固化的修理材料进行修理后,复合材料制件可以满足使用要求。

  随着军用和民用直升机数量和碳纤维复合材料蜂窝夹层结构比重的增加,快速修理的意义日益突显。快速修理可增加直升机的出勤率,降低成本。国内外都对复合材料快速修理进行了相关研究,主要方法有微波修理法、光固化预浸修理技术等。相信随着复合材料修理技术的深入研究,直升机用碳纤维复合材料蜂窝夹层结构脱胶会实现低成本、又快又好地修理。

 

  阅读延伸:《碳纤维夹芯板材的损伤模式分析