摘要:先进复合材料在航空领域的广泛应用,尤其是在主承力结构方面的应用,对复合材料维护和修理工作提出了新的、更加迫切的要求。本文分析了冲击损伤下航空复合材料修复技术研究进展。
关键词:航空复合材料;冲击损伤;复合材料修复技术
一、无损检测
1.超声检测。超声波检测,尤其是超声C扫描,速度块而且直观显示,已成为常用的复合材料检测技术的主要组成部分。超声波检测可以检测复合材料的分层、夹杂物等多种缺陷,而且在确定材料的密度、纤维取向、弹性模量、厚度和其他特性方面也具有优势。可检出20mmx20mm的分层缺陷,最小可检测2mm2～-5mm2的其它缺陷。其缺点是检测效率低,针对不同的缺陷类别使用不同类型的探头,而且在检测过程中需要使用耦合剂。
2.X射线检测。X射线检测方法在复合材料损伤检测中的经常采用。最常用的是胶片照相法,它可以检查复合材料的孔隙和体积型缺陷,如夹杂、增强剂的分布不均等。检测分层缺陷是X射线检测的弱项,一般只有当裂纹平面大致平行射线束时才会被发现,因此该方法只能检测样品表面通常是垂直的裂缝,这一点与超声波检测相反。随着计算机技术的飞速发展,“x射线实时成像检测技术”已经应用于无损检测,X射线实时成像检测效率高方便实用,具有良好的发展前景。
3.计算机层析成像检测。计算机层析照相(CT)应用于复合材料检测已有十多年的历史。首先开展这项工作是医疗设备,复合材料和非金属材料元素与人体组织相近,医用CT非常适合测试其内部非微观的缺陷,并测量密度分布,但医用CT是不适合大尺寸、高密度的物体,如金属材料等。
4.红外热成像检测。红外热成像检测方法特别适合用于测试复合材料和金属粘接结构的分层缺陷,特别一些不适用于水中超声C扫描检测的情况。复合材料的红外热成像法检测层压材料具有很大的潜力,能够准确地确定层压复合材料的深度,该方法具有非接触、实时、高效、直观的特点。使用主动红外热成像检测层状复合材料和金属板材粘接结构脱粘缺陷是完全可行的,检测结果清晰、直观、准确性和可靠型强,缺陷评估和测试速度快,效率高,测试结果可以存储在计算机磁盘中。
5.声发射检测。声发射是根据承受力的对象,在外力作用下内部应力超过屈服强度产生不可逆转的塑性变形,形成瞬态弹性波,并释放应变能的现象。随着声发射研究领域的扩展,很多声音也被视为广义的声发射,如漏电、轴承滑动、钻井的声音等。60年代,美国在固体火箭发动机工业中应用该技术检测的玻璃钢。作为复合材料先进检测方法,声发射技术己成为研究和生产领域不可替代的动态无损检测技术。它的缺点是损伤产生的信号和噪声之间的区别是比较困难的。
二、修复技术
1.机械连接修理(铆接或螺接)。铆(螺)接适用于较厚的整体壁板,是用铆钉或螺栓将补板材料(多为合金材料)和母板连接在一起的修理方法。机械连接修理操作简易且成本低,但螺栓开孔处易产生应力集中。向着高效化、智能化方向发展。为解决机械连接修理的突出问题。当前学者普遍采用数值模拟与试验研究相结合的方式。
飞机结构连接最常用的机械连接形式是单搭接,因此单向静拉伸试验是研究螺栓连接性能的常用试验手段。此外,考虑螺钉载荷分配问题,智能螺栓测试和表面应变片测试被普遍应用于机械连接修理中。智能螺栓测试法利用应变片的变形量输出相应的电信号来确定与之对应的载荷:表面应变片测试法是在两孔中线处贴应变片．测量层合板受载时的轴向应变,积分得到横截面应力,再乘以横截面积得到相应载荷。数值模拟一般借助有限元分析软件(如ABAQUS、ANSYS等),通过建立复合材料层合板螺栓连接接头的数学模型。研究层合板内部铺层的应力、应变分布以及修理区域的承载隋况。在ABAQUS分析软件及其二次开发的平台上。利用用户自定义场(USDFLD)对复合材料性能进行多级衰减,对双排铆钉、单排铆钉修理试验件进行了失效分析。同时对双排铆钉、单排铆钉修理试验件进行破坏试验,分析结果与试验结果一致性良好。此结果论证了该数值模拟方法适用于机械连接修理的方案设计和效果评估。
2.胶接修复技术。胶接修复技术是目前最常用的复材修理技术。是通过胶黏剂将补片与母板胶接固化在一起的修理手段。与机械连接相比,胶接区域应力分布更均匀,表面更为光顺。胶接修复分为贴补修复和挖补修复。(1)贴补修复。贴补法是用胶接方式将补片贴于复合材料的损伤区域,主要用于薄的层合板及蜂窝复合结构的修理,修理后的结构强度可恢复到初始强度的50％-80％。图1(a)为胶接共固化贴补,图1(b)为预固化补片贴补。
图1胶接贴补修理
由图1可知,贴补法易造成修复表面不平整。因此只适用于对气动外形要求不高的结构。同时。单面贴补时产生的偏心载荷,会导致补片边缘的剥离应力较大,易脱落。因此,贴补修复一般作为外场临时修理方法。(2)挖补修复。挖补修复是将损伤部位打磨成圆锥状的楔形孔或阶梯形孔,再将补片胶接到该区域,进行固化处理。由于航空用复合材料构件几乎都是中高温固化成型,因此固化过程需要加温加压．以满足性能和外形要求。挖补法适用于厚截面结构的永久性修复,(3)影响胶接修复质量的重要因素。复合材料加工工艺。由于复合材料的各向异性和非均质性,传统的机械加工和手工加工过程会造成边缘损伤、分层、基体开裂、纤维拔出等问题。与之相比。连续激光加工和磨料水射流技术(水切割)的发展为复合材料的精确加工提供了技术支持。胶黏剂体系。胶接修复效果在很大程度上取决于所用的胶黏剂体系,应根据修补结构的承力水平和服役条件,选择既具有良好的抗疲劳性能和耐湿热老化性能．又具有较高的剪切强度、剥离强度的胶黏剂。胶接修补用胶黏剂主要分为两类:一类是多组分低黏度胶黏剂,主要用于复合材料结构的中低温固化;另一类是胶膜．固化温度≥100℃。
3.树脂注射修复技术。很多在役航空结构件的修理中,接触损伤的渠道受限。导致机械连接修复和胶接修复方式不再适用。这时,树脂注射技术作为一项新兴的修复技术受到业界关注。树脂注射修复是用低黏度的树脂注射到分层、脱粘的损伤区域,固化形成新的界面,以恢复部分强度和刚度,主要用于分层、脱粘或孔边缘损伤的修复。
随着航空制造业的不断发展,复合材料在飞机上的应用越来越多,成为飞机的四大结构材料之一。复合材料的健康信息决定了飞机整体结构的工作效率和工作安全性。
参考文献:
[1]陈建.航空复合材料制造技术及发展趋势探讨[J].装备制造技术,2017(08):80-81+92.