热补仪挖补修理复合材料蜂窝夹层结构.docx

1、热补仪挖补修理复合材料蜂窝夹层结构热补仪挖补修理复合材料蜂窝夹层结构孙凯;晏冬秀;孔娇月;魏冉;刘卫平【摘 要】利用热补仪进行复合材料蜂窝夹层结构的挖补修理实验研究.利用热电偶测试热补仪修补复合材料蜂窝夹层结构的面内及厚度方向的温度分布;采用光学显微镜观察不同修补层数下的HTS/977-2与HTS/MTM44-1两种预浸料在热补仪固化下的内部质量;并测试不同损伤程度下蜂窝夹层试验件修补后的侧压性能及弯曲性能.结果表明:使用热补仪修补蜂窝夹层结构时在厚度方向上温度分布不均匀,因此在面板及芯子损伤、穿透损伤情况下,应采用分步修理;热补仪对单次修补层数具有局限性,修补材料特性不同,单次修补固化层数上

2、限不同,对HTS/977-2,热补仪最佳单次固化层数为4层或5层,对HTS/MTM44-1,热补仪最佳单次固化层数为10层以上;试验中不同损伤程度的蜂窝夹层结构试验件进行热补仪修补后,侧压强度达到完好状态的79.9以上,弯曲强度达到完好状态的89.4以上,验证了热补仪挖补修理复合材料蜂窝夹层结构的可行性.【期刊名称】航空材料学报【年(卷),期】2014(034)002【总页数】7页(P51-57)【关键词】蜂窝夹层结构;热补仪修补;温度分布;侧压强度;弯曲强度【作 者】孙凯;晏冬秀;孔娇月;魏冉;刘卫平【作者单位】上海飞机制造有限公司航空制造技术研究所,上海200436;上海飞机制造有限公司航

3、空制造技术研究所,上海200436;上海飞机制造有限公司航空制造技术研究所,上海200436;上海飞机制造有限公司航空制造技术研究所,上海200436;上海飞机制造有限公司航空制造技术研究所,上海200436【正文语种】中 文【中图分类】工业技术第 34 卷 第 2 期2014年 4 月 航空 材 料 学 报JOLIRNAL.OF AEROIAUTICALM ArERIALS Vol.34 ,No.2April2014热 补 仪 挖 补 修 理 复 合 材 料 蜂 窝 夹 层 结 构孙 凯 ， 晏 冬秀 ， 孔 娇 月 ，魏 冉 ， 刘 卫 平（上海 飞机制造有限公 司 航空制造技术研究所 ，

4、上海 200436 ）摘要 ： 利用热 补仪进行复合材料蜂窝夹层结构的挖补修理实验研究 。 利用热 电偶测试热补仪修补 复合材料蜂窝夹 层结构 的面 内及厚度方 向的温度 分布 ；采用 光学 显 微镜 观察不 同修 补层 数 下 的 HTS/977-2 与 HTS/MTM44-I 两 种 预浸料在热补仪固化下 的 内部质量 ；并测试不 同损伤程度下蜂窝夹层 试验件修补后 的侧压性能 及 弯 曲性 能。 结果 表明 ：使用热补仪修补蜂窝夹层结构时在厚度方 向上 温度分布不 均 匀 ， 因此 在 面 板 及 芯 子损 伤 、穿透 损伤情 况 下 ，r6i采用分步修理 ； 热补仪对单次修 补层 数

5、具有局 限性 ， 修补 材 料 特性 不 同 ， 单 次修 补 同化层 数上 限 不 同 ， 对 HTS/977-2 ，热补仪最佳单次 固化层数 为 4 层或 5 层 ， 对 HTS/MTM44-1 ，热 补仪最 佳单次 固化层 数 为 10 层 以 上 ；试验 中 不同损伤程度的蜂窝夹层结构试验件进行热补仪修补后 ，侧 压强 度达 到完好状 态 的 79.9% 以上 ， 弯曲强 度达 到完好状态的 89.4% 以上 ，验证 了热补仪挖补修理复合材料蜂 窝夹层结构的可 行性 。 关键词 ： 蜂窝夹层结构 ； 热补仪修补 ；温度 分布 ；侧压强度 ；弯曲强度doi:10.3969/j. issn

6、. 1005-5053.2014.2.0J0中图分类号 ： TB332 ；V257文 献标识码 ： A文章编号 ： 1005-5053(2014)02-0051-07先进 树脂基 复合 材 料具 有 比强 度 及 比 刚 度 高 、 耐腐蚀 和抗疲 劳性能好 、可设计等优点 ，在 飞 机结构 中得到 了 大 量 应 用12 。 。 其 中 ， 碳 纤 维 增 强 复 合 材料蜂 窝夹层结 构 由于 质量轻 ，抗 弯强 度 高 ， 可 以 在最 小 质量下 达 到结 构 刚性要求 ， 广 泛 应用 于 襟副翼 、方 向舵 、 升降舵 等次承 力结 构 件3 。 蜂 窝 夹 层 结 构 件由于 面

7、板较 薄 ， 面板 与芯子间存 在胶接 界面 ，在制 造 及 使用 过 程 中 ，不 可 避免地会 发生 面 板分层 、 板芯脱 粘、面板及 芯 子损伤乃 至 穿透损 伤 的情 况 ， 因此 ， 需 要 对 复 合 材 料 蜂 窝 夹 层 结 构 进 行 高 效 、 低 成 本 修 理j4j 。 胶接修理是 复合材料蜂窝夹层结构常用 修理方法 -8 ， 一 般使用 热补仪或热压罐等 没备修补 固化 。与热 压 罐相 比 ，热补仪 只对修补 区进 行 固化 ，不 受零 件 尺 寸限制 ，使用 灵 活 ； 设备尺 寸小 、质量轻 ，携带方 便；更适 于 外场修理 ；修理成本 低 。 因此 ，热 补

8、仪在 复合材料 蜂 窝夹 层 结 构 的 胶 接 修 补 中有 较 大 的 优 势。然而热补仪使用 加 热毯作 为热源 ，可 能 造 成修 补 区存 在温度不 均 现 象 ， 温 度分 布不 均 会 影 响 复合 材料修补层 的 固化 过 程 及 固 化 程 度 ；固 化 过 程 中 只收稿 日期 ： 2013-09-30 ；修订 日期 ： 2013-1I-10基金项 目 ：中国商飞关键技术攻关项 目（ C919-C030601-24-3 ） 作者简介 ：孙凯（ 1984- ） ，男 ，工程师 ， 主要从事树脂基复合材 料制造及修补方 面的研究工作 ，( E-mail)sunkaicomac

9、ce 。能提供真空 压 力 ，不 能 保证对修补 层进 行有效压 实 ，容易产 生 分层 、孔 隙等缺 陷910 二 这 些 限 制 均 会影响蜂 窝夹层 结 构热 补 仪修补 后 的 力学 性 能 ： 目前 ，针 对 修 理 分 析 及 修 理 后 力 学 性 能 的 研 究 较 多68 “卜 ， 但针 对热 补 仪修补 工艺 方 面 的研究较 少 。为使热补仪修补 复合材料蜂窝夹层结 构达 到 良好 的 修补 效 果 ， 实 现 其 高效 率 、 低 成 本 修理 的功 能 ， 本 工 作研究 了用热 补仪修补 复合材料蜂窝夹 层结构 的温 度分布情况 并提 出 了解 决 温差 的建议 。

10、 针 对 HTS/977-2与 HTS/MTM44-1 两种预浸 料 ，研 究 了真 空 压力下 热补仪 固化修 补 层 的 内部缺 陷情 况 ， 根 据 研 究 结果进行 了蜂窝夹层 结构不 同程度损伤 的热补 仪修 补实验 ，并分析修补 后 蜂 窝夹层 件 的 压 缩 性 能 及 弯 曲性 能 的恢复情况 。 1 实验1.1 实验原 料与设 备原 材 料 ：CYCOM 977-2-35-12KHTS预 浸 料 ， 简 称HTS/9772 ， 单 层 名 义 厚 度 为 0.261mm ， 177qC 固化 ； MTM44-1/HTS(12K) -134-35%RW 预 浸 料 ， 简 称

11、HTS/MTM44-I， 名 义 单 层 厚 度 0.131mm ，177 固 化； PL7000.05M高温 胶膜 ，名义厚度 0.2mm ， 177 固化 ；FM490A蜂窝 拼 接 胶 ， 121C 或 1770C 固 化 ； HRH-10-1/8-3.0芳纶蜂 窝芯 子 ，厚度 10mm ，第34卷2期 2014年4月航空材料学报 JOLIRNAL.OF AEROI AUTICAL M ArERIALS Vol.34 , No.2 April孙凯 ，晏 冬秀 ，孔 娇 月 ，魏冉，刘 卫 平摘要 ： 利用热 补仪进行复合材料蜂窝夹层结构的挖补修理实验研究 。 利用热 电偶测试热补仪修补

12、 复合材料蜂窝夹层结构 的面 内及厚度方 向的温度 分布 ；采用 光学 显 微镜 观察不 同修 补层 数 下 的 HTS/977-2 与 HTS/MTM44-I 两 种预浸料在热补仪固化下 的 内部质量 ；并测试不 同损伤程度下蜂窝夹层 试验件修补后 的侧压性能 及 弯 曲性 能。 结果表明 ：使用热补仪修补蜂窝夹层结构时在厚度方 向上 温度分布不 均 匀 ， 因此 在 面 板 及 芯 子损 伤 、穿透 损伤情 况 下 ， r6i采用分步修理 ； 热补仪对单次修 补层 数 具有局 限性 ， 修补 材 料 特性 不 同 ， 单 次修 补 同化层 数上 限 不 同 ， 对 HTS/ 977-2 ，

13、热补仪最佳单次 固化层数 为 4 层或 5 层 ， 对 HTS/MTM44-1 ，热 补仪最 佳单次 固化层 数 为 10 层 以 上 ；试验 中不好状态的 89.4% 以上 ，验证 了热补仪挖补修理复合材料蜂 窝夹层结构的可 行性 。关键词 ： 蜂窝夹层结构 ； 热补仪修补 ；温度 分布 ；侧压强度 ；弯曲强度 doi:10.3969/j. 1005-5053.2014.2.0J0文章编号 ： 1005-5053(2014)02-0051-07先进 树脂基 复合 材 料具 有 比强 度 及 比 刚 度 高 、耐腐蚀 和抗疲 劳性能好 、可设计等优点 ，在 飞 机结构中得到 了 大 量 应 用

14、12其中碳 纤 维 增 强 复 合 材料蜂 窝夹层结 构 由于 质量轻 ，抗 弯强 度 高 ， 可 以 在最小 质量下 达 到结 构 刚性要求 ， 广 泛 应用 于 襟副翼 、方向舵 、 升降舵 等次承 力结 构 件3窝 夹 层 结 构 件由于 面板较 薄 ， 面板 与芯子间存 在胶接 界面 ，在制 造及 使用 过 程 中 ，不 可 避免地会 发生 面 板分层 、 板芯脱粘面板及 芯 子损伤乃 至 穿透损 伤 的情 况 ， 因此 ， 需要 对 复 合 材 料 蜂 窝 夹 层 结 构 进 行 高 效 、 低 成 本 修理j4j胶接修理是 复合材料蜂窝夹层结构常用 修理方法-8一 般使用 热补仪或

15、热压罐等 没备修补 固化 。与热 压 罐相 比 ，热补仪 只对修补 区进 行 固化 ，不 受零件 尺 寸限制 ，使用 灵 活 ； 设备尺 寸小 、质量轻 ，携带方便；更适 于 外场修理 ；修理成本 低 。 因此 ，热 补仪在复合材料 蜂 窝夹 层 结 构 的 胶 接 修 补 中有 较 大 的 优势然而热补仪使用 加 热毯作 为热源 ，可 能 造 成修补 区存 在温度不 均 现 象 ， 温 度分 布不 均 会 影 响 复合材料修补层 的 固化 过 程 及 固 化 程 度 ；固 化 过 程 中 只收稿 日期 ： 2013-09-30 ；修订 日期 ： 2013-1I-10基金项 目 ：中国商飞关键

16、技术攻关项 目（ C919-C030601-24-3 ）作者简介 ：孙凯（ 1984- ） ，男 ，工程师 ， 主要从事树脂基复合材料制造及修补方 面的研究工作 ，( E-mail)sunkaicomac ce 。9 10二这 些 限 制 均 会影针对修分析及后力性能的研究较多68“卜但针 对热 补 仪修补 工艺 方 面 的研究较 少 。为使热补仪修补 复合材料蜂窝夹层结 构达 到 良好 的修补 效 果 ， 实 现 其 高效 率 、 低 成 本 修理 的功 能 ， 本 工作研究 了用热 补仪修补 复合材料蜂窝夹 层结构 的温度分布情况 并提 出 了解 决 温差 的建议 。 针 对 HTS/ 9

17、77-2与HTS/MTM44-1两种预浸 料 ，研 究 了真 空 压力下 热补仪 固化修 补 层 的 内部缺 陷情 况 ， 根 据 研 究结果进行 了蜂窝夹层 结构不 同程度损伤 的热补 仪修补实验 ，并分析修补 后 蜂 窝夹层 件 的 压 缩 性 能 及 弯曲性 能 的恢复情况 。 1实验 1.1实验原 料与设 备预浸简称2单 层 名 义 厚 度 为 0.261mm ， 177qC 固化；MTM44-1/HTS( 12K) -134-35%RW 预 浸 料 ， 简 称名义单层厚度0.131mm177固PL7000. 05M52航 空 材 料 学 报 第34 卷设 备 ：SCH热 压 罐 ；H

18、CS9200热 补 仪 ， 加 热 毯 温度均匀 性 为 5 ；NikonEPIPHOT300 金 相 显 微 镜 ； WDW-200E型 力学试验机 。 1.2 实验方法1.2.1 温度分布测 试方法用热 补仪 对蜂窝夹层结构进 行面 内方 向及 厚度 方 向温 度 分布测 试。 面 内方 向测试时热 电偶放 置在 蜂窝件面 板表面 的 中心 及 边 缘 ；厚 度方 向测 试 时 热 电偶放 置在两 侧面板 的上 、下 表面 。 采用包袋封装 ， 试板 的尺寸 均 为 300mm 300mm ： 见 图 l ， 图 2 ，图 l 蜂窝夹层件面 内方 向温度测试示 意网 Fig.1 Schem

19、aLicdiagramof in-planedirectiontemperaturetestingof honeYcombsandwichstructure Seal图 2 蜂窝夹层 件厚度 方 向温度分 布测试示 意图 Fig.2 Schematicdiagramof through-thicknessdirectiontemperdturetestingof honeycoml)sandwic-hstructure 1.2.2固 化层 数 对 修 补 层 内部 质 量 影 响 的研 究 方用 热压罐 固化 8 层 HTS/977 2 预浸料 的层 压板 做母 板 ，在 母 板 上 用 热

20、补 仪 胶 接 共 固 化 HTS/977 2 预浸料或 HTS/MTM44-1预 浸 料 来 模 拟 修 补 层 ， 修补铺层 为正 交铺 层 ， 母 板 与修 补 层 间 使 用 PL7000. 05M 胶 膜 。 试 板 尺 寸 均 为 150mm 150mm 。 分 别 进 行 了单 次 固 化 2 层 、4 层 、5 层 、6 层 的 HTS/977-2预浸料 及 4 层 、8 层 、 10 层 的 HTS/MTM44-I 预 浸 料 模拟 制作修补层 的实验 ， 封装方式 见图 3 ： 将 热 补 仪胶 接 固 化 的修补 层 板 机 械切 割 ， 用 金 相 显 微镜观察 切割

21、截面 的微 观结构及 缺陷状 况 ： 图 3 热补仪胶接共 同化修补示 意 图 Fig.3Se hemaLicdiagramof co-bondingrepairbyhot bonder 1.2.3蜂窝夹 层件的制备及 力学测 试蜂窝 夹 层 件 母 板 压 缩 试 件 尺 寸 为 220mm 160mm ， 面 板 使 用 HTS/977 2 预 浸 料 ， 芯 子 为 10mm film厚的 HRH-10-1/8-3.0芳纶蜂窝芯 ，铺 层顺序为i45/ 0/-45/90l/C/ 90/-45/0/45， 在 试验 件端 头夹 持区灌封 以 避免侧压时加载端破坏 ，热压罐成型 。度均匀 性

22、 为 5 ；NikonEPIPHOT300 金 相 显 微 镜 ； 1.2实验方法 1.2.1温度分布测 试方法用热 补仪 对蜂窝夹层结构进 行面 内方 向及 厚度方 向温 度 分布测 试。 面 内方 向测试时热 电偶放 置在蜂窝件面 板表面 的 中心 及 边 缘 ；厚 度方 向测 试 时 热电偶放 置在两 侧面板 的上 、下 表面 。 采用包袋封装 ，试板 的尺寸 均 为 300mm 300mm ： 见 图 l ， 图 2 ，图l蜂窝夹层件面 内方 向温度测试示 意网 SchemaLicdiagramof in-planedirectiontemperaturetestingof honeY

23、combsandwichstructure蜂窝夹层 件厚度 方 向温度分 布测试示 意图 Schematicdiagramof through-thicknessdirectiontemperdturetestingof honeycoml)sandwic-hstructure用 热压罐 固化 8 层 HTS/977 2 预浸料 的层 压板做母 板 ，在 母 板 上 用 热 补 仪 胶 接 共 固 化 HTS/977 2预浸料或 HTS/MTM44-1料 来 模 拟 修 补 层 ， 修胶 膜 。试板尺寸 均 为 150mm150mm别进 行 了单 次 固 化 2 层 、4 层 、5 层 、6

24、层 的 HTS/977-2预浸料 及 4 层 、8 层 、 10 层 的 HTS/MTM44-I 预 浸 料模拟 制作修补层 的实验 ， 封装方式 见图 3 ：将 热 补 仪胶 接 固 化 的修补 层 板 机 械切 割 ， 用 金相 显 微镜观察 切割 截面 的微 观结构及 缺陷状 况 ：热补仪胶接共 同化修补示 意 图 Fig.3 SehemaLic diagramof co-bondingrepairbyhot bonder 160mm面 板 使 用 HTS/977 2 预 浸 料 ， 芯 子 为 10mm 0/ - 45/90l/C/ 90/-45/0/45， 在 试验 件端 头夹 持第

25、 2 期 热补 仪挖 补修理 复合材料蜂窝夹层结构 53蜂 窝 夹 层 件 母 板 弯 曲 试 件 尺 寸 为 440mm 160mm ， 面 板 使 用 HTS/MTM44-1 预浸 料 ， 芯 子 为10rnm厚 的 HRH-10-1/8-3.0芳 纶 蜂 窝芯 ，铺 层 顺 序为 45/45/0/0/ -45/-45/90/90 C 90/90/-45/ 45/0/0/45/45，在试验 件加 载 区 灌封 以 避 免加 载位置破坏 ，热压罐成型 。蜂 窝夹 层 结 构损 伤件 制 备 ：模 拟损 伤采用 机 械 加 工 的方式在 完好 母 板 上 以 钻 孔 的 形 式 获 得 ，孔

26、直径 为 25mm。 损 伤 程 度 分 别 为 单 面 板 损 伤 、 面 板 及芯子损伤 、穿透损伤 。蜂 窝夹 层 结 构损 伤修补 件 的制 备 ：挖 补 斜度 为 30:1 ， 压缩 测 试 的蜂 窝件 使用 HTS/977 2 预 浸 料进行修理 ， 1 层 附 加 修 理 层 ；弯 曲测 试 的 蜂 窝 件 使 用 HTS/MTM44-1预浸 料 进 行 修 理 ，2 层 附 加 修 理 层 。同损 伤形式 的修理示 意 图见 图 4 。 使 用 热 补 仪 固化修补层 ，修补 封装 示 意 图见 图 5 。 jnm7mrjF:t:jtfI.jmTIi Knnl_.【 羽 4 不

27、 同损伤形式修理示 意 图 Fig.4Schematicdiagram of repairfor different kindsof damage (a)oneside paneldamagerepair; (b)one side panelandcoredamagerepair;(c)penetratedamagerepair川mfllm冈 5 热补仪修补封装示 意 图 Fig.5 Schematicdiagramof repairhaggingbyhotboncler力学测 试 ：使用 图 6 所 示 的夹具 进 行 蜂 窝 件 的 侧压试验 ，在 夹具边 缘 处 设 置 立 柱 以 防止

28、 蜂 窝板 压 缩过程 中出现整体失稳 。 使用 图 7 所示 夹具进行 蜂 窝夹层 件 的 弯 曲测 试 。 用 WDW-200E 型 试 验 机 进 行加 载 。 对 完 好 板 及 损 伤 未 修 板 ， 每 种 类 型 进 行 3 件 力学 测 试 ；对损伤修补板 ，每种类 型 进行 5 件力学 测 试 。图 6 蜂窝夹层件侧压试验夹具 Fig.6 Testfixture for edgewisecompressionof honeycomb sandwich structurespecimens图 7 蜂窝夹层件弯曲试验夹具 Fig.7 Testfixture for bending

29、of honeycombsandwich structurespeclmens 2结 果 与讨 论 2.1 温差 分析 按 图 1 所示 的封装方式进行蜂 窝夹层 件 的面 内方向温度 分布测试 ， 热 电偶均 放 置 在 加 热 毯 的有 效 加热 区 域 内 ，结 果 见 图 8 。 在 升 温 及 保 温过 程 中 ，蜂 窝夹 层件 面 板 的 中心 及 边缘 处 的温 度 与设 定 温 度趋热补 仪挖 补修理 复合材料蜂窝夹层结构窝夹件母弯曲 试 件 尺 寸 为 440mm 面使用芯子为 10rnm 45/ 45/90/90 C 90/90/-45/蜂 窝夹 层 结 构损 伤件 制 备

30、 ：模 拟损 伤采用 机 械加 工 的方式在 完好 母 板 上 以 钻 孔 的 形 式 获 得 ，孔 直损伤 程 度 分 别 为 单 面 板 损 伤 、 面 板 及 30:1压缩 测 试 的蜂 窝件 使用 HTS/977 2 预 浸 料进【羽同损伤形式修理示 意 图 Fig.4 Schematic diagram of repairfor different kindsof damage (a)oneside paneldamagerepair; (b)one side panelandcoredamagerepair;(c)penetratedamagerepair川m fllm冈5热补仪修

31、补封装示 意 图 Schematicdiagramof repairhaggingbyhotboncler力学测 试 ：使用 图 6 所 示 的夹具 进 行 蜂 窝 件 的侧压试验 ，在 夹具边 缘 处 设 置 立 柱 以 防止 蜂 窝板 压缩过程 中出现整体失稳 。 使用 图 7 所示 夹具进行 蜂窝夹层 件 的 弯 曲测 试 。 用 WDW-200E 型 试 验 机 进行加 载 。 对 完 好 板 及 损 伤 未 修 板 ， 每 种 类 型 进 行 3件 力学 测 试 ；对损伤修补板 ，每种类 型 进行 5 件力学测 试 。6蜂窝夹层件侧压试验夹具 Testfixture for edge

32、wisecompressionof honeycomb structure specimens7蜂窝夹层件弯曲试验夹具 Testfixture for bendingof honeycombsandwich speclmens 2.1温差 分析按1所示 的封装方式进行蜂 窝夹层 件 的面 内向温度 分布测试 ， 热 电偶均 放 置 在 加 热 毯 的有 效加热 区 域 内 ，结 果 见 图 8 。 在 升 温 及 保 温过 程 中 ，蜂窝夹 层件 面 板 的 中心 及 边缘 处 的温 度 与设 定 温 度趋54于一致 ， 均在设定 温度 的 5 以 内。 说明使用加 热 毯修补 固 化时 ，蜂 窝夹 层 件 在 加 热 毯 侧 的 面 内温 度 是一致 的 ， 可 以 达 到 零 件 表 面 修 补 固 化 对 温 差 的 要求 。图 8 蜂 窝夹层件面板 面 内方 向温度测试 Fig.8 In-planedirectiontemperaturetestingof honeycomb structurespecimens按 图 2 所示 的封装方式进行蜂 窝夹层件厚度 方 向上 的温度 分 布 测 试 ， 结 果 见 图 9 。 在 升 温 及 保 温 过 程 中 ，加 热毯侧 的 上 面 板 两 侧 的 温 度 与 设定 温 度 一 致 ：下面 板两 侧 的温