【技术干货】具有夹层和层压板结构的复合材料修复技术
摘 要
《一文简要了解碳纤维预浸料》
《一文了解碳纤维增强用热固性树脂基体》
《碳纤维热塑性树脂基复合材料特应用》
《简述碳纤维增强材料常见形式及应用》
1、复合材料修复技术概述
复合材料广泛应用于航空航天、船舶、汽车、地面运输和体育器材市场。复合材料构件的损伤无法通过肉眼看见，因此通常会采用无损检测（NDT）方法来确定结构构件的损伤程度。
此外，也可以通过简单地贴上复合材料表面并倾听声音来确定损伤区域。损坏的区域会对敲击产生迟钝的响应，并且可以轻松地绘制出完好和受损复合材料之间的边界并标识出要修复的区域。
复合材料损伤的认识和检查应包括在复合材料结构的定期维护计划中，尤其要注意容易损坏的区域。飞机结构的维修应根据相关维修手册进行。对于其他应用，修复后的部件通常应满足原始规范和机械性能要求。本文主要介绍了针对夹层结构和层压板结构修复方法。
夹层结构（又称为三明治结构）：通常薄而高强度的蒙皮由轻质蜂窝芯隔开并与之粘合，芯越厚、面板越硬，重量增加最小。
夹层结构示意图
层合板结构：层压结构的组装使得纤维取向，并提供了大多数所需的机械性能，而基体在很大程度上决定了环境性能。
层合板结构示意图
2、复合材料修复流程
2.1 损伤程度评估
复合材料的一些损伤是显而易见的，并且容易评估，但是在某些情况下，尽管实际损坏要大得多，但其潜在损伤可能更大。纤维的冲击损伤可以在增强复合材料表面上表现为一个小凹痕，但其下垫损伤可能更为广泛。
修复还是报废是通过考虑修复的程度来决定的，修复的程度是为了保持复合材料的原始结构性能。其他考虑因素包括维修成本、损坏的位置和可及性以及合适的维修材料的可用性。
2.2 判定维修类型
容易维修通常很小，或者不影响部件的结构完整性。这些修理是按照层压或夹层板的简单指南进行的。当损坏范围很广并且需要替换部件的结构性能时，需要进行复杂的维修。
最好的材料选择是使用原始的纤维、织物和基质树脂。任何替代方案都需要仔细考虑修复后的复合材料的使用环境，即热、湿和机械性能。建议的修复方案应满足结构的所有原始设计要求。
2.3 临时修复
当使用中的组件需要复合修复时，一些维修需要车间的专业设备，并且需要某种形式的简易维修才能将组件退回合适的维修车间。通常以补丁形式进行的临时修复可以固定到组件上。采用“安全带”方法来确保安全，直到以后可以维修组件为止。
2.4 永久修复
应遵循经批准的层压和夹层修补一般指南。这些维修操作应在受控的车间区域进行，以确保高质量的维修。良好的内务管理和对维修细节的关注将确保成功。
2.5 质量检验
对于修复零件的全面检查，可以使用一些无损检测（NDT）。检查员应检查修复区域的质量，并特别注意原始零件和修复区域之间的接口。通常的检查方法使用某种形式的超声波检测设备，其中超声波的反射检测并识别任何损坏区域或故障。
3、复合材料常见损失形式
纤维增强复合材料的大多数损伤是由于低速冲击，有时是高速冲击造成的。在金属中，能量是通过弹性和塑性变形而损耗的，并且仍然保持着大量的结构完整性。在纤维增强材料中，损伤通常比表面损伤更大。
对整体层压板的冲击后发生分层
夹层结构凹痕
夹层结构的穿孔损伤
层压板开裂时损伤不会延伸到零件的整个长度。对机械性能的影响取决于相对于部件厚度的裂缝长度。
层压板开裂
热损伤：表面层分离的局部断裂，它对机械性能的影响取决于零件的厚度。
热损伤
螺栓孔损坏：可能是孔的伸长导致层压板分裂，或部层压板的损伤。
螺栓孔损伤
3、夹层结构和层压板结构的修复
结构修复的主要目的是完全支撑所施加的荷载，并在修复区域内传递所施加的应力。为此，修补材料必须重叠，并充分粘合到原始层压板的层上。主要包括三种基本方法：
3.1 修补（Patch repair）
在这种情况下，原始层压板的厚度由填充层构成，并且修补材料粘合到层压板的表面。该方法优点是快速简单、需要最少的准备。但是修复后的层压板比原来的层压板更厚、更重，而且需要非常仔细的表面处理以获得良好的附着力。
3.2 锥度打磨或周围修补（Taper sanded or scarf repair）
在这种情况下，用砂纸打磨孔周围的区域，以暴露层压板中每一层的一部分。有时会添加一层填料以产生更平坦的表面。锥度通常在30-60:1的范围内。该方法优点是修补层只比原层稍厚一点，每个修补层与正在修补的层重叠，从而提供更明亮、更强的载荷路径，而且在新暴露的表面上可以实现良好的粘合。但该方法耗时，对技能要求高，难以实现。
3.3 阶梯状打磨修补（Step sanded repair）
将层压板磨光，使每层的平带露出，形成阶梯状饰面。典型阶梯为每层25-50毫米。其优点是与锥度打磨修复相同，缺点是极难做。
典型的层压板修复方法
典型的夹层修复方法
（主要参考文献 Composite_Repair）