易 伟

(长沙晶优新材料科技有限公司，湖南 长沙 410000)

树脂基复合材料具有比强度、比模量高，性能可设计性强，制件可整体成型等优点，是目前发展最迅速、应用最广泛的复合材料[1-4]。运用复合材料制备的零部件，即使是大型的制件也能实现一次成型。从而使部件中零件的数目明显的减少，避免了接头过多，显著的降低了应力集中，减少了制造工序和加工量，大量节约原材料。树脂基复合材料以其独特的优点，在许多工业领域得到了大量的应用[5-7]。

由于复合材料制备和零件成型同时完成，因而在制备过程中的缺陷不可避免，碰伤、加工原因引起的损伤也是较常见的。据报道，低能碰撞产生的非可见损伤可使复合材料的强度降低35%～40%。由于复合材料的损伤形式与金属材料显著不同，因而不能简单的将传统的修理方法直接应用于复合材料的修理。采用不恰当的方法修理方法处理，往往得不到好的修理效果，必须根据其损伤的特点，设计相应的修补方法，特别要重视铺层设计和修理设计。

在生产的某型号缠绕筒体时，发现部分筒体尾端面局部开裂；另外在后期制作中，部分筒体的尾端面有局部被碰伤、压伤及加工损伤的现象，导致局部尺寸变形，因而必须进行修复。通过相应的技术试验，设计了不同的修补工艺，对筒体进行修补。修复后的筒体的表观接近原有水平，结构强度和使用性能完全达到合格产品性能的要求。

1 实验部分

1.1 原材料、设备及工装

树脂体系：TDE-85环氧树脂、E-51环氧树脂、T-31固化剂、聚酰胺650韧性固化剂、间苯二甲胺促进剂；

增强材料：有机毡、玻纤表面毡、短切高强纱、特种表面毡、特种纤维、涤纶表面毡；辅助原材料：聚乙烯醇、乙酸乙酯、丙酮、脱脂纱布、聚酯薄膜。

1.2 试验过程

首先从部件的类型、损伤的类型、损伤所影响的范围和损伤的程度评估部件损伤。通过工艺实验最终确定操作简便、切实可行的修补方案。

1.2.1 层间开裂修补试验

在分层区内，距分层区边缘一定距离处分别开一个注胶孔和一个出胶孔，如图所示：

图1 注胶口分布示意图Fig.1 Distribution diagram of injection ports

孔通过脱胶和分层处，使树脂胶粘剂能注入分层处，但是，孔也不能太深，否则会造成新的人为损伤。

调整胶液体系中固化剂比例，作凝胶试验，将凝胶时间控制在30min左右，确保工艺人员有充裕的时间实施修补工艺。气枪吹净进胶口部位，用注射器通过注胶孔把胶粘剂注入分层处，直到有胶粘剂从临近的孔中溢出。这样直到把所有的损伤处注满，用压敏胶带封住各孔位，待固化后，清理修补表面。

1.2.2 加工损伤修补试验

采用两件试验件，在尾端面模拟加工出斜面后。将试验件尾端面朝上直立，用水平尺找平尾端面，对尾端面修补部位进行表面打磨处理，并用脱脂纱布浸渍乙酸乙酯清洗修补部位，使试件分子链中未反应官能团裸漏，胶黏剂修补二次固化时可以在分子层面达到无界面，满足粘接要求。

用压敏胶带封好尾端面内外径(必须保证平整不皱)，防止修补过程中的滴落胶液污染制品表面。在专用加压工装表面涂刷聚乙烯醇脱模剂一层，凉置时间不低于24h。

按凝胶实验确定的比例配制胶液后，将胶液均匀的涂刷在修补端面上，随后依次铺放两层表面毡，注意应使表面毡均匀、充分的浸渍树脂；于修补端面上放置加压盖板(注意保持平直状态)；用脱脂纱布浸渍不同清理溢流胶液，防止污染制品表面；修补制品经至少24h的固化后方可拆除加压工装，进行必要的表面处理；修补部位经至少48h的充分固化后，可以进行后续的机加工操作。

1.2.3 局部碰伤修补试验

本产品系由高强玻璃纤维增强环氧/酸酐树脂体系，利用缠绕工艺制备的柱形筒体[8-9]。局部碰伤部位一般在筒体表面，在清理时应尽量避免损伤原增强材料，以尽量减少对强度的影响。采用两件试验件，在表面及端面进行模拟碰撞，使试验件出现与比产品更严重的损伤。如图2。

图2 碰撞损伤形式Fig.2 Collision damage pattern

在修补层和筒体间加胶膜，使二者能很好的粘接。如此可以最大限度的提高、恢复筒体的力学性能。

修补层数的确定：根据对切除区的实测数据确定修补层数，公式如式1：

(1)

式1中：a为需要修补的层数，h为缺陷实际深度，k为修补系数，根据选用的增强材料和树脂的不同取不同的值。如利用公式计算的值大于0.95，按一层计算，否则不记。

2 修补结果分析

在经过修补的部分取样，根据相关标准进行力学性能检测，其结果如表1。

表1 不同损伤形式修补后性能Table 1 Performance after repair in different damage forms

由表1数据分析可知针对不同损伤形式进行修补后的制件，拉伸性能及压缩性能均能满足设计值，修补工艺设计合理，后续也可为不同成型工艺的复合材料制件损伤提供参考。对比两种性能，不同损伤修补的压缩性能测试结果离散性较为稳定，而拉伸性能离散性较大，分析可能是试样在拉伸性能测试时，两次成型的界面虽然有分子层面的交联，但相对一次成型仍然较少，导致该处为薄弱点，而不同缺陷方式、缺陷面积、缺陷深度均会导致界面强度的不同。而压缩性能测试时，试样主要为纤维受力，界面对其影响较小。

3 结论

(1)本文根据复合材料缠绕成型制件在制备及使用过程中可能存在的层间开裂、加工损伤及局部碰伤3种损伤形式，进行工艺设计及修补试验，修复后的筒体的表观接近原有水平，工艺操作较为方便，可为后续其它复合材料修补提供了方案。

(2)在试验件模拟修补的基础上，完成打尾螺套孔、攻丝、尾螺套粘结等后续工序。经力学性能检测及相关人员鉴定认为：采用上述修补方案修补的试验件，尾端面均匀密实，而且具有与筒体其它部位相当的机械强度，修补后的筒体满足验收技术条件中对筒体仪器舱部位的强度要求。