熱固性樹脂基復(fù)合材料損傷修復(fù)方法板結(jié)構(gòu)

II熱固性樹脂基復(fù)合材料損傷通用修復(fù)方法板結(jié)構(gòu)范圍本文件描述了熱固性樹脂基復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)在成型、加工裝配和使用過程中常見的缺陷和損傷類型，提供了基于不同損傷類型的具體修復(fù)方法，并對修復(fù)過程中用到的材料、工具、設(shè)備、檢驗方法、環(huán)境要求、人員資質(zhì)和安全防護等作了規(guī)定。本文件適用于熱固性樹脂基復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)的修復(fù)作業(yè)。規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T11605—2016溫度測量方法GB/T18204.1—2013公共場所衛(wèi)生檢驗方法第1部分：物理因素GB/T22314—2008塑料環(huán)氧樹脂黏度測定方法GB/T28461—2012碳纖維預(yù)浸料GB/T38537—2020

纖維增強樹脂基復(fù)合材料超聲檢測方法C掃描法HB/Z409—2013樹脂基復(fù)合材料制件機械加工工藝HB/Z410—2013樹脂基復(fù)合材料制件修補工藝術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。

表面損傷surfacedamage復(fù)合材料層合板劃傷、劃痕、裂痕、淺層裂口、凹痕等，多位于樹脂表面，未擴展到層合板纖維部位。

邊緣分層edgedelamination復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)周邊產(chǎn)生的分層。

鋪層分層plydelamination復(fù)合材料層合板鋪層內(nèi)部分離導(dǎo)致的分層。

沖擊損傷impactdamage復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)由外力沖擊產(chǎn)生的損傷。

填充修復(fù)法fillerrepairmethod將修補膩子或者樹脂/短切纖維混合物填充到損傷區(qū)域，以恢復(fù)結(jié)構(gòu)完整性的一種修復(fù)方法，通常用于表面非結(jié)構(gòu)損傷的修復(fù)。

注射修復(fù)法injectionrepairmethod在缺陷位置注射環(huán)氧樹脂，實現(xiàn)復(fù)合材料層間界面連接的修復(fù)方法，適用于沖擊所致層間分離的修復(fù)。

膠接修復(fù)法gluedrepairmethod通過修補材料的化學(xué)反應(yīng)將其與原零件牢固連接在一起，是最理想的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修復(fù)方法。

機械連接修復(fù)法mechanicalconnectionrepairmethod多采用螺栓或鉚釘將金屬補板固定在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上，一般用于樹脂不能正常固化或者修復(fù)時間要求非常短的情況。常用修復(fù)方法熱固性樹脂基復(fù)合材料通常包括聚酯樹脂、乙烯基樹脂、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂增強的玻璃纖維復(fù)合材料以及碳纖維復(fù)合材料。本文件以熱固性環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的維修作為示例說明。樹脂基復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)常見的缺陷和損傷類型見附錄A。常用修復(fù)方法主要有填充修復(fù)法、注射修復(fù)法、膠接修復(fù)法和機械連接修復(fù)法四種。不同修復(fù)方法的適用條件如表1所示。表1修復(fù)方法分類及適用范圍序號修復(fù)方法適用范圍1填充修復(fù)法用于修復(fù)非結(jié)構(gòu)性損傷，如表面劃傷、邊緣分層等。2注射修復(fù)法用于修復(fù)復(fù)合材料板的小區(qū)域分層，如鋪層分層等。3膠接修復(fù)法用于修復(fù)復(fù)合材料層合板缺陷何損傷，如鋪層損傷、鼓包、沖擊損傷等。4機械連接修復(fù)法用于抑制承受大載荷的復(fù)合材料厚層壓板臨時性分層、臨時性修復(fù)穿透型損傷等。一般修復(fù)流程復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)缺陷和損傷的一般修復(fù)流程見圖1。圖1熱固性樹脂基復(fù)合材料一般修復(fù)流程修復(fù)前的準備材料、工具、設(shè)備檢驗常用修復(fù)材料見表2，在執(zhí)行修復(fù)操作前，檢查確認表2中材料齊全，并在使用有效期內(nèi)；修復(fù)過程中需使用的工具和設(shè)備見表3，在修復(fù)操作前應(yīng)檢查確認表3中工具齊全，功能正常。表2常用修復(fù)材料序號名稱規(guī)格適用方法1樹脂膩子聚酯或環(huán)氧膩子填充修復(fù)2T700級碳纖維絲12K填充修復(fù)3快速固化樹脂本體樹脂，固化劑，黏度（150～300）mpa·sa填充修復(fù)/注射修復(fù)4補板鈦合金/304不銹鋼機械連接修復(fù)5鉚釘/螺釘不銹鋼抽芯鉚釘/六角頭螺栓機械連接修復(fù)6T700級碳纖預(yù)浸料b200g/m2,樹脂含量36%-40%膠接修復(fù)7脫模布聚酯或聚四氟乙烯，（150～200）g/m2膠接修復(fù)8隔離膜耐溫200℃膠接修復(fù)9透氣氈聚酯，（150～200）g/m2膠接修復(fù)10真空袋膜尼龍6膠接修復(fù)11密封膠條橡膠，耐溫200℃膠接修復(fù)a樹脂黏度測定按GB/T22314—2008執(zhí)行；b碳纖維預(yù)浸料的儲存及運輸?shù)劝碐B/T28461—2012執(zhí)行。

表3常用修復(fù)工具、設(shè)備序號名稱規(guī)格適用方法1熱補儀Heatcon單通道或雙通道膠接修復(fù)2氣動鏤銑機最大功率不低于350W，轉(zhuǎn)速不低于20000轉(zhuǎn)/分，轉(zhuǎn)速可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍（5000～20000）轉(zhuǎn)/分，適合不同工況要求的打磨普遍適用3微型合金切割片?20、?30、?40、?50普遍適用4微型錐形打磨頭?8普遍適用5開孔器?10、?20、?30普遍適用6直尺20cm（±1mm）普遍適用7真空泵HCS2055-04膠接修復(fù)8刮板塑料填充膠接修復(fù)9鉆頭6.4mm×10.16cm普遍適用10鉚槍匹配對應(yīng)鉚釘機械連接修復(fù)法11鉚釘?=6.4mm機械連接修復(fù)法12注射器/針頭普通注射修復(fù)13酒精工業(yè)級普遍適用14抹布棉質(zhì)，不掉毛普遍適用15熱風槍功率2kW普遍適用16溫濕度計電子數(shù)顯，±1°普遍適用注：普遍適用指對第4章所述4種修復(fù)方法均通用。工作環(huán)境車間修復(fù)工作環(huán)境要求：工作環(huán)境應(yīng)整潔、通風，使用溫濕度計測量現(xiàn)場溫度、濕度；溫度應(yīng)在15℃～30℃內(nèi)，相對濕度30％～75％。室外修復(fù)工作環(huán)境要求：修復(fù)區(qū)域避免接觸可見灰塵、避免雨水低落；溫度應(yīng)在15℃～40℃內(nèi)，相對濕度不應(yīng)大于80％。機械加工產(chǎn)生的粉塵應(yīng)通過吸塵器處理，不得污染周圍環(huán)境。溫度按GB/T18204.1—2013規(guī)定的方法測量。濕度按GB/T11605—2016規(guī)定的溫度測量方法測量。人員及防護操作人員應(yīng)經(jīng)過專業(yè)的復(fù)合材料維修培訓(xùn)，通過考核后方可承擔復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)的損傷修復(fù)作業(yè)。修復(fù)過程中應(yīng)穿戴工作服、手套、口罩及護目鏡，做好安全防護，并做好記錄。檢驗、損傷定級按GB/T38537—2020確定具體的損傷尺寸，根據(jù)技術(shù)圖紙、供貨技術(shù)協(xié)議、質(zhì)量檢查文件查找損傷類型和等級，再按對應(yīng)的修復(fù)方法進行維修操作。按HB/Z409—2013進行目視檢測。按HB/Z410—2013要求檢查鋪層材料尺寸公差和鋪層方向。修復(fù)工藝要求填充修復(fù)法適用條件填充修復(fù)法通常用于非結(jié)構(gòu)性損傷，如表面損傷、刮痕、鑿痕、刻痕等。填充修復(fù)法根據(jù)填補物不同又分為樹脂（膩子）填充修復(fù)法和樹脂短切纖維填充修復(fù)法兩種。膩子填充修復(fù)操作要求膩子填充修復(fù)法用于復(fù)合材料的表面缺陷修復(fù)，如圖2所示。標引序號說明：1——復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)；2——膩子。圖2膩子填充修復(fù)法修復(fù)過程要求如下：待修復(fù)表面需保持干燥，使用酒精將修復(fù)表面清理干凈，去除表面油污、液態(tài)樹脂等污染物；使用60目～240目砂紙對表面進行打磨，去除表面異物，提高界面粗糙度；使用毛刷將表面粉塵及異物清理干凈，再次使用干凈抹布蘸取酒精清理表面；待酒精揮發(fā)干凈后，使用修補膩子將缺陷抹平；待膩子固化后，打磨噴漆處理。為保證膩子快速固化，可以使用熱風槍加速固化，但應(yīng)滿足膩子的使用要求。短切纖維填充修復(fù)操作要求短切纖維填充修復(fù)法為一種混合物填充法，用于板結(jié)構(gòu)表面或者孔的損傷，使用樹脂與短切纖維的混合物代替膩子。修復(fù)過程要求如下：損傷材料去除：依據(jù)實際損傷區(qū)域最大直線尺寸制作圓形孔洞，利用開孔器去除損傷區(qū)域材料，開孔器規(guī)格選取大于等于損傷區(qū)域最大直線尺寸的最小規(guī)格，孔洞制作完成后使用毛刷將磨屑清理干凈，并用酒精擦拭孔洞樹脂，預(yù)制圓形孔洞如圖3所示。圖3預(yù)制圓形孔洞短切纖維準備：按照圓形孔洞直徑尺寸將T700級碳纖維原絲剪切成短切纖維，短切纖維長度與圓形孔洞直徑尺寸誤差±3mm。環(huán)氧樹脂/纖維修補材料準備：按比例要求將短切纖維與快速固化樹脂混合，充分攪拌，保證短切纖維與樹脂充分浸潤，然后加入固化劑，嚴格按照固化劑與樹脂重量比進行配制，快速攪拌均勻成棉絮狀，如圖3a）所示，擇取適量短切纖維膩子填補孔洞，如圖3b）所示，填補缺陷的短切纖維膩子應(yīng)高出修補位置線型平面，如圖4c）所示。a）b）c）圖4短切纖維填充示意真空環(huán)境準備：修復(fù)位置兩側(cè)由內(nèi)向外逐層鋪覆脫模布、隔離膜、透氣氈，再把真空吸頭放置在延伸出修復(fù)區(qū)域的透氣氈上，如圖5a）、圖5b）所示，利用與修補位置線型一致的壓板工裝從層合板兩側(cè)將圓形孔洞中填補的短切纖維樹脂壓實，然后將加熱片放置在修復(fù)位置壓板上，并將熱電偶探頭放置在加熱片和壓板之間，如圖5c）所示，單層袋膜密封，如圖5d）所示。a）b）c）d）圖5真空環(huán)境準備示意修復(fù)材料固化：利用熱補儀加熱，將真空管連接頭扎破袋膜與真空吸頭連接，開啟真空泵，保持真空度不大于-0.08MPa直至修復(fù)材料固化，設(shè)置加熱程序，并記錄固化參數(shù)。圖6提供了一個修復(fù)過程的控制程序示意。圖6樹脂固化曲線f)修復(fù)區(qū)域樹脂打磨、噴漆：將修復(fù)區(qū)域樹脂打磨平滑，用毛刷將磨屑清理干凈，并用酒精擦拭清理，然后噴涂面漆，完成修復(fù)過程。注射修復(fù)法適用條件注射修復(fù)是一種在缺陷位置注射環(huán)氧樹脂材料，實現(xiàn)復(fù)合材料層間界面連接的修復(fù)方法，如圖7a）、7b）所示。通常用于復(fù)合材料層壓板中明顯可見的分層、脫粘或結(jié)構(gòu)連接處的空隙。a）內(nèi)部分層注射修復(fù)示意b）邊緣分層注射修復(fù)示意標引序號說明：1——復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)；2——分層缺陷；3——樹脂通道；4——樹脂注射器。圖7注射修復(fù)示意圖注射修復(fù)操作要求注射修復(fù)法修復(fù)過程要求如下：采用無損檢測技術(shù)，確定脫膠或分層位置和深度；對于內(nèi)部分層，在缺陷附近鉆注射孔和瀉出孔，孔的數(shù)量及位置需根據(jù)實際缺陷位置及尺寸確定，要求孔的深度需到達缺陷位置，但不可過深；對于邊緣分層缺陷無需鉆瀉出孔；使用熱風槍或其他裝置將缺陷位置加熱至40℃～60℃，排出內(nèi)部濕氣，并提高樹脂流動性；對于內(nèi)部分層使用壓力槍向分層區(qū)注射修復(fù)樹脂，直至從瀉出孔溢出樹脂；對于邊緣分層，注膠同時，建議使用夾具加緊板材，加快注膠速度；注膠完成后在室溫下固化；打磨表面，噴漆涂裝。膠接修復(fù)法適用條件膠接修復(fù)采用的材料體系需與原產(chǎn)品設(shè)計要求一致，如出現(xiàn)不一致的情況，需要有材料相容性驗證及相關(guān)強度試驗。鋪層順序和方向需嚴格執(zhí)行圖紙技術(shù)或修復(fù)手冊要求執(zhí)行。膠接修復(fù)操作要求膠接修復(fù)過程要求如下：損傷材料去除：以實際損傷區(qū)域最大直線尺寸為長邊制作圓/矩形孔洞（首先圓形打磨方式，若遇曲面變化較大情況，經(jīng)設(shè)計確認后可制作矩形孔洞，本文以矩形孔洞為例進行說明），利用微型切割片去除損傷區(qū)域材料，矩形孔洞應(yīng)保證將損傷區(qū)域完全去除，如圖8所示。圖8預(yù)制矩形孔洞和修補斜面制作修復(fù)斜面：使用角磨機從孔洞的邊界向外輻射打磨出斜面，斜率k通常在1:10-1:30（k=h/l），?代表打磨直徑或矩形邊長，根據(jù)實際缺陷大小確定，打磨斜面如圖9所示；斜面制作完成后使用毛刷將磨屑清理干凈，并用酒精擦拭修復(fù)區(qū)域。標引序號說明：1——復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)。h——打磨深度；l——打磨斜面在水平方向投影長度；?——打磨直徑或邊長。圖9斜面示意圖預(yù)浸料貼片修補缺陷：以矩形孔洞尺寸作為預(yù)浸料貼片的最小尺寸，每兩層預(yù)浸料增大一次尺寸（根據(jù)矩形孔洞實際尺寸酌情增大，每次貼片邊長增加10mm～20mm），最外層貼片應(yīng)比打磨區(qū)域邊界每邊長60mm，如圖10所示，貼片鋪層材料及鋪層方式應(yīng)盡量與原結(jié)構(gòu)保持一致。圖10預(yù)浸料貼片修補示意真空環(huán)境準備：根據(jù)7.1.3d）流程要求制備真空環(huán)境，如圖11所示。a）b）c）d）圖11真空環(huán)境準備示意預(yù)浸料固化：利用熱補儀加熱，將真空管連接頭扎破袋膜與真空吸頭連接，開啟真空泵，保持真空度不大于-0.08MPa直至修復(fù)材料固化，按材料固化參數(shù)設(shè)置加熱程序。圖12、圖13給出了一個修復(fù)案例中的管路連接方式及固化程序示意。圖12真空管路連接示意圖13預(yù)浸料固化曲線修復(fù)區(qū)域樹脂打磨、噴漆：將修復(fù)區(qū)域樹脂打磨平滑，用毛刷將磨屑清理干凈，并用丙酮擦拭清理，然后噴涂面漆，完成修復(fù)過程。機械連接修復(fù)適用條件機械連接修復(fù)主要是針對濕度太大，樹脂出現(xiàn)無法固化的情況，且要求被連接面需要平整，不能有較大曲率。緊固件選擇選擇緊固件必須適合聚合物基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，除充分考慮緊固件的擠壓、抗腐蝕、強度及剛度等基本能力外，還要考慮層壓板在厚度方向上有足夠的拉脫強度，被連接的材料應(yīng)當在緊固件之前破壞。緊固件選擇要求如下：使用間隙配合，通過推拉的方式安裝；建議使用大直徑的緊固件以減小局部彎曲的影響；最小間距要求：端距大于3D、邊距大于2.5D、間距介于4D到8D之間（D為緊固件直徑）；碳纖維層板連接避免