1　引言复合材料具有比强度、比模量高,可设计性强,良好的抗疲劳、抗腐蚀性能和尺寸稳定性,在航空航天领域有广泛的应用。飞机在服役期间受损是难免的,需要适当的修补。20世纪70年代以来,澳大利亚皇家空军航空研究实验室和美国海军研究实验室发展了一种新的结构修补技术,即采用复合材料补片对飞机受损的金属结构进行胶接修补,已成功地应用于一些军用和民用飞机的金属和复合材料结构。2　复合材料补片胶接修补的优越性作为一种新的结构修补技术,与传统的机械修补方法(铆接、焊接、螺接)相比,复合材料胶接修补具有明显的优点。(1)复合材料比强度、比模量高,其补片厚度约为铝合金补片的1/3～1/2,就能达到同样的修补效果,因此胶接修补后的结构增重小。(2)复合材料可设计性强,可根据使用要求和受力状况进行材料的铺层设计。(3)复合材料有多种成形工艺,便于大面积整体成形,制成大型结构件和表面形状复杂的零部件,可采用胶接共固化工艺进行原位修补。对复杂曲面,复合材料补片修补比传统的机械修补更容易实施,而且修补后补片与母体粘合紧密,基本保持原有结构外形,容易满足复杂的空气动力学要求。(4)复合材料补片胶接修补能提高损伤区的刚度、静强度,减小裂纹尖端应力强度因子,贴补胶接修补不需要对原结构开孔,不会形成新的应力集中源,有利于提高结构的损伤容限和抗疲劳性能[1]。(5)修补时间短、成本低。(6)外场修补所需设备简单,主要有修补工具包、修补仪和便携式ＮＤＴ设备等。3　复合材料补片胶接修补的关键技术针对复合材料补片胶接修补而言,胶粘剂的选择、补片材料与被修金属构件的匹配性、被修补结构的表面处理和修补固化工艺及施工工艺保障等是关键技术。3.1　胶粘剂的选择　　胶粘剂是实现补片止裂作用的中间媒介,因此对胶粘剂的选择至关重要。应根据修补结构的实际承力水平和使用环境选择既具有良好的抗疲劳性能,又具有较高的剪切、剥离强度,良好的耐介质和耐湿热老化性能的胶粘剂。复合材料胶接修补所用的胶粘剂主要有两大类:一类是双组分胶粘剂,主要用于复合材料结构的室温固化修补(少数双组分胶粘剂可用于热胶接固化修补);另一类是膜状胶粘剂(胶膜),用于热胶接固化修补。国外在复合材料补片胶接修补中采用的胶粘剂多属于环氧体系,如ＦＭ—73、ＦＭ○Ｒ300—2、ＡＦ—126等。这类胶粘剂具有很高的韧性和剪切强度,较高的剥离强度,一般在100℃～120℃固化,属于中温固化体系。国内类似的胶粘剂有Ｊ—88、Ｊ—47和Ｊ—159等。3.2　复合材料补片与被修金属构件的匹配性复合材料补片应在尽量低的温度下固化,并能与胶粘剂的固化温度一致;补片热膨胀系数应与母体材料的相匹配。国外大多采用硼/环氧复合材料补片对损伤金属结构进行胶接修补。因为硼/环氧复合材料强度、弹性模量高,热膨胀系数相对较高,与金属材料的热匹配性能好,有利于降低胶接修补结构中的残余热应力,导电性低,便于使用涡流无损检测,与金属接触后,电化学腐蚀性能较碳/环氧复合材料好。但硼纤维成本较高,加工较困难,国内多采用碳/环氧补片及玻璃/环氧补片,价格相对便宜。碳/环氧复合材料在航空工业中应用较广,易于操作,可制成曲率半径较大的零部件,适合于复杂结构的修补,但其强度和刚度不如硼/环氧复合材料与金属接触易发生电化学腐蚀3.3　被修补结构的表面处理被修补结构的表面处理是指胶接之前,通过机械方法除去结构表面影响结合力的氧化层、污染物增加机械结合面;或通过化学方法在结构表面有控制地沉积一层均匀的特种氧化物或在胶接面形成化学键,使经过处理的结构表面具有高的表面能,从而获得较高的胶接强度和耐久性。常用的净化表面的方法有溶剂清洗、蒸气脱脂等。常用的化学处理方法有无槽化学氧化及涂硅烷偶联剂等。无槽化学氧化的方法在外场实施时会受缝隙、裂纹损伤等结构形式的限制,易产生二次污染,故不宜在外场使用。目前常用的简单表面处理方法是表面机械打磨后涂硅烷偶联剂。3.4　修补固化工艺及施工工艺保障修补固化的主要控制因素是压力、温度和时间。由于被修补部位与周围机体结构组成了一个复杂的热导体,而且结构形式多样,因此,需通过专用修补设备(如热补仪)、配套材料以及特配工具对修补区提供连续的温度和压力保障。4　复合材料补片胶接修补的设计分析4.1　胶接修补的耐久性原则对胶接修补的设计应考虑耐久性原则。(1)控制设计应力水平。通过强度设计的应力计算来选择补片的几何参数,至少保证胶接结构中补片所受的应力水平与原结构损伤部位一致,而且补片分担的载荷不超过胶粘剂的承载能力。(2)避免或减小偏心。单面胶接易使胶接修补的结构产生偏心,于外力的作用下,在胶层中产生垂直于胶接面的拉伸应力,使应力峰值超过名义应力,降低被修补结构的承载能力。(3)降低应力集中。补片边缘的刚度变化应平缓,避免边缘结构刚度突变而在胶层中产生应力集中,导致该部位胶层提前破坏。(4)合理布置补片。为保证修补效率,可在修补中采用单向纤维层板,在受载复杂部位可根据需要适当增加90°和±45°铺层。(5)修补后采取适当的防护措施。因为湿热、腐蚀介质、紫外线照射等环境会加速胶粘剂与补片的老化,降低胶粘能力。(6)控制胶接质量。利用复合材料补片对损伤结构的胶接修补应严格遵循有关工艺规程来进行。4.2　胶接修补的主要参数通过对补片尺寸、铺层及外形等细节的设计,使被修补结构在载荷、环境等因素的综合作用下具有良好的使用功能和较长的使用寿命。从设计角度而言,胶接修补的参数主要包括补片的形状、尺寸和铺层。4.2.1　补片的形状确定补片的形状时,考虑损伤结构的具体特点,并注意补片的形状不能太特殊。修补中心带裂纹的金属板,补片的最佳形状是设计成歪斜的(对称的四尖叶形或腰鼓形),注意确保板内应力不超过许用应力;矩形的补片次之,但比椭圆形、圆形和正方形的更有效,垂直于裂纹方向的最佳长度等于裂纹的长度,平行于裂纹方向的长度等于板长的最有效;椭圆的补片次于歪斜的和矩形的,椭圆的长轴平行于裂纹的比垂直于裂纹的更有效,长轴的最佳长度等于母板宽度,短轴(垂直于裂纹方向)的最佳长度等于裂纹的长度。对相同体积的补片而言,增加厚度与增加面积相比,前者可使应力强度因子多下降18%[6]。补片边缘应设计成具有一定锥度的楔形,锥度比为30∶1至20∶1时,就能避免边缘结构刚度突变而在胶层中产生的应力集中。而ＭａｒｙＡ.Ｍａｈｌｅｒ[7]认为锥度比为16∶1时,粘接强度较高;应力分析表明,在某些区域,锥度比为10∶1时,也能提供足够高的粘接强度。修补结构承载较小的区域,即使存在稍高一点的应力/应变集中,也仍在安全范围之内。为避免剪应力,尤其在补片的0°方向,将其末端切成锯齿形就能减小剪应力,并大大提高修补的粘接强度。