CN115091793A - 一种复合材料快速修理飞机结构损伤的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及飞机结构损伤修理技术领域，具体为一种复合材料快速修理飞机结构损伤的方法，具体步骤如下：根据待修理区域的结构信息和裂纹尺寸，利用剩余刚度匹配修理原则指导补片厚度和铺层角度的设计；根据飞机结构的材料类型，选择对应的处理方式进行表面处理；将干纤维布按照设计的铺层角度和层数铺放在待修理区域内；干纤维布铺放完成后，在干纤维布上逐层铺放透光的脱模介质和具有一定透光性的导流网。本发明解决了传统湿法胶接修理周期长、质量一致性差以及传统热固化固化时间长、补片内部易产生热应力的缺点，适用于多种材料、多种损伤形式、复杂结构件的修理，通用性强且操作简便。
Description
技术领域
本发明涉及飞机结构损伤修理技术领域，具体为一种复合材料快速修理飞机结构损伤的方法。
背景技术
复合材料胶接修理因具有增重小、无需对修理结构开孔、耐疲劳性能好等优点被应用在飞机结构损伤修理中。但传统的复合材料胶接修理周期长、效率低，无法满足外场抢修需求。一方面由于修理结构的复杂性和修理区域的限制，采用预固化补片胶接修理存在加工困难且难以完全贴合机体结构的缺点。而复合材料湿法修理可更好贴敷原结构，但湿法铺贴需提前浸润纤维织物，浸渍树脂后的纤维布容易发生变形，导致操作困难，施工时间较长。并且传统的湿法修理补片含胶量难以控制，修理质量易受维修人员的影响。另一方面传统的热固化方式固化速度慢、周期长、并且补片易产生较大的热应力。真空辅助树脂灌注成型工艺(VARI)通过真空压力使树脂流动并浸润预先铺放的干纤维材料。相较于传统的湿法修理，干纤维铺放操作更简单方便，同时能够控制补片含胶量。紫外光固化与传统的热固化相比，具有室温即可固化、固化周期短、节能、无污染等优点。
中国专利CN112026201A公开了“一种基于VARI工艺的复合材料快速修理金属裂纹损伤的方法”，但是该方法仍需利用电热毯进行加热固化，修理时间较长，无法满足外场抢修需求；
中国专利CN104371488A公开了“一种紫外光固化复合材料快速粘接修理方法”，以具有快速自蔓延固化特点的紫外光固化树脂为基体，混合纤维后制备得到复合材料修理补片。但该方法仍需提前浸润纤维织物，然后将浸渍后的纤维布按照规定的铺层角度进行铺叠，修理操作时间长，也无法满足外场抢修需求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种复合材料快速修理飞机结构损伤的方法。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种复合材料快速修理飞机结构损伤的方法，具体步骤如下：
(一)根据待修理区域的结构信息和裂纹尺寸，利用剩余刚度匹配修理原则指导补片厚度和铺层角度的设计；
(二)根据飞机结构的材料类型，选择对应的处理方式进行表面处理；
(三)将干纤维布按照设计的铺层角度和层数铺放在待修理结构上待修理区域内；
(四)干纤维布铺放完成后，在干纤维布上逐层铺放透光的脱模介质和具有一定透光性的导流网；
(五)在干纤维布的四周粘贴密封胶条，在出胶口和注胶口处对应固定连通出胶导管、注胶导管，导管上装有调节阀门，出胶导管连通有树脂收集器，树脂收集器通过真空管连通有真空泵，真空泵处于关闭状态；
(六)将透光的真空袋膜铺覆在纤维织物上，四周通过密封胶条密封，制作真空袋，在真空袋上方设置紫外光源；
(七)打开步骤(五)中的调节阀门和真空泵，观察树脂收集器上的真空度表，检验真空袋的气密性；
(八)根据待修理结构上待修理区域的树脂用量，配制紫外光固化树脂基体，光敏树脂配制完成后需在盛放光敏树脂的容器口处铺盖一层避光膜，防止灌注过程中因自然光照射，导致光敏树脂提前发生固化；
(九)在真空袋上覆盖一层避光膜，防止灌注过程中因自然光照射，导致光敏树脂提前发生固化；
(十)将注胶导管插入光敏树脂中，并打开调节阀门；
(十一)打开出胶导管的阀门和真空泵，进行树脂灌注，当光敏树脂流至出胶口处时关闭注胶导管处的阀门，停止灌胶；
(十二)去除真空袋上的避光膜，并在注胶导管和出胶导管上铺覆一层避光膜，防止管内光敏树脂发生固化；
(十三)打开紫外光源对修理区域进行固化，完成固化后，去除真空袋及补片上的所有材料；
(十四)按照修理要求对补片进行打磨处理，并检查修理质量。
优选地，步骤(二)中若待修理结构为金属结构，则先去除损伤表面漆层和阳极化层，再用砂纸打磨或喷砂的方式对修理表面进行处理，之后用丙酮清洁胶接表面，待丙酮完全挥发后再进行胶接修理。
优选地，步骤(二)中若待修理结构为复合材料结构，则先去除损伤表面漆层和喷铝层，再用砂纸打磨或喷砂的方式对修理表面进行处理，之后用丙酮清洁胶接表面，待丙酮完全挥发后再进行胶接修理。
优选地，步骤(三)中干纤维布表面喷涂有定性剂。
优选地，步骤(三)中干纤维布为维玻璃纤维布。
优选地，步骤(三)中干纤维布为碳纤维布，且在碳纤维布与补片接触面之间铺设一层玻璃纤维。
优选地，若干纤维布为碳纤维布时，步骤(八)中的树脂基体采用具有自蔓延特性的光固化树脂体系作为基体，通过热引发固化和光引发固化两种固化方式进行固化。
优选地，步骤(七)中若气密性不好则再次对真空袋进行密封，直至真空袋气密性达到要求，要求真空度不低于95％。
优选地，步骤(八)中树脂基体包括环氧树脂、引发剂、活性稀释剂。
优选地，环氧树脂为缩水甘油醚类环氧树脂、缩水甘油酯类环氧树脂、缩水甘油胺类环氧树脂、脂环族环氧树脂中的一种或多种，引发剂为阳离子型光引发剂或自由基型光引发剂。
本发明的有益效果是：
本发明通过将VARI成型技术与紫外光固化成型技术相结合，解决了传统湿法胶接修理周期长、质量一致性差以及传统热固化固化时间长、补片内部易产生热应力的缺点，适用于多种材料、多种损伤形式、复杂结构件的修理，通用性强且操作简便。并且由于修理设备体积小、重量轻、携带方便，因此十分适合用于外场抢修。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1为本发明的修理示意图。
图中：1、紫外光源；2、真空袋；3、导流网；4、脱模介质；5、干纤维布；6、待修理结构；7、出胶导管；8、注胶导管；9、树脂收集器；10、真空管；11、真空泵；12、光敏树脂。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图以及实施例对本发明进一步阐述。
如图1所示，一种复合材料快速修理飞机结构损伤的方法，具体步骤如下：
(一)根据待修理区域的结构信息和裂纹尺寸，利用剩余刚度匹配修理原则指导补片厚度和铺层角度的设计。
剩余刚度匹配修理原则的公式为：EJ×TJ×a＝EB×TB×L
其中：EJ、TJ为待修理结构材料的弹性模量与基材厚度；EB、TB为修补材料的弹性模量与修补厚度；a、L分别为结构裂纹长度和修补材料宽度。
(二)根据飞机结构的材料类型，选择对应的处理方式进行表面处理。
若待修理结构6为金属结构，则先去除损伤表面漆层和阳极化层，再用砂纸打磨或喷砂的方式对修理表面进行处理，之后用丙酮清洁胶接表面，待丙酮完全挥发后再进行胶接修理。
若待修理结构6为复合材料结构，则先去除损伤表面漆层和喷铝层，再用砂纸打磨或喷砂的方式对修理表面进行处理，之后用丙酮清洁胶接表面，待丙酮完全挥发后再进行胶接修理。
(三)将干纤维布5按照设计的铺层角度和层数铺放在待修理区域内。
由于玻璃纤维具有较好的透光性，因此光固化成型工艺中的增强材料多为玻璃纤维。但是近年来已有许多碳纤维光固化技术的报道和研究，因此步骤(三)中的干纤维布5可根据修理要求选择玻璃纤维布或者碳纤维布。当干纤维布5为碳纤维布时，为了防止碳纤维布与待修理的金属结构之间发生电位腐蚀现象，需要在补片底面即与金属结构接触的一面铺一层玻璃纤维。
此外，为防止在树脂灌注过程中干纤维布之间发生移动，可使用定性剂对纤维布表面进行喷涂，减小纤维布间的错动。
(四)干纤维布5铺放完成后，在干纤维布5上逐层铺放透光的脱模介质4和具有一定透光性的导流网3。
位于纤维布上的辅助材料都可能影响紫外线的穿透，从而影响树脂的固化，因此脱模介质和导流材料应具有较高的透光率。
(五)在干纤维布5的四周粘贴密封胶条，在出胶口和注胶口处对应固定连通出胶导管7、注胶导管8，导管上装有调节阀门，出胶导管7连通有树脂收集器9，树脂收集器9通过真空管10连通有真空泵11，真空泵11处于关闭状态。
出胶导管7、注胶导管8不能搭接在纤维织物上，其次，为了使导管处的密封性达到要求，可用密封胶条缠绕导管，使其与真空袋膜紧密粘接。
(六)将透光的真空袋膜铺覆在纤维织物上，四周通过密封胶条密封，制作真空袋2，在真空袋2上方设置紫外光源1。此时待修理结构为刚性模，真空袋为软模。
(七)打开步骤(五)中的调节阀门和真空泵11，观察树脂收集器9上的真空度表，检验真空袋2的气密性；若气密性良好则关闭阀门和真空泵进行下一步，若气密性不好则再次对真空袋进行密封，直至真空袋气密性达到要求，为了使树脂能够顺利导出，且降低补片的孔隙率，真空度不能低于95％。若真空度未达到95％，需用压辊等辅助工具对真空袋进行压实。
(八)根据待修理结构6上待修理区域的树脂用量，配制紫外光固化树脂基体，光敏树脂12配制完成后需在盛放光敏树脂12的容器口处铺盖一层避光膜，防止灌注过程中因自然光照射，导致光敏树脂12提前发生固化。
所用树脂为缩水甘油醚类环氧树脂、缩水甘油酯类环氧树脂、缩水甘油胺类环氧树脂、脂环族环氧树脂中的一种或多种。引发剂可以为阳离子型光引发剂也可以为自由基型光引发剂。
25℃下树脂黏度不大于400mPa·s。
若采用的增强纤维为碳纤维这种不透光的材料时，需用具有自蔓延特性的光固化树脂体系作为基体，这样通过热引发固化和光引发固化两种固化方式才能使碳纤维复合材料发生固化。
(九)在真空袋2上覆盖一层避光膜，防止灌注过程中因自然光照射，导致光敏树脂12提前发生固化。
(十)将注胶导管8插入光敏树脂12中，并打开调节阀门。
(十一)打开出胶导管7的阀门和真空泵11，进行树脂灌注，当光敏树脂12流至出胶口处时关闭注胶导管8处的阀门，停止灌胶。
(十二)去除真空袋2上的避光膜，并在注胶导管8和出胶导管7上铺覆一层避光膜，防止管内光敏树脂12发生固化。
(十三)打开紫外光源1对修理区域进行固化，完成固化后，去除真空袋2及补片上的所有材料。紫外光源1具体为紫外灯，紫外灯的功率、紫外灯与修复表面之间的距离、辐照时间等工艺参数可以根据实际修理情况而定。
(十四)按照修理要求对补片进行打磨处理，并检查修理质量。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种复合材料快速修理飞机结构损伤的方法，其特征在于：具体步骤如下：
(一)根据待修理区域的结构信息和裂纹尺寸，利用剩余刚度匹配修理原则指导补片厚度和铺层角度的设计；
(二)根据飞机结构的材料类型，选择对应的处理方式进行表面处理；
(三)将干纤维布(5)按照设计的铺层角度和层数铺放在待修理区域内；
(四)干纤维布(5)铺放完成后，在干纤维布(5)上逐层铺放透光的脱模介质(4)和具有一定透光性的导流网(3)；
(五)在干纤维布(5)的四周粘贴密封胶条，在出胶口和注胶口处对应固定连通出胶导管(7)、注胶导管(8)，导管上装有调节阀门，出胶导管(7)连通有树脂收集器(9)，树脂收集器(9)通过真空管(10)连通有真空泵(11)，真空泵(11)处于关闭状态；
(六)将透光的真空袋膜铺覆在纤维织物上，四周通过密封胶条密封，制作真空袋(2)，在真空袋(2)上方设置紫外光源(1)；
(七)打开步骤(五)中的调节阀门和真空泵(11)，观察树脂收集器(9)上的真空度表，检验真空袋(2)的气密性；
(八)根据待修理结构(6)上待修理区域的树脂用量，配制紫外光固化树脂基体，光敏树脂(12)配制完成后需在盛放光敏树脂(12)的容器口处铺盖一层避光膜，防止灌注过程中因自然光照射，导致光敏树脂(12)提前发生固化；
(九)在真空袋(2)上覆盖一层避光膜，防止灌注过程中因自然光照射，导致光敏树脂(12)提前发生固化；
(十)将注胶导管(8)插入光敏树脂(12)中，并打开调节阀门；
(十一)打开出胶导管(7)的阀门和真空泵(11)，进行树脂灌注，当光敏树脂(12)流至出胶口处时关闭注胶导管(8)处的阀门，停止灌胶；
(十二)去除真空袋(2)上的避光膜，并在注胶导管(8)和出胶导管(7)上铺覆一层避光膜，防止管内光敏树脂(12)发生固化；
(十三)打开紫外光源(1)对修理区域进行固化，完成固化后，去除真空袋(2)及补片上的所有材料；
(十四)按照修理要求对补片进行打磨处理，并检查修理质量。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料快速修理飞机结构损伤的方法，其特征在于：步骤(二)中若待修理结构(6)为金属结构，则先去除损伤表面漆层和阳极化层，再用砂纸打磨或喷砂的方式对修理表面进行处理，之后用丙酮清洁胶接表面，待丙酮完全挥发后再进行胶接修理。
3.根据权利要求1所述的一种复合材料快速修理飞机结构损伤的方法，其特征在于：步骤(二)中若待修理结构(6)为复合材料结构，则先去除损伤表面漆层和喷铝层，再用砂纸打磨或喷砂的方式对修理表面进行处理，之后用丙酮清洁胶接表面，待丙酮完全挥发后再进行胶接修理。
4.根据权利要求1所述的一种复合材料快速修理飞机结构损伤的方法，其特征在于：步骤(三)中干纤维布(5)表面喷涂有定性剂。
5.根据权利要求1所述的一种复合材料快速修理飞机结构损伤的方法，其特征在于：步骤(三)中干纤维布(5)为维玻璃纤维布。
6.根据权利要求1所述的一种复合材料快速修理飞机结构损伤的方法，其特征在于：步骤(三)中干纤维布(5)为碳纤维布，且在碳纤维布与补片接触面之间铺设一层玻璃纤维。
7.根据权利要求6所述的一种复合材料快速修理飞机结构损伤的方法，其特征在于：若干纤维布(5)为碳纤维布时，步骤(八)中的树脂基体采用具有自蔓延特性的光固化树脂体系作为基体，通过热引发固化和光引发固化两种固化方式进行固化。
8.根据权利要求1所述的一种复合材料快速修理飞机结构损伤的方法，其特征在于：步骤(七)中若气密性不好则再次对真空袋(2)进行密封，直至真空袋气密性达到要求，要求真空度不低于95％。
9.根据权利要求1所述的一种复合材料快速修理飞机结构损伤的方法，其特征在于：步骤(八)中树脂基体包括环氧树脂、引发剂、活性稀释剂。
10.根据权利要求9所述的一种复合材料快速修理飞机结构损伤的方法，其特征在于：环氧树脂为缩水甘油醚类环氧树脂、缩水甘油酯类环氧树脂、缩水甘油胺类环氧树脂、脂环族环氧树脂中的一种或多种，引发剂为阳离子型光引发剂或自由基型光引发剂。
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