冲击损伤下航空复合材料修复技术研究进展

度 和剪切 强度 的大 幅下 降 ［ ５ ． ６ ］ 。钝 器 的 冲击 可诱 发 肉眼不可 见 的亚表 面损 伤 ， 因此 ， 在 目视 检查 中难 以
识别 ［ ７ ， 。沈真等［ ９ ］ 通过研究层合板在冲击载荷下
的损 伤扩展 过程 ． 明确定 义 了 四种 损伤 状 态 ： 无 损 伤 状态 、 目视 不 可 见损 伤状 态 （ Ｂ Ｖ Ｉ Ｄ） 、 目视 可 见 损 伤 状态（ Ｖ Ｉ Ｄ） 和穿透 损伤 状态 。 １ ． １ ． １ 冲击 损伤 理论 研究
２ ０ １ ７年 第 ｌ ２期
玻 璃 钢 ／ 复 合 材 料
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冲 击 损伤 下航 空复 合材 料 修 复 技术 研 究进 展
王 长越 ．邢 素 丽
（ 国防科 学技 术大学航 天科 学与工程学院材料科学 与工程 系 ， 长沙 ４ １ ０ ０ ７ ３ ）
摘要 ：先进 复合 材料在航 空领域 的广泛应 用 ， 尤其是在主承 力结构 方面的应用 ， 对复合材料 维护 和修 理工作提 出了新 的、 更加 迫切的要 求。复合材料 结构具有各 向异性和 非均质性 的特 点 ， 对分层损 伤和层 间断裂十分敏 感 ， 此类损伤 会造 成复合材
复合材 料结 构 的各 向异性 和非 均质 性 使其 对 冲
使用量 １ ３ 益增多 ； ②逐渐向主承力结构过渡 ； ③复杂 曲面 的应用 增多 ； ④ 构件 向整体成 型、 共 固化 方 向
发展 【 。
击 极其 敏感 。复合材 料 结构 冲击 损伤 是 多损 伤耦 合 失 效模 式 ， 损 伤机 理 十分 复杂 ， 国内外 学 者 提 出 了不 同的损 伤机 理计算 模 型 。 目前 的模 型多 基 于 Ｈ ａ ｓ ｈ ｉ ｎ
失效准则考虑到了断裂面角度对基体损伤 的影响 ，
能够 确定 损伤 后 的断 裂 面 角度 ， 该 准则 对 大量 复 合 材 料 典 型 试 验 的 预 测 结 果 良好 …］ 。Ｍｏ ｕ ｒ ａ等 ［ ］ 采 用Ｈ ａ ｓ ｈ ｉ ｎ准 则 对低 速 冲击 下 的碳 ／ 环 氧 层合 板损 伤 进行 了理 论分 析 ， 预测 了基 体开 裂和 分 层损 伤 面积 。
失 效准 则和 Ｐ ｕ ｃ ｋ失 效 准 则 。 Ｈ ａ ｓ ｈ ｉ ｎ准 则 一 般用 于
复 合 材料 结构 在 制 造 、 服 役 和 维 护 过 程 中 不 可 避 免地 会 产生 缺 陷 或 损 伤 ， 因此 复 合 材 料 修 理 难 题
已受 到业 界 的广泛 关注 。 寻 求可 靠性 强 、 损 伤 的萌 生 ， 该 准 则 能够 区分 复 合 材 料 不 同 的 损 伤形 式 ， 但 无 法 解 释 横 向压 缩 对 剪 切 破 坏 的 抑 制 效应 ， 也 无法 确定 材料 的损 伤断 裂 面 角度 ［ １ ０ ］ 。Ｐ ｕ ｃ ｋ
１ 冲击损伤评估
１ ． １ 冲 击损 伤
航 空复 合材 料结 构 的持续 适航 取 决 于多 种 因素 （ 例 如分 层 、 脱胶 、 纤维断裂 ） 。服 役期 间 ， 结构 损伤 或 由制 造缺 陷 （ 例如空 隙、 弱 界 面结 合 ） 引起 ， 或 因 机 械载 荷 （ 例 如 冲击 ） 产生 ， 或 因环 境 条 件 （ 例 如 湿
板 的边界 条件 、 铺层 序列 等 因素对 冲击 损伤 的影 响 。
收稿 日期 ：２ ０ １ ７ — ０ ６ ． ０ ９ 作者简介 ：王长越 （ １ ９ ９ ２ ． ） ，男 ，硕士 ，主要从 事复合材料结 构设计 与成型工艺、复合材料修复方 面的研究 。 通讯作者 ：邢素丽 （ １ ９ ７ ６ 一 ） ，女 ，博士 ，教授 ，主要从事复合材料结构设计与成型工艺、复合材料修复方面的研究 ，ｘ ｉ ｎ ｇ ｓ ｕ ｌ ｉ ＠ｎ ｕ ｄ ｔ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ 。
屈天 骄 等 ［ １ ］ 运用 Ｈ ａ ｓ ｈ ｉ ｎ面 内 失 效 准 则 和 Ｂ — Ｋ 准
度、 温度 ） 导致 ］ 。其 中， 冲击损伤 （ 例如掉落 的工
具、 服役 期 间的碰 撞 、 飞鸟撞击 ） 往 往是 结 构 完 整 性 的致命 威 胁 ＿ ４ ］ 。
则． 研究材料体系 、 冲击能量 、 冲头形状 和直径 、 层合
能 的可设 计 性 ， 被广 泛应 用于 航 天航空 领 域 ， 成 为继
航空 复合 材料 结构 的冲击损 伤一 直 是该 领 域研
究 的重 、 难 点 。冲击 损 伤往往 导致 压 缩强 度 、 拉伸 强
钢、 铝、 钛 合 金之 后 的第 四大航 空结 构 材料 ］ 。在 民 用方 面 ， Ａ ３ ８ ０ 、 Ｂ ７ ８ ７ 、 Ａ ３ ５ ０ Ｘ ＷＢ型 民 用 客 机 的 复 合 材料 用 量 分 别 占机 体 结 构 重 量 的 ２ ５ ％、 ５ ０ ％、 ５ ２ ％： 在军 用 方 面 ， Ｆ 一 ２ ２飞 机 约 占 ２ ４ ％。 Ｂ ． ２飞 机 约 占 ３ ７ ％， 幻影 ． ２ ０ ０ ０约 占 ３ ０ ％。先进 复合 材料 在航 空 领 域 呈 现 以下发 展 趋 势 ： ① 复 合 材 料 在 航 空 结 构 上 的
料 结 构 强 度 和 性 能 的 大 幅 降低 ， 进 而 对航 空 飞 行 器 的 结 构 安 全 造 成 灾难 性 的 后 果 。 冲 击 载 荷 正 是 导 致 此 类 损 伤 的 最 大 威 胁 ．
因此 ， 对复合材 料结构的冲击损伤规律及其修 复技 术的研究成 为近年 来的热点和难 点。从冲击损 伤评估 、 无损 检测 和修 复技 术三方面综述 了 ３前 － 国 内外的主要研 究进展 ， ＂ 展 望 了冲击损伤下航空复合材料修复技 术的发展 前景。
关 键 词 ：航 空复 合 材 料 ： 冲 击 损 伤 ：复 合 材 料 修 复 技 术 中 图 分 类 号 ：Ｔ Ｂ ３ ３ ２ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ ０ ３ — ０ ９ ９ ９ （ ２ ０ １ ７ ） １ ２ ～ ０ ０ ９ １ — ０ ８
先进 复合 材 料 因 其 高 比强 度 、 高 比刚度 以及 性