航空航天新復(fù)合材料…

技術(shù)鄰公告

2020年8月5日 13:13

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文末可以免費領(lǐng)取西門子官方《航空航天及國防行業(yè)的復(fù)合材料趨勢》PDF文檔，以了解航空航天的復(fù)合材料新趨勢，同時了解回彈和制造規(guī)劃。

復(fù)合材料已在民用飛機的結(jié)構(gòu)上廣泛應(yīng)用。復(fù)合材料的最大優(yōu)點是耐腐蝕和對疲勞不敏感，以及可以有效的減輕飛機的重量。因此研究飛機復(fù)合材料維修具有較高的實際工程意義。

1 飛機復(fù)合材料

1.1應(yīng)用種類

飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)通常被稱為"纖維增強塑料"。這是因為它使用高強度的纖維增強材料，嵌入在一種樹脂基體里，以層或?qū)悠男问蒋B加起來，形成層板。然后使用一種精確控制的加壓加熱工藝把該層板固化為一種非常堅固和堅硬的結(jié)構(gòu)。

組成飛機復(fù)合材料的組元有纖維增強材料，基體和界面層。

纖維增強材料體是承載的組元，均勻地分布在基體中，并對基體起增強（韌）作用；

基體是起著連接纖維增強材料，使復(fù)合材料獲得一定的形狀，并保護纖維增強材料的作用；

界面層是包覆在增強體外面的涂層，其功能是傳力，同時防止基體對纖維增強材料的損傷，并調(diào)節(jié)基體與纖維增強材料之間的物理、化學(xué)結(jié)合狀態(tài)，確保纖維增強材料作用的發(fā)揮。

通過界面層產(chǎn)生的復(fù)合效應(yīng)，可以使復(fù)合材料超越原來各組元的性能，達到最大幅度改善強度或韌性的目的。飛機復(fù)合材料不但是多組元的材料，而且，材料的機械性能和物理性能隨方向而變化，也是各向異性的材料。

2 復(fù)合材料的損傷

2.1復(fù)合材料基體樹脂裂紋損傷

復(fù)合材料層合板在承受拉伸載荷或交變載荷時，我們首先能在偏軸層內(nèi)觀察到基體裂紋。最早出現(xiàn)裂紋的往往是90°鋪層，其后是其他偏軸層。一般說來，相對軸向載荷方向的角度越小，越不容易形成基體樹脂裂紋。偏軸層內(nèi)的基體樹脂裂紋是偏軸層內(nèi)的主要損傷形式。基體樹脂裂紋的起始依賴于該層內(nèi)的應(yīng)力水平。只要層內(nèi)的應(yīng)力水平達到了基體樹脂材料的破壞強度，或者雖應(yīng)力水平低于基體樹脂的破壞強度，但經(jīng)過足夠的載荷循環(huán)，偏軸層內(nèi)就會出現(xiàn)基體樹脂裂紋。偏軸層內(nèi)的基體樹脂裂紋損傷與鋪層順序有關(guān)。

例如，[0/90/ 45]s層合板90°鋪層中的裂紋比[0/ 45/90]s層合板90°鋪層中的裂紋多。所有偏軸層的裂紋加在一起，有60%～90%的裂紋產(chǎn)生在20%疲勞壽命以前。但是，出現(xiàn)大量的基體樹脂裂紋并不影響構(gòu)件應(yīng)用時的安全性，大量的靜力試驗和疲勞試驗都證明了復(fù)合材料具有獨特的"損傷-安全"特性。

2.2復(fù)合材料撞擊損傷

復(fù)合材料耐撞擊的性能較差。常會因受到外來物撞擊而產(chǎn)生損傷。當(dāng)撞擊能量低于某個水平時，雖然目視不能覺察到損傷，這種損傷可能導(dǎo)致強度顯著降低。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在使用過程中，可能會因受到撞擊而產(chǎn)生各式各樣的損傷，可分為硬物體撞擊和軟物體撞擊損傷。

硬物體的撞擊往往是引起復(fù)合材料的局部損傷，可能導(dǎo)致復(fù)合材料強度明顯下降，甚至在短時間的疲勞過程中發(fā)生疲勞破壞。飛機起飛和著陸滑跑時跑道上的石子以及空中飛行時遇到冰雹，都可能使復(fù)合材料構(gòu)件產(chǎn)生撞擊損傷；另外，在制造和維護過程中，不正確的維護行為，例如跌落工具的撞擊等也會使復(fù)合材料構(gòu)件產(chǎn)生撞擊損傷。

軟物體的撞擊主要是指飛鳥的撞擊。這種撞擊有時直接造成結(jié)構(gòu)破壞，有時只引起局部損傷。主要取決于撞擊物的質(zhì)量、材料、撞擊速度、幾何形狀和撞擊時的偏斜角度。

2.3復(fù)合材料層間分層損傷

在面內(nèi)軸向載荷作用下，沿著復(fù)合材料構(gòu)件邊緣會產(chǎn)生層間應(yīng)力或壓應(yīng)力（垂直層合板平面方向）。如果外載荷（靜載荷）引起的層間應(yīng)力是拉應(yīng)力，并且超過了材料的層間強度，那么自由邊緣處將會產(chǎn)生分層。應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)交變應(yīng)力水平低于開始分層的靜應(yīng)力水平時，在疲勞壽命初期也可能產(chǎn)生分層。

復(fù)合材料層合板的鋪層順序?qū)Q定在自由邊緣處產(chǎn)生的層間法向應(yīng)力是拉應(yīng)力還是壓應(yīng)力。例如，[30/90]s層合板在拉伸載荷作用下，自由邊緣處產(chǎn)生的層間法向應(yīng)力是拉應(yīng)力，而在壓縮載荷作用下所產(chǎn)生的是壓應(yīng)力，所以，[30/90]s層合板在拉伸載荷作用下，將產(chǎn)生廣泛的分層損傷，而在壓縮載荷作用下，不會產(chǎn)生如此嚴重的分層損傷。原因是它在壓縮載荷作用下，自由邊緣處的層間法向應(yīng)力是壓應(yīng)力。[90/30]s層合板在壓縮載荷作用下，自由邊緣處產(chǎn)生層間拉應(yīng)力，所以它在壓縮載荷下產(chǎn)生分層損傷。另外，還應(yīng)指出，兩個90°鋪層粘貼在一起，易在自由邊緣處引起分層損傷。采用縫紉或編織布包覆邊緣的方法和提高基體材料的層間強度，都可以提高層間抗分層破壞的能力。

3 復(fù)合材料損傷的修理

3.1復(fù)合材料修理設(shè)備

在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理固化過程中，需要對修理部位進行加溫；在修理過程中，常用的加溫設(shè)備有烘箱和加熱毯，也可以選擇使用熱壓罐。熱壓罐使用正壓來壓實材料鋪層，同時使用氮氣和空氣的熱混合氣體，通過高速循環(huán)來固化材料。烘箱使用真空袋內(nèi)的負壓來壓實材料鋪層，同時使用高速循環(huán)的空氣來固化材料。加熱燈用于固化低溫修理。加熱燈與修理表面的距離將決定修理部位的溫度，需要一個可調(diào)節(jié)的支架來變換到修理部位的距離。加熱燈不能接觸或接近修理部位或部件，否則會造成修理區(qū)域或部件的損壞。同時可以使用熱電偶來測量表面溫度，如果在加熱燈直接光束下的溫度比較高，可以使用熱補儀控制器來控制加熱燈的溫度。電熱毯由兩層硅膠夾一層金屬電阻加熱元件構(gòu)成。復(fù)合材料修理使用每平方英寸上輸出5瓦功率的電熱毯。為確保修理部位的邊緣也能充分固化，應(yīng)使用比修理區(qū)域大4英寸的電熱毯。

在修理中可以設(shè)定一個指示最高溫度的熱電偶來控制修理固化周期，熱補儀在修理固化周期中可以監(jiān)控真空袋中的真空水平，如果真空袋出現(xiàn)異常，熱補儀會發(fā)出報警。

3.2復(fù)合材料修理輔助材料

輔助材料是修理完后它并不成為修理部件的一部分。輔助材料指的是在修理過程中被用來輔助固化工藝或幫助固化達到正確的纖維-樹脂比率的材料。

輔助材料有：分離膜/織布、吸膠材料和透氣棉、真空袋膜、做真空袋的密封膠帶等。這些材料有不同的成分、厚度和溫度范圍可供選擇。

分離膜/織布在需要控制樹脂流動的情況下使用，或與樹脂/膠黏劑接觸使用。

無孔分離膜/織布作為一種隔離物，起隔離作用。

有孔分離膜/織布允許樹脂和空氣通過，在固化之后可以輕易地從部件上去除。吸膠材料和透氣棉可以是同一種材料，但有不同的應(yīng)用。這種材料吸收力強，多孔，通常由聚酯材料制成。吸膠材料用來吸收部件上的多余樹脂，給樹脂固化時的化學(xué)揮發(fā)物以及空氣提供通道，便于它們在固化過程中逸出。透氣棉通常用于不與樹脂接觸的情況下，只在真空袋膜與其他真空袋材料之間使用，為空氣從鋪層的逸出提供通道。密封膠帶用于部件和真空袋膜之間，起空氣密封作用，產(chǎn)生修理所需要的真空壓力。

3.3復(fù)合材料修理材料

1.樹脂材料：樹脂用于浸漬纖維織物，樹脂是雙組分環(huán)氧樹脂系列。在兩組分混合使用前，各組分可以在室溫下保存。

2.纖維織物：纖維織物（纖維織物和纖維單向帶）是濕鋪層修理的鋪層材料。濕鋪層修理由用戶采用纖維織物浸涂樹脂進行的鋪層修理。