（光学工程专业论文）复合材料损伤的光修复技术研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 复合材料已广泛应用于航空、航天飞行器、汽车、建筑桥梁、化工容 器等众多领域中。但由于在制造和使用过程中不可避免的产生损伤，如 不及时对受损复合材料构件进行快速修复，损伤将扩大，继续使用将对 飞行器产生不利影响。因此，对飞行器复合材料构件的外场快速修复己 成为热点研究项目。本文首次提出用光固化修复技术，快速有效地修复 受损复合材料构件。文中用国产飞行器上常用复合材料制作试件，利用 近代光测技术，对光修复技术与光波长的关系、光修复复合材料后对其 机械性能的影响进行了系统的实验研究，给出了相应的实验结果，并从 理论上作了分析。结果表明：实验结果与理论分析相一致。本文提出的 光修复技术是智能结构自修复的基础研究，与传统修复方法相比具有设 本文工作得到了国家自然科学基金( 编号：1 0 1 7 2 0 4 3 ) 和航空科学基 金( 编号：9 9 6 5 2 0 6 2 ) 的共同资助 复合材料损伤的光修复技术研究 a b s t r a c t c o m p o s i t e m a t e r i a lh a sb e e n w i d e l y u s e di nt h ef i e l d so fa e r o n a u t i c s ， a s t r o n a u t i c s ，a u t o m o b i l e ，b r i d g e s ，s t r u c t u r e s ，c h e m i c a le n g i n e e r i n g ，e t c a si n t h ec o u r s eo f a p p l i c a t i o n ，c o m p o s i t em a t e r i a li sl i a b l et ob ed a m a g e d i f t h e d a m a g e dc o m p o s i t e c a n n o tb er e n o v a t e di nt i m e ，t h ed a m a g e dw i l lb ce x t e n d e d a n d 百v e a l lu n f a v o r a b l ee f f e c to nt h ea i r c r a f t t h ea u t h o r g i v e san e w m e t h o d w h i c hu s e sl i g h t - w a v et or e n o v a t ei t i nt h i sp a p e r ，t h ec o m m o nc o m p o s i t e m a t e r i a lf o ra i r c r a f ti su s e da st h es a m p l e t h ea u t h o rs t u d i e st h ei n f l u e n c e so f t h e r e p a i r e dc o m p o s i t e t ot h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e sb yu s i n go p t i c m e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y ，a n dg i v e s o u tt h et e s tr e s u l t sa n d t h e o r y sa n a l y s e s i t i se a s yt os e et h a tt h er e s u l t so ft h ee x a m i n a t i o n sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h e o r y a n a l y s e s t h i sp a p e rr e p o r t st h a tt h el i g h ts o l i d i f i c a t i o nr e n o v a t i o nt e c h n o l o g y i st h ef u n d a m e n t a lr e s e a r c ho fs m a r ts t r u c t u r e 。ss e l f - r e n o v a t i o n c o m p a r e d w i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d s ，t h en e wm e t h o di sm o r es i m p l e ，p r o d u c t i v ea n d c o n v e n i e n t i th a sp r a c t i c a lv a l u ea n d i m p o r t a n te c o n o m i c e f f e c t t h ew o r ki ss u p p o r t e d b y t h en a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o n so fc h i n a ( 1 0 1 7 2 0 4 3 ) a n d t h ea e r o n a u t i c ss c i e n c ef o u n d a t i o n s ( 9 9 g 5 2 0 6 2 ) k e yw o r d s ：l i g h t w a v er e p a i r ，d a m a g e ，c o m p o s i t e 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 2 0 世纪以来，高度成熟的钢铁工业己成为现代工业的重要支柱，在己使用的结 构材料中，钢铁材料占半以上。但是随着宇航、导弹、原子能等现代技术的飞速发 展，现有的钢铁和有色合金材料已很难满足要求。例如，在设计导弹、人造卫星、飞 机的承载构件时，理想的结构材料应具有重量轻、比强度和比模量要高。然而，即使 比普通钢强度高7 倍左右的高强度钢，由于比重大，其比强度仍很低，要增加构件的 强度就必须增加其重量，这对于高速运动的部件来说是无意义的。至于比模量，常用 的各种工程材料其数值相近，相互代替、意义不大。 2 0 世纪4 0 年代迅速发展起来的新型复合材料使上述材料的缺点得到了克服。例 如，碳纤维增强树脂复合材料的比模量比钢和铝合金高五倍，其比强度也高三倍以上 同时还具有碳纤维的比重小、耐热、耐化学腐蚀、耐冲击、热膨胀小、耐烧蚀等优良 性能。碳纤维树脂复合材料作为工程材料和烧蚀材料可以大大减轻宇宙飞船、导弹、 飞机等的重量，提高其有效载荷，并改善其性能。 复合材料( c o m p o s i t em a t e r i a l ) 是由有机高分子、无机非金属或金属等几类 不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既能保留原组成材料的主要特色，并 通过复合效应获得原组成材料所不具有的性能。人类很早就接触和使用各种天然的复 合材料并且仿照自然界制造复合材料，我国传统工艺品漆器就是由麻纤维和土漆复 合而成的。现代复合材料的制造成功则要从第二次世界大战中，玻璃纤维增强复合材 料被美国空军用于制造飞机构件开始算起，1 9 7 1 年美国杜邦公司开发出k e v l a r - 4 9 ， 1 9 7 5 年先进复合材料“碳纤维树脂复合材料即开夫拉纤维增强环氧树脂复合材料” 已用于飞机、火箭的主承力部件上。目前主要发展多功能复合材料，如机敏( 智能) 复合材料和梯度功能材料等。智能复合材料是将传感、控制及驱动元件等紧密融合在 材料或结构中，通过机械、热、光、电、磁等激励和控制，使结构除具有承受载荷的 能力外，还具有识别、分析、处理及控制等多种功能。从而结构本身能按智能的方式 进行自诊断、自适应、自学习，并在其受损伤时具有自修复、自增值、自衰减等的能 力。智能结构自问世以来，军界研究一直处于主导地位，从发展初期美国陆军科研局 资助旋翼飞行器的研究开始，到军舰智能表层、无人驾驶飞机、隐身战斗机和战场机 器人等，而正在研究的“灵巧蒙皮”与“灵巧结构”等智能结构技术一旦成熟，将会 大大提高飞机的安全性，增强作战能力，改善战争中战术的技术性能。智能结构还可 以推广应用到桥梁、大坝、其他民用建筑、医疗和体育等许多领域。 1 2 复合材料的性能与特点 复合材料损伤的光修复技术研究 由于复合材料有许多良好性能，用复合材料结构替代铝合金结构，可减轻飞行器 的重量。复合材料的突出优点是具有比强度和比模量( 即强度、模量与密度之比) 高。 比强度和比模量是复合材料承载能力的一个指标，比强度越高，同一零件的自重越小； 比模量愈高，零件的刚性愈大。表1 - 1 为部分金属材料与复合材料比强度和比刚度对 照。 表卜l 常用材料的比强度和比剐度( 单位：6 p a ) 材料名称材料比重拉伸强度弹性模量比强度比模量 铝合金l 6 5 2 80 4 67 2o 1 72 6 钛合金d t d 4 50 9 31 1 0o 2 12 4 钢$ 9 77 80 9 92 0 70 7 32 7 硼 2 53 54 2 01 4 01 6 8 k e y l a r1 4 42 81 3 01 9 49 0 i 碳纤维 2 01 94 0 00 9 52 0 0 i l 碳纤维 1 72 62 0 01 5 21 1 8 e 一玻璃 2 5 42 68 4o 9 83 3 复合材料的另一特点是抗疲劳性好( 金属材料的疲劳极限可达抗拉强度的 4 0 一5 0 ，而碳纤维聚酯树脂复合材料的疲劳极限可达抗拉强度7 0 - 8 0 9 6 ) ，疲劳破坏 是材料在变载荷作用下，由于裂缝的形成和扩展而形成的低应力破坏。金属材料的疲 劳破坏是突然发展的，事前无任何预兆。而纤维复合材料中纤维与基体的界面能阻止 裂纹的扩展，因此其疲劳破坏总是从纤维的簿弱环节开始的，逐渐扩展到结合面上， 破坏前也有明显的预兆：此外，纤维复合材料的抗声振疲劳也是很好的。 复合材料还有：吸能、减振性能好；减磨、耐磨、自润滑性好；绝缘、耐热、耐 腐蚀、破损安全性好和成型工艺性好等优点。所以，先进复合材料在军用飞机和民用 飞机上都得到广泛应用。 1 3 复合材料在飞机结构上的应用 在飞机结构中首先使用的是玻璃纤维复合材料，这种材料主要限于诸如操纵面、 整流罩、内部接头和座舱盖等零部件。大量采用玻璃环氧树脂的一个领域是直升飞机 旋翼浆叶。随着材料的发展，美国把硼环氧树脂用于正在设计的高性能飞机，如f - 1 4 水平尾翼和f - 1 5 的水平及垂直尾翼的蒙皮。此外，欧洲的“美洲豹”及“虎”型飞 机也大量应用了这种复合材料。 由于材料的成本问题，美国很快把石墨环氧树脂用于高性能军用飞机。现在，石 墨环氧树脂己用于f - 1 6 的水平和垂直尾翼蒙皮以及各种操纵面，它们占重量的3 。 在f a 一1 8 上机翼蒙皮、水平和垂直尾翼的蒙皮、机身背的蒙皮和电子设备舱门、阻 2 南京航空航天大学硕士学位论文 力板和许多操纵面都使用石墨环氧树脂制造，重量占结构重量的9 。麦道公司的 a v 一8 b 上几乎整个机翼( 即蒙皮及次要结构) 是由石墨环氧树脂制造的，也还用于 制造水平尾翼、前机身和各种操纵面，其重量占各结构重量的2 6 。英国和德国联合 研制的“狂风”制造了一个石墨环氧树脂的全动水平尾翼，而法国幻影2 0 0 0 尾翼和 操纵面则是用硼和石墨复合材料制成的。 新世纪初，随着国际局势的变化，世界各国都在调整其军用飞机的研制计划。新 一代先进技术战斗机( a t f ) 要求在隐身、超音速巡航、机动性和敏稳性，短距起落 等方面具有优秀的性能，x - 3 1 a 高机动技术验证机的研制也说明了这一点。为此采用 了一系列关键技术，复合材料就是其中之一，复合材料在美国跨世纪军用飞机上应用 见表1 - 2 。 表卜2 复合材料在美国跨世纪军用飞机上应用 机型复合材料应用部位重量效益 a v 一8 b 垂直整体机翼蒙皮，多梁抗扭盒中的肋和2 6 3 起落飞机 梁。襟翼，副翼。前机身、水平尾翼、 后缘襟翼下蒙皮。 f a 1 8 机翼整体蒙皮为碳环氧，副翼和后缘 1 2 1减重目标2 0 以上提高 a 1 3 襟翼采用铝蜂窝、碳环氧蒙皮夹层结抗疲劳性和耐腐蚀性。 c d 构板。热湿条件下，刚度将 i e f 机翼蒙皮和机翼结构采用碳增韧环 2 3 提高1 5 以上，强度提 氧( i m 一7 9 9 7 3 ) 机身蒙皮为碳双马。高1 0 。 j b 一2 轰炸机迄今为止最大的孙翼展的复合材料结共固化加强蒙皮有助 构。外翼由两块大的碳环氧蒙皮板组于隐身和对燃油的密 成，板上有多个复合材料肋和两个大封。 的前后梁。工字型梁与蒙皮共固化成 型。中翼段重1 7 吨，其中4 0 为碳 环氧材料。 f 一2 2 第四中机身用碳增韧双马，机翼构件采用2 8 2 7隐身能力可“先敌发 代超音速碳聚酰亚胺，承力构件采用碳增韧现，先敌杀伤”超音速 战斗机典环氧( 9 7 7 - 3 ) 。 巡航能力提高，高机动 型代表 性和敏稳性，具有短距 起落能力。 u s a f n a s a 复合材料前掠翼，整体碳环氧蒙皮，气动弹性剪载设计利 x 一2 9 前掠在薄翼区可以进行气动弹性剪裁。翼用弯一扭耦合，减轻重 复合材料损伤的光修复技术研究 翼验证机根层板，最厚区为1 5 6 层，厚度达量，提高升力。 2 0 r a m 。 美国预研前机身大部分蒙皮、进气道用碳环氧 1 7 过失速机动性验证机 局德国国夹层结构，前翼和垂尾的蒙皮和方向为下一代战斗机的设 防部。舵为碳环氧夹芯结构，机翼蒙皮为石计提供技术指南。7 4 度 a - 3 1 a 高机墨环氧，前缘和后缘襟翼蒙皮为石墨大迎角失速时成功完 动技术验环氧。成小半径1 8 0 转弯。 证机 v 一2 2 倾转机翼整体壁板、梁、肋、前后缘机身、5 1 ( 机可避免过度振动和疲 旋翼机尾翼、等主承力结构采用碳环氧身)劳载荷，又满足对重量 旋翼s - 2 k e v l a r 环氧。限度和对刚度的要求， 防弹能力较高。 复合材料在直升飞机上的推广应用已从非承力构件一承力构件一动部件；从个别 部件一整个系统全机使用。直升机界人认为第三代直升机的技术特征是采用复合材 料旋翼浆叶，而第四代直升机的技术特征是全复合材料的机身结构。美国百科斯公司 从1 9 8 1 年开始研制s 一7 5 全复合材料研究机，1 9 8 4 年首飞，该机机身壁板用环氧蒙 皮与蜂窝芯材的夹层结构；尾梁、水平安定面、斜粱等尾部构件用石墨环长纤维缠 绕成型；旋翼支臂整流罩由k e v l a r 热塑性塑料制成，机身构件的加工广泛采用了一 次固化成型的方法，对于有大量连接件的部件采用大型壳体件，因而其零件、紧固件 数量大太地减少。新设计的复合材料机身零件和标准件从原机的2 0 0 5 件和5 5 4 0 0 件 分别减至7 2 8 件和1 3 7 0 0 件。复合材料占机身总重量的7 8 ，机体减重达2 4 ，机体 生产成本降低2 3 。该机有良好的抗弹击破损能力、耐坠生存能力，减少了雷达等效 反射面积。试飞结果表明，该机的飞行性能及其它技术指标均达到或超过a c a p 计划 中规定的要求值。美国贝尔直升机公司从1 9 8 1 年开始试验全复合材料机身的d - 2 9 2 机，1 9 8 5 年试飞，该机机体结构减重2 2 7 机体生产成本降低1 7 8 - 2 3 。各项指标 达到或超过a c a p 计划的指标。 在民用飞机上，利用复合材料的部件主要为承受和传递局部气动载荷，而不参与 飞机结构总体受力的部件，如雷达罩、整流包皮、副翼、衬翼、升降舵和方向舵等。 随着复合材料发展，目前己研制了主要采用复合材料的小型商用飞机，例如l e a r f a n 2 1 0 0 小型商用飞机采用的复合材料总重达到飞机结构重量的8 5 ，比用铝合金减 轻重量4 0 。复合材料结构也应用于民用飞机的内部结构中，波音7 6 7 飞机的地板就 采用玻璃纤维环氧树脂面板蜂窝状夹心结构，波音7 5 7 、7 6 7 飞机采用复合材料总重 量约有15 0 0 k g 。由于这两种机型大量采用复合材料结构，降低了飞机结构重量，为 航空公司带来了明显的节油效益。波音、麦道、空中客车三大航空公司，复合材料技 4 南京航空航天大学硕士学位论文 术以空中客车较为领先。民机上使用复合材料由于考虑成本和安全问题而较军机晚一 些，使用量不超过结构重量1 0 ，持谨慎态度。复合材料在民机上的应用列于表卜3 。 随着复合材料科学和技术的不断发展和完善，先进复合材料结构在飞机制造工业中的 应用必将越来越多。 表1 - 3 复合材料在民用机上的应用 机型复合材料使用部位重量，效益 a 3 1 0 - 3 0 0 垂直安定面抗扭盒( 碳增韧环氧) 。 8 a 3 2 0 垂直安定面和水平安定面外侧襟翼。 1 5 a 3 3 0 - 3 4 0 中央翼盒，碳环氧撑杆机翼两个外襟翼整抗损伤能力提高，冲击损伤 体固化蒙皮长1 1 4 l 宽1 8 m ，每块重和加速度疲劳试验，经1 0 0 3 6 3 k g 。万次拉伸，试验、验证。 b7 6 7 3 b7 7 7 主要和次要结构，9 9 1 6 k g c f p , p ，碳增韧环l o ( 3 5 表面积为复合材料) 氧尾翼。减重比金属轻1 0 。 m d l l 外翼襟翼，碳环氧粱和肋与碳环氧蒙皮、 r o h a c e l l 泡沫芯。蒙皮铺层3 - 8 层，总重 尬- 1 2 4 5 0 0 k g 。 a t r - 4 2 大部分机翼蒙皮次要构件碳环氧n o m e x 蜂可提高有效载重、节油、减 a t r - 7 2 窝，玻纤环氧蒙皮。k e v l a 环氧蒙皮。少维护、提高疲劳强度和疲 外侧翼和蒙皮、u 性加强肋、前、后梁均为劳寿命，减重1 3 6 k g 。 碳环氧材料a m o c o t 3 0 0 9 1 4 ( c i b a - g e i g y 公司) 1 4 复合材料修复的现状与要求 1 4 1 复合材料修复的现状 复合材料在力学、损伤、失效的方面比单一材料复杂的多。由于复合材料基体的 强度比增强纤维强度低得多，其抗冲击性能差，横向强度和层间剪切强度低，当受到 局部冲击时，复合材料会出现凹痕、纤维断裂、基体破裂、剥层等损伤现象。而且 一旦损伤发生，损伤的区域还会在周期性应力作用下不断扩大，影响复合材料的使用。 国外从2 0 世纪8 0 年代初期开始研究和解决修复问题，先后投入大量人力物力和 资金。目前，美国及欧洲的几大公司对飞机复合材料中的几类损伤的修理问题进行了 广泛的研究，并己获得初步解决，但仍在不断发展中。欧美一些大公司的飞机公司早 在2 0 世纪8 0 年代中期就在飞机设计文件和使用手册中规定了较详细的复合材料的结 构修复方法，如美国波音公司修理手册、a 3 2 0 使用维护手册、卜1 6 修理手册。国内 复合材料损伤的光修复技术研究 近年来在复合材料修复问题上已作了一些工作，航空航天系统的有关部门对这一问 题的重要性和紧迫性已有所认识，取得一些进展，如空中客车亚洲复合材料结构维 修( 北京) 中心的成立，中国东方航空公司空中客车复合材料结构修理专家系统的 建立等。但总的看来，重视不够、投资不足，所以问题基本上未获解决。主要表现 在对不同的缺陷和损伤无具体和明确的修理方法、修理材料、工艺和设各，尚无正 式批准的修理规范和指南供实践中遵照执行。因此，制定复合材料的结构修复手册， 为航空航天部门提供统一的修理规范，更好地解决复合材料修复问题，使复合材料 得到更广泛的应用。 1 4 2 复合材料修复的要求 复合材料损伤结构修复要求是：1 ) 要求修复后可以恢复结构达到适航标准。包 括修补后的结构强度和刚度，应该恢复到使用条件下的设计许可值；恢复结构的耐 久性；恢复结构的使用功能：结构修补后重量增加最少；对于飞机控制面的修补，重 量分布要满足气动平衡要求。美国联邦航空管理局( f a a ) 于1 9 8 4 年专门就复合材 料飞机结构发出的答询通报a c - 1 0 7 中就修复问题明确规定：维修手册中提供的修 复程序应通过分析和实验验证，证明该修复方法可以恢复结构达到适航标准。2 ) 要 求可以在线修复。修理时间要求尽量少，修补过程中使用的设备和工具要少。由于 复合材料及其构件在使用过程中损伤或局部破坏不可避免，现役飞行器的外场快速 修复矛盾日益突出：同样在生产过程中冷、热加工的不当操作导致的损伤将直接影 响产品质量与经济效益，在线产品的快速修复技术也日趋重要。传统的修复方法如 铆( 螺) 接、粘接、超声波焊接、电阻加热、感应加热虽各具特色，但都有不足之 处，难以达到快速修复的目的。寻找适合于在线产品快速修复以及现役飞行器的外 场快速修复方法，是复合材料在航空航天领域应用的迫切需要。 1 4 3 复合材料修复方法 先进复合材料是由高强度的纤维和低强度的树脂材料层所组成，由于其损伤形 式与金属材料有明显的不同，不能简单的将传统的金属结构的修复方法直接用于复 合材料的修复，必须根据其损伤特点，发展适用于复合材料结构修复的新方法。 按照损伤和缺陷对结构的影响可以简单的分为两类；一类是已存在的缺陷和损 伤对结构的强度和刚度影响很大已降低到设计不能允许的水平。对这一类损伤结 构必须进行修补或更换；另一类是缺陷和损伤较小，其存在对结构的整体强度和刚 度没有影响，但在使用条件下，这类缺陷和损伤可能扩展使结构的剩余强度达到不 能接受的水平。 从广义上讲，复合材料结构的修复方法可以分为两类，即用于小缺陷和小损 伤的非补强板修复；用于较大损伤的补强板修复。具体修复方法见表2 2 所示。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 表2 2 复合材料修复方法 修复方法应用修复方法应用 在一定范围内分布有胶接补强板：1 碳环修补蒙皮，蜂 注射树脂 效间隙；小面积分层；氧补强( 共固化) ；2 窝壁板的表板 小面积脱胶。钛合金箔作朴强材厚度可达1 6 料。层。 小的凹陷；蜂窝壁板胶接外表面光滑补强修补蒙皮厚度 灌满或填充 的表板小面积损伤；板：1 碳环氧补强( 共可达1 6 层1 0 0 蜂窝壁板中更换夹心固化) ：2 钛合金箔作层，外场应用 层；禁固件孔变形伸补强材料。困难。 长。 加热处理排除进入蜂窝壁板中焊接外补强板：钛铝修补单块式蒙 的湿气去湿，烘干。合金板作补强件。皮5 0 1 0 0 层。 表面涂层对蜂窝壁板进行密备注：在所注层合板厚度内，修补可 封：恢复表面保护层。恢复到极限应变许用值。 复合材料的修复方法与传统金属结构修复方法有显著区别，这是维修技术的一 场变革。当然许多技术问题尚在研究中，确定修复方法时，要考虑构件的使用载荷 和环境条件，对修复后的可靠性和有效性及可能破坏形式做出判断。自修复智能结 构目前是利用光或电激励形状记忆合金( s m a ) p a 防止损伤进一步扩大，使结构保持原 型的修复方法。损伤( 如裂缝) 未作任何修补，这给安全使用带来隐患。为使已经 使用的装备中出现的损伤能及时修复并保证使用安全，根据现有的基础和条件，所 作的初步工作是采用注入法，把胶液从注胶孔向损伤部位注胶，然后用光波加热固 化后修复。这种修复不是智能结构中的自修复，但它是自修复的基础和依据。显然 研究光修复技术是为了更好地开展自修复的研究。 1 5 本文的研究内容 本文的研究工作是在国家自然科学基金( 编号：1 0 1 7 2 0 4 3 ) 和航空科学基金( 编 号：9 9 g 5 2 0 6 2 ) 的共同资助下展开的，主要研究内容如下： 1 阐明了复合材料的性能与特点，以及应用现状，针对修复要求明确本文工作 的意义。 2 为适应复合材料光固化修复的要求选择了实验用的胶粘剂，并给出相应的 实验结果及分析。 7 复台材料损伤的光修复技术研究 3 研究了光波的波长对修复复合材料的影响，并给出了相应的实验结果及分析。 4 通过分析光波固化修复的微观结构，在理论上对光波固化修复做了初步的解 释，为光修复技术实际应用提供基础。 5 研究了复合材料光固化修复后对其机械性能的影响，给出了实验结果，并做 出了理论分析。 3 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章复合材料光修复技术的研究 2 1 光修复技术研究的重要性 有关复合材料及其修复技术的研究对复合材料在航空上应用有重要意义，关系 到高性能战斗机、武装直升机和民用飞机( 运输类飞机) 的发展和国力。众所周知， 海湾战争是第二次世界大战以来规模最大的场局部战争，是未来战争的一场预演。 在这场战争中，军用飞机使用规模是空前的，战争中飞机使用的特点是任务的多重 性、渗透性、出动时间的连续性和投入强度的集中性，为适应使用的特点，提高飞 行器的可靠性和维修性是必须考虑的因素之一。近年来研发了一种新型的复合材料 内在损伤评估系统一智能结构，在构件制造和安装过程中，能探测出构件缺陷和组 装错误。在运行过程中能对冲击损伤、过载和疲劳等发出警告，当构件受损伤时， 能自适应地改变构件所处的状况完成自修复功能。这种复合材料智能结构更能适应 战争中军用飞机出动时间连续性和投入集中性等要求。但传统的修复方法如铆( 螺) 接、超声波焊接，电阻加热、感应加热固化修复等都需要把损伤部件肢解以后进行 修复，修复速度慢，工艺复杂，更不利于智能结构的研究和发展。因此，寻找一种 适合于在线产品快速修复以及现役飞行器外场快速修复方法，是促进复合材料智能 结构的研究和发展，更是复合材料在航空航天应用的迫切需要。 针对复合材料快速修复这一热点研究项目，提出了采用复合材料光修复技术， 所谓的复合材料光惨复就是用光波照射胶粘剂胶体，光能易被胶体吸收转化为自身 的热能导致胶体在短时间内固化，将损伤或缺陷修复。光波加热是一个整体、直接 和随时可控的加热方式，由于具有技术简单、快速、无污染等特点，因此特别适合 于复合材料维修，是一种很有发展前景的新技术。 2 2 光固化修复材料 2 2 1 胶接的产生 胶接实质是通过有粘附能力的物质，把同种或不同种材料牢固的连接在一起的 方法。粘合力的形成主要包括表面浸润、胶粘剂分子向被粘物表面移动、扩散和渗 透，胶粘剂与被胶粘材料形成物理、化学和机械结合的过程。 ( 1 ) 浸润：胶粘剂与被胶粘物表面形成结合的前提是两者必须达到分子的水平的 接触。因此，要使胶粘剂将被粘物表面紧密的胶接( 胶合) ，即得到最佳胶接效果，其先 决条件就是要使胶粘剂与被粘物表面达到最大程度的接触，也就是完全的浸润。胶粘 剂对被粘物表面良好浸润成了优良胶接的必要条件。所谓浸润就是液态物质在固态 物质表面分子间作用力作用下均匀分布的现象。根据表面张力小的物质容易浸润表 面张力大的物质这一原理，可以在胶粘剂中加入适量表面活性剂以降低胶粘荆的表 复合材料损伤的光修复技术研究 面张力，以提高胶粘剂对被胶粘材料的浸润能力，为了获得良好的浸润，通常可以 除去表面低能物质及灰尘，尽量减少气泡与空隙，适当的粗糙度及减少胶粘荆粘度 等措施，为更好的形成物理化学结合创造条件。 ( 2 ) 胶粘剂分子的移动和扩散：被胶粘材料表面为胶粘剂所润湿仅是为产生粘合 力创造了必要条件。要使胶粘材料产生牢固的机械和物理化学结合，胶粘剂分子与 被胶粘材料分子之间的距离必须小于一定程度( 一般 1 0 a ) ，这就需要借助于胶粘 剂分子的移动和扩散。在没发生有外来干扰的情况下，胶粘剂体系中的分子热运动 处于杂乱无序的状态。胶粘剂与被粘物接触后，对胶粘剂分子将产生一定的吸引作 用。胶粘剂分子尤其是分子带有极性基因的部分，会向被粘物表面移动，并向极性 链靠拢，当距离小于5 a 时便产生物理化学结合。 ( 3 ) 胶粘剂的渗透：实际上，任何被粘物表面是不平滑的，都有很多不易发觉的 空隙和缺陷。木材、织物和泡沫塑料等材料更是多孔性物质，而胶粘剂大多是流动 性液体。粘接时胶粘剂将向被粘物的空隙渗透。这种渗透作用可以增大胶粘荆与被 粘物的接触面积，使胶粘剂与被粘物之间产生机械结合力。 ( 4 ) 胶粘剂与被粘物的物理化学结合：在粘接过程中，胶粘剂分子经过润湿、移 动、扩散和渗透等作用，逐渐向被粘物表面靠近。当胶粘剂分子与被粘物表面分子 间距离小于5 k 时，胶粘剂就与被粘物产生物理化学结合。胶粘剂与被粘物表面官 能团反应形成化学键，且界面结合主要靠化学键。化学键理论从偶联剂的应用中更 容易被人们所接受和理解。 ( 5 ) 胶粘剂与被粘物的机械结合：胶粘剂与被粘物的机械结合力，是胶粘剂渗入 被粘物孔隙内部固化后，在孔隙中产生机械结合的结果。 2 2 2 胶粘剂 胶粘剂品种繁多，由单组分、双组分、甚至还有多组分，胶粘剂一般都是由粘料、 固化剂、促进剂、增进剂及增韧剂、稀释剂、填料及其它助剂组成。粘接剂的粘接 是全能型的，无论任何相同与不同，厚与薄、弹性模量高与低的不同材料构成的物 体都可以用胶粘剂来粘接。工程上常用的是结构胶粘剂，包括环氧胶、聚氨酯、有 机硅胶、氰基丙烯酸酯、改性氰基丙烯酸酯胶等。 环氧胶粘剂由于具有粘合力强、工艺性能好、固化后胶层机械强度高、耐劳化、 电绝缘性能好，胶层固化后可以进行机械加工等优点。是目前国内外发展较快、应 用较广的胶粘剂之一。现在已研究出数种性能较好的环氧胶粘剂，并已应用到国民 经济的各个技术部门，成为航空、机械、建筑等工业部门中不可缺少的专门技术之 一。 环氧胶粘剂以环氧树脂为基材，另加固化剂、增塑剂、增韧剂、稀释剂和填充剂 等组成。 环氧树脂本身是热塑型线性结构的大分子或低分子环氧化物，在2 0 0 0 c 以下的温 1 0 南京航空航天大学硕士学位论文 度是稳定的，一般不能单独作为胶粘剂使用，必须加入固化剂并在一定的条件下进 行交联固化反应，使原来是热塑型的线性主体粘合物质变为坚韧的体型网状结构。 才能获得满足的粘接强度和良好的性能。 未加入固化剂的环氧树脂，在常温或加热条件下，环氧树脂中的环氧基等官 能团一般不会起化学反应，不会使大分子交联成体型的结构，因此也把未使用前的 环氧树脂称为热塑性环氧树脂。特别是分子量不高的环氧树脂是没有什么强度的， 必须固化交联后才能发挥作用。环氧树脂胶粘剂都是通过化学反应进行固化的，在 固化前是具有活性基团的线型或支链型大分子，然后在加热条件下大分子之间发生 化学反应，线型或支链型结构逐渐相互连接形成网状体型结构。固化剂是环氧树脂 胶粘剂的重要组成部分，它们在固化时与环氧树脂发生加成反应，或者对环氧剂的 聚合起催化作用。固化剂对固化物的性能有很大的影响，同样的环氧树脂如采用不 同的固化剂，固化物的性能，包括力学性能、耐热性能和耐老化性能会有很大的 差异。因此配制环氧树脂胶粘剂时必须选择合适的固化剂体系。 胶粘剂固化时要加温，为某些不含固化剂或虽含固化剂但只有在高温下才能反 应的胶粘剂，提供反应活化能，促使分子间发生交联反应，形成具有高内聚强度的 网状或体型结构，对另一些胶粘剂，它们可以在室温下发生交联反应，因而可以不 加温。但是适当的加温可以加速反应过程，缩短胶接周期。并使其固化更完全、更 充分，交接强度更高，加温还有利于胶粘剂和被胶接材料之间的分子扩散。， 环氧胶粘剂中所选用的环氧树脂是含有环氧基的高分子聚合物，是分子量较小 的线型热塑性树脂，在未固化时是一种线型结构的热塑性树脂。它是两端含有环氧 基的长链多元醇，为线型结构，在长链两端的环氧基，能使相邻界面产生电磁力， 还能与金属表面的游离键起反应，形成化学键，所以反应能力很强，有高度的粘合 力。为了使环氧树脂具有较高的强度，良好的粘接性能，必须用固化剂使线型环氧 树脂分子交联成立体网状或体型结构的巨大分子，成为不溶的固化物。此类物质主 要有胺类、醋酐类、醇、羟酸、异氢酸脂、二元酚、各种树脂以及某些其它化合物。 在添加固化剂以后线型的环氧树脂分子互相交联，形成巨大的网状或体型结构，而 固化成为不溶状态的固体。成为具有高粘接强度及优良物理机械性能的胶层。 2 2 3 胶粘剂的选择 选用胶粘剂，必须以其性能为依据，不同类型的胶粘剂具有不同的性能，决定 各自不同的用途。因此必须了解粘接条件，明确粘接的目的和用途，根据被粘物的 性质，选择合适的胶粘剂。一般应该选用与原结构设计类似或相近的胶系，目的是 更好恢复复合材料结构部件物理和机械性能，使其能够在飞行环境中完成预定的功 能。这就要求：胶粘剂要能够经受飞机在使用中遇到的应力、温度、化学环境条件： 在使用条件下胶系要由满意的载荷传递特性；胶粘剂应有较好的抗疲劳特性，有良 好的抵抗应力松弛能力；还希望胶粘剂系统具有较低的固化温度。但任何一种胶粘 复合材料损伤的光修复技术研究 剂系统都不可能在各方面都达到理想状态。实际应用时，一般根据需要通过实验对 现有的胶粘剂进行选择。 为了选择一种最适合光固化修复技术的胶粘剂，根据现有的条件，选择了三种 胶粘剂，用三种光波固化与自然固化作对比实验，根据胶液固化时间的长短来初步 确定实验所用的胶液。实验结果如图2 1 所示。 表2 1 胶液初选实验结果 、进鎏波长 5 5 0 n m4 0 5 n m3 6 5 n m 自然固化 胶渡 a 型胶 2 5 h6 h6 h 6 5 h b 型胶 8 h8 h8 h 8 h c 型胶 1 0 h1 0 h1 0 hl o h 根据表2 1 可知，b 、c 型胶用光照射没有变化，固化时间接近自然固化时间。 而a 型胶用5 5 0 n m 光波照射后固化时间比4 0 5 n m 、3 6 5 n m 和自然固化时间均缩短了。 因此，根据实验的目的和要求，经过多次反复试验和对比，初步确定选用a 型胶。 2 3 光固化修复波长选择 光修复技术就是用光波照射胶液时，胶液吸收光波的能量，转化为自身的热能， 使胶液在短时间内固化，将损伤或缺陷修复，其实质就是能量的转换，虽然胶液吸 收光线可产生热量，但并非所有的光线都能被吸收而产生热量，只有对光线敏感且 能被胶液吸收的光波其能量才会被吸收，发生光化反应而转化成热量。正是从这一 要求出发，研究了光波波长对光固化修复技术的影响，以期寻找一种最佳的波长， 为快速修复受损复合材料奠定基础。 2 3 1 波长选择的实验研究 为了研究光波波长对光修复技术的影响，采用目前飞行器上广泛采用的环氧树 脂复合材料制作试件，胶粘剂选用a 型双组分树脂胶粘剂，把光源发出的光用光纤 传输经滤波片输出中心波长为3 6 5 n m 、4 0 5 r t m 、4 3 5 n m 、5 5 0 a m 、6 7 5 n m 的光，直接 激励被修复试件，记录达到同样的固化修复效果时修复时间。实测结果如表2 3 所 刁i 。 表2 3 不同的光波修复试件所用的时间 i 波长( n m ) 3 6 5 n m4 0 5 n m4 3 5 n m5 5 0 n m6 7 5 n m 固化时间 6662 5l 5 l( h ) 南京航空航天大学硕士学位论文 从表2 3 可知，在同样光激励条件下，在3 6 5 n m 、4 0 5 n m 、4 3 5 n m 、5 5 0 h m 、6 7 5 n m 这几个波长的光波中，在达到同样修复效果时，光波5 5 0 a m 和6 5 7 n m 所用修复时间 最短。而其他波长所用修复时间接近胶粘荆固化的自然时效时间r 6 5 h ) ，结果表明， 波长为3 6 5 n m 、4 0 5 r i m 、4 3 5 n m 的光对材料的修复效果较差，而5 5 0 h m 和6 7 5 n m 的 光波从修复时间考虑则为最佳选择，但从快速惨复角度考虑应优先选用6 7 5 n m 的光 波为最佳。 2 3 2 实验验证6 7 5 m m 光波修复的可行性 为了验证6 7 5 n m 光波修复受损材料的可行性，采用目前飞行器上广泛采用的环 氧树脂基复合材料，制作了两个对比试件，两试件大小形状及重量均相同，其一是 人为制作损伤后，用光纤传输6 7 5 n m 的光固化和a 型胶粘剂修复好。用全息时间 平均干涉术，记录了同激振条件下同振频的时间平均全息图。实验光路如图2 3 所 示。 图2 ，3 试验光路 将所拍摄试件的时间平均全息图经再现后，翻拍成普通照片。结果如图2 4 所 示图a 是标准试件的全息干涉条纹图，图b 是试件损伤后的全息干涉条纹图，图c 是用6 7 5 n m 光波修复后的试件全息干涉条纹图。 比较图中a 、b 两组全息干涉条纹图，相对于试件的标准状态，损伤试件的干 涉条纹变化的特点是：条纹间距发生变化，问距变窄。说明试件受损后，其振幅增 大，即离面位移增大。从弹性力学角度可以知道，离面位移与抗弯刚度成反比，因 此实验结果表明：受损后试件的抗弯剐度减小，即复合材料受损后材料的机械性能 发生变化；比较图中a 、c 两组全息干涉条纹图，其条纹分布基本相似，说明光固化 修复后试件上振型基本恢复原始状态，达到了较好的效果，实验结果表明：此方法 是可行的。 1 3 复合材料损伤的光修复技术研究 ( a ) ( b )( c ) 图2 4 全息时间平均干涉条纹图 2 3 3 光固化修复分析 复合材料修复效果的好坏，除取决于修补材料本身的强度，在很大程度上还与 修复界面的微观结构有关。我们通过对光波修复试件进行机械性能的实验，发现光 波固化试件具有较好的综合性能。本节通过对光波修复界面微观结构的研究，为复 合材料光波修复这一新技术推广提供理论依据。 2 3 3 1 光线吸收 考虑有n 个原子组成的分子的情况，从力学上看，是由原子这样一种具有质量 的圆球和相当于将这些圆球相互结合起来的、有相当结合力的“弹簧”所组成。而这 种“弹簧”的动作有两种类型的基本振动，一类是在结合成原子圆球的方向作伸缩运 动；一类是从结合轴方向脱离改变其角度的变角振动。在室温下，所有的分子几乎 都处在量子数为零的振动状态。吸收光线能改变分子能级的概率非常小。实际上各 振动能级分子由于能形成多个转动能级，要改变分子的振动能级还需要另一个必要 条件，就是振动改变分子的对称性而使偶极矩发生变化。如果两原子分子中的伸缩 振动是同一种原子间的伸缩振动，是对称性的。不显示出所谓的极性，这样分子的 偶极矩经常使它不吸收光子，也就是说这种完全非极性分子即使进行转动和振动， 由于它对周围电磁场不产生任何干扰和影响，结果它的运动就不伴随有光的发射和 吸收。同样道理，如果在双原子分子中，由于两个原子的太小不同可以认为是非对 称性的，从直观来说可认为极性大，因而对光线是敏感的。对于多原子分子，在观 察原子间伸缩和变角振动时，发现它们对光线敏感。分子吸收光线的程度与这种原 子振动产生的偶极矩变化的平方成正比。可见，吸收光线相当于各固有振动能量的 南京航空航天大学硕士学位论文 分子中，原子通过振动增大量子数，因而扩大了以平衡位置为中心的振幅。也就使 振动变强，从而温度就上升。这就是光线被吸收产生热的原理。但物质并不是对任 何光线都能吸收而产生热量的，只有对光线敏感以及在强烈的吸收波长区域内，光 波能量才会被物质吸收，发生光化反应而转化成热量。 2 3 3 2 光修复界面的形成 提高粘附时的强度必须实现粘附体被液体树脂良好浸润，因为浸润不良会在界 面上产生孔隙，这样就会使应力集中并引起开裂。如果能获得完全浸润，则树脂 在表面的物理吸附所提供的粘附强度将大大超过有机树脂的内聚强度。另一方面， 对于粘胶剂的聚台物，其分子量决定了内聚强度。若高分子化合物的分子量较小，虽 然粘附性能好，但其内聚强度差，用它胶粘其他材料时，胶按强度就差。而高分 子化合物分子量太大时，粘度较高，具有较大的内聚强度。但分子量的增加降低 了分子链活动能力，减弱了胶粘剂对被粘物的湿润和渗透能力，接头受力时就会发 生粘附破坏。因此，控制好胶粘剂的交联度，使内聚强度和粘附力大致相等，界 面发生混合破坏达到最大胶接强度。 对于环氧树脂，粘接强度不仅与分子量有关，而且受到交联程度的影响。为了 给聚合物足够的强度，一般可增加交联密度，交联对胶粘剂分子的内聚力和粘接的 提高都是有利的。与常规加热固化相比较，光波的热效应能够促使胶粘剂溶融，改 善对被胶粘物表面的湿润；增大分子能量，加快胶粘剂的聚合反应和固化反应速度； 提高热固化性树脂的最终反应程度，影响胶粘剂的交联程度。由于胶粘剂分子获得 了光波的能量，促成胶粘剂和被胶粘物表面之间发生化学反应，有利于获得性能优 良的胶接接头。 在固化初期，胶粘剂互相交联的数目不多，且各交联链彼此之间相距甚远，交 联键的键段含有极性很强的羟基和醚基，这些极性基团与粘结表面极性原子基团或 可诱导极化原子之间形成了化学键的联接，光固化能引起极性基因的剧烈运动，提 高胶粘剂分子活性，使修复区分子或分子链段相互渗透：另一方面，由于胶接界面 具有诱导效应，即被胶粘物活性表面诱导与其接触的胶粘剂，在胶接固化过程中发 生聚态结构的变化，使官能团定向，反应活化能降低。使原来表面机械强度较低的 分子量的聚合物进行交联，形成机械强度增大的高分子量的聚合物，即在界面处产 生更高的交联密度，以获得良好的胶接效果，形成好的修复界面。 2 3 3 3 光波固化 胶粘剂通过化学反应而固化时，通常会体积减少，引起收缩，在胶粘剂中产生收 缩力。当收缩力超过粘接力时，则会引起自然破坏。而当粘接力大于收缩力时，由 于界面收缩受到约束会产生内部应力。使粘结强度显著降低。 同时使体系内应力 增加的措施均会使粘接强度大幅度降低，而采用有利于降低内应力的措施则会使粘 接强度大大增加。通过分析可知，内应力的形成完全是由粘接本身的特性所决定的。 1 5 复合材料损伤的光修复技术研究 内应力是在胶层失去粘性流动能力之后的深度固化过程中形成的。在所有的粘接体 系中，有两点是共同的。第一，在胶层与被粘表面之间。通过化学键、物理作用、机 械作用、扩散作用等存在着牢固的界面结合。界面属于胶层与被胶粘表面所共有， 它们是不能分开的( 分开则表示粘附破坏) ；第二，胶层都必须在接头上完成由液态 或粘流态到固态的转变( 即固化过程) 。 由于胶体的内聚强度与固化程度有关，提高最终固化程度，则可以提高胶接 强度。若固化温度低于完全交联树脂的玻璃化温度时，树脂的网络结构在一定的 交联度时，就冻结而成玻璃化态。当固化温度高于胶层的玻璃化温度时，随着固 化程度的提高，粘接强度相应提高：而若固化温度低于胶层的玻璃化温度时，随着 固化程度的提高，粘接强度反而降低。且在