复合材料基础知识培训

复合材料基础知识培训,本次教学内容分为三个部分：第一部分复合材料的基本概念和基础知识第二部分复合材料制造与维修的相关知识第三部分复合材料的维修,第一部分复合材料的基本概念和基础知识,第一章复合材料的定义一、复合材料的定义定义：将两种或两种以上组织结构不同的物质，自然地或人为地构成性质不同的另一种多相材料称之为复合材料。二、常见复合材料举例自然形成的复合材料：,第一部分复合材料的基本概念和基础知识,木材（各种树干）、竹子、各种植物的茎等人为加工的复合材料：泥巴墙：将泥土涂在芦苇编织的网格上混凝土：石子、水泥、(钢筋)现代工业常用的先进的复合材料：玻璃钢：玻璃纤维增强环氧树脂芳纶纤维、硼纤维、碳纤维等增强树脂,第一部分复合材料的基本概念和基础知识,第二章复合材料的分类与简介复合材料主要由两部分组成：增强体+基体；其分类方法较多，其中最常用的是按基体和增强体类型分，如：颗粒增强复合材料；夹层增强复合材料；纤维（连续纤维和短纤维）增强复合材料；,第一部分复合材料的基本概念和基础知识,树脂基复合材料，金属基复合材料，陶瓷基复合材料，还有比较特殊的先进碳基复合材料：碳基复合材料，表示方法为：C/C；,第一部分复合材料的基本概念和基础知识,一、颗粒增强复合材料将各种形状的增强颗粒嵌镶在基体中构成的多相材料。二、夹层复合材料1.夹层板复合材料，如三合板等。2.夹芯结构复合材料夹芯结构复合材料由两部分组成：面板+芯材面板：树脂基复合材料板、铝合金板、不锈钢板、钛合金板及高温合金板等。芯材：泡沫、波纹板、蜂窝芯等。,第一部分复合材料的基本概念和基础知识,蜂窝结构的作用蜂窝结构其作用主要是减轻结构重量，提高结构的抗弯刚度。蜂窝夹芯的材质及类型蜂窝夹芯是夹层复合材料中最常用的夹芯结构，形状有六角形、菱形、矩形等。按制造材料不同，有铝蜂窝、芳纶纸蜂窝和玻璃布蜂窝等。,第一部分复合材料的基本概念和基础知识,三、纤维增强复合材料纤维增强复合材料所用纤维有玻璃纤维、碳纤维（石墨纤维）、芳纶纤维、硼纤维等。1.纤维增强原理物质强度理论认为：材料的强度取决于物质的分子结构结构的完整性（杂质、位错、其它缺陷等）。,第一部分复合材料的基本概念和基础知识,2纤维的种类与性能简介碳纤维20世纪60年代,英国首先研制成功碳纤维，继而日本又以聚丙烯腈（PAN）为基础研制出PAN基碳纤维。飞机结构上主要采用聚丙烯腈基碳纤维，此类碳纤维从性能上可分为高强度型、超高强度型、高模量型等。下表给出了典型碳纤维的品种与性能。,第一部分复合材料的基本概念和基础知识,表1-1几种典型碳纤维性能数据,第一部分复合材料的基本概念和基础知识,碳纤维的性能目前飞机上使用的复合材料以碳纤维/环氧树脂为代表，它具有比较高的比强度和比模量，可使飞机的结构重量大幅度下降。芳纶纤维（Aramid）该纤维是美国杜邦（DUPONT）化学公司1968年推出的一种高强度、高模量和低密度的有机纤维。主要品种有：KevLar29、KevLar129、KevLar49、KevLar149。（凯夫拉尔）前两种主要用作轮胎帘子线，后两种可用在飞机上。,第一部分复合材料的基本概念和基础知识,芳纶纤维的应用由于芳纶纤维的一系列优点，自70年代以来，很多机种的玻璃纤维复合材料已由芳纶纤维复合材料所取代，尤其是芳纶纤维与碳纤维混杂后，可以优势互补，使芳纶纤维的抗压强度提高一倍，碳纤维的冲击韧性提高一倍。,第一部分复合材料的基本概念和基础知识,玻璃纤维玻璃纤维是应用最早最广的一种纤维，早在二十世纪30年代就在复合材料中获得应用。玻璃纤维通常有两种形式，即长纤维和短纤维。这两种形式的纤维都可以用同一种方法制作。简单地说，其生产过程是将硅砂、石英、硼酸和其它成分（粘士、氟石等）干混后，经高温炉熔融，熔化后的液态玻璃通过漏丝板即形成玻璃纤维。,第一部分复合材料的基本概念和基础知识,玻璃纤维的性质玻璃纤维弹性模量比较低，价格低廉。玻璃纤维最常用的有“E”型和“S”型，前者主要用于“电子仪表板”，后者主要用于高强度结构。S玻纤比E玻纤相比，其抗压强度，抗拉强度，弹性模量略高，密度降低，更耐强酸，但成本较高。其它如“A”、“C”、“D”型玻璃纤维，因其强度太低不适合飞机结构使用。,第一部分复合材料的基本概念和基础知识,四、树脂基复合材料在整个复合材料家族中，树脂基复合材料是使用最广、最多、最重要的一种，这其中又以纤维增强的树脂基复合材料最为突出。（纤维增强）树脂基复合材料的组成组成：树脂+纤维纤维在前面已经作了介绍，这里主要介绍基体材料树脂。,第一部分复合材料的基本概念和基础知识,树脂基体的作用常有人错误的认为，复合材料的性能主要由增强体纤维决定，与基体无关。实际上基体材料也是不可忽视的重要因素。归纳起来树脂基体具有如下重要作用：对增强体（纤维）的支撑作用（固定纤维的分布和方向）；对增强体（纤维）的保护作用（防止环境的机械破坏和化学浸蚀，避免纤维自身摩擦）；影响断裂韧性；横向传递载荷的作用(已断纤维承受的载荷其它纤维);,第一部分复合材料的基本概念和基础知识,常用的树脂基体大致分热固性和热塑性两大类，航空上常用的有下列数种类型：热固性树脂热塑性树脂环氧树脂聚乙烯聚酯树脂聚苯乙烯酚醛树脂聚丙烯双马来酰聚醚醚酮亚胺树脂聚醚酰亚胺聚酰亚胺树脂聚醚砜聚苯硫醚聚酰胺亚胺,第一部分复合材料的基本概念和基础知识,五、金属基复合材料一）金属基复合材料的特点1.与树脂基相比能在较高的温度环境下工作玻璃纤维/环氧树脂（玻璃钢）工作温度60；先进树脂复合材料工作温度150左右；耐高温树脂复合材料工作温度300左右；铝、镁基复合材料工作温度400500；钛基复合材料工作温度700800。工作温度在400以上，一般须用金属基复合材料。,第一部分复合材料的基本概念和基础知识,2.良好的综合性机械性能3.理化性能好4.在相同的栽荷条件下，裂纹扩展速度远低于相应金属。裂纹的逐步发展易发现，不易发生突发性事故。5.与树脂基相比，其缺点主要是：生产成型工艺困难；易形成脆性界面层；,第一部分复合材料的基本概念和基础知识,六、陶瓷基复合材料1.陶瓷基复合材料的优缺点主要优点如下：工作温度高，适合高温环境工作（碳纤维增强的陶瓷基复合材料工作温度可达10001200）；好的抗压强度；优良的高温抗氧化性能；高温下优良的尺寸稳定性。,第一部分复合材料的基本概念和基础知识,主要缺点如下：抗拉强度较低；较脆，常温和高温下冲击韧性偏低；不能进行常规紧固连接；机械加工困难。为此，工程人员往往借助大型炉子进行整体成型，避免紧固连接，加工成近似的最终成形件或最终形状，避免或减少机械加工。,第一部分复合材料的基本概念和基础知识,七、碳/碳（C/C）基复合材料所谓碳/碳复合材料，就是用碳纤维增强基体碳的复合材料。该材料是当今能承受温度最高的材料，同时具有很好的高温强度和尺寸稳定性。在极高的温度下，不仅能保持，甚至还能提高结构的性能。归纳起来碳/碳复合材料主要有下列特点与优点：,第一部分复合材料的基本概念和基础知识,极高的耐温性（可达35005000oF）（19302760）。高温下3500oF（1930）强度实际有增加，而一般金属和其它复合材料都将遭到破坏。强度和刚度高。形状不随温度变化而变化，高温下尺寸稳定性好。抗烧蚀，烧蚀质量好，烧蚀中能保持结构特性。良好的机械特性和良好的耐热冲击性。碳纤维用目前的二维（平面）或三维（空间）编织技术可得到优异的增强材料。,第一部分复合材料的基本概念和基础知识,碳/碳复合材料制造工艺过程碳/碳复合材料制造工艺过程可归纳如下：有机纤维编织预成形件高温碳化（石墨化）固态热解浸渍压实液态热解浸渍热处理气态热解机加工密封详见下列工艺流程方框图：,第一部分复合材料的基本概念和基础知识,A,固化后的二维、三维增强预成形件,热固树脂,热塑树脂,碳氢化合物蒸汽,固态热解,液态热解,气态热解,浸渍,浸渍,机械加工,碳化,热处理,热处理,热处理,碳/碳复合材料,一到四次,一到三次,一到四次,第一部分复合材料的基本概念和基础知识,第一部分教材内容到此结束谢谢！,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,第一章复合材料的组成一、复合材料的基础成分与形式复合材料的基础成分主要有：树脂、纤维、粘接剂（胶粘剂）、蜂窝芯等。1、基体定义：基体是将复合材料中的增强体（纤维）粘接并固定在一起的均匀材料（树脂）。两大类：热塑性树脂；热固性树脂。目前飞机上主要使用热固性环氧树脂体系。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,2、增强体材料（1）玻璃纤维增强材料玻璃纤维增强材料有多种形式：长丝、带、织物和预制件等。玻璃纤维也有多种型号：E型有电磁场使用要求的玻璃纤维，主要用于雷达天线罩等。C型有好的防腐性能，用于防腐部分。S型强度性能好，用于有强度要求的结构部件。E型和S型强度相似，但成本低，故波音飞机大部分使用E型玻璃纤维。此外，还有M型、L型玻璃纤维等。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,（2）KEVLAR纤维芳纶纤维KEVLAR纤维是芳纶纤维的注册商标。有很高的拉伸强度和抗冲击能力，但拉伸模量低。KEVLAR纤维重量轻、强度大、韧性好，但抗压强度低，吸水性强，可吸收相当自身重量的8%的水份。KEVLAR纤维有两种类型：KEVLAR49为高刚度的、高强度的。KEVLAR29为低刚度的，很轻，密度略大于铝的1/2。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,（3）碳/石墨纤维第一部分已有较祥细的介绍，这里不再重复。请注意一点，碳纤维是欧洲人的叫法，石墨纤维是美国人的叫法。严格讲两者在密度上还是有些区别的。（4）陶瓷纤维陶瓷纤维是白色的，主要用于约22000F左右的高温区如防火墙、发动机高温部件等。（5）硼纤维（略）,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,3、维修或制造复合材料的组份材料（1）丝束长丝也叫长纤维，是一根根的很长的纤维，也叫单纤维丝，通常还称为缕。由一定数量的单纤维丝结成束的称之为束或股（纱）。束通常用于碳纤维，股（纱）通常用于玻璃纤维和芳纶纤维，股中包含的单纤维丝的数目要比束中包含的多。单向带和织物一般是由纤维束或股制成。束中包含1000根单丝的用1K表示，2000根的用2K表示等。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,（2）单向带（胶带）单向带由束或股（纱）在树脂基体中沿单一方向排列而成。（3）织物织物是由纤维束（股）按一定的方式编织而成，纤维束有经线方向和纬线方向（也叫填充方向）之分。经线方向是沿织物的纵向，即织物卷轴的展开方向。与经线相交（垂直）的方向叫纬线方向（也叫填充方向）,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,经线方向和纬线方向的识别：织物卷轴的展开方向为经线方向；在织物中插入某种颜色的示踪线定义为经线，如插入黄色的KEVLAR经线；在织物预浸料的塑料底膜上用红色示踪线表示经线方向；在塑料底膜上用菱形图案确定经向，菱形的锐角方向表示经向。经向的判断与识别在复合材料维修过程中非常重要。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,4）布边布边也叫编织边，其作用是防止织物边缘丝束的松散。布边的编织结构与布内不同，强度等性能也有区别，故在制造或修理前应将布边去除。（5）粘接剂（胶粘剂）粘接剂有多种形式，如薄膜状、糊状、泡沫状等。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,胶膜胶膜是涂在一层支持薄膜（网状涤纶、尼龙、玻璃纤维布）上的胶粘剂，属“B阶段”环氧树脂胶。主要优点：使用方便，不需要混合的设备，性能稳定，厚度均匀。主要缺点：必须冷冻保存，加温加压固化，价格较贵。糊状粘接剂胶体和固化剂均为糊状的粘接剂可室温或加热固化，保存期长且不需冷藏。须注意的是，使用前仓促配制，有导致人为错误可能，如混合不均匀、重量不准确等。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,泡沫粘接剂泡沫粘接剂是含泡沫剂的环氧树脂体系。固化时泡沫剂会膨胀，主要用于蜂窝搭接区域的边缘填充和粘接修理。泡沫剂的膨胀比在1.35.0之间。泡沫粘接剂有糊状和膜状两种，膜状即我们常说的发泡胶条。发泡胶条需冷藏保存，以防从B阶段开始固化。波音一般使用2500F和3500F固化的发泡胶。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,填充剂及类型填充剂是在混合后的树脂中加入的材料，用以改变树脂胶的性能，如密度、强度、弹性、粘性、导电性等。这对于蜂窝修理和防止脱开很有作用。常用的填充剂有：短纤维：它是由玻璃纤维、KEVLAR或碳纤维切割而成，用于外形修理、错位孔及冲击孔的修理。碎纤维：碎纤维是更小的磨碎纤维，用于小的表面缺陷、划伤、V形小刻痕及孔的修理。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,微珠：它是由玻璃和酚醛树脂做的微小的球体。加入树脂中可降低树脂的密度和弹性，可用于蜂窝芯边缘的填充、紧固件的填充和孔的修理。6）芯体材料夹层结构包括两部分，即芯体和蒙皮。芯体支撑蒙皮防止翘曲并承担平面剪切载荷，芯体必须具有高的抗剪强度和抗压刚度。芯体有蜂窝和泡沫两种，波音主要使用蜂窝芯体。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,（7）预制件定义：用预浸的或干燥的纤维或单向带编织在一定形状的阳模上（如管状阳模）所得到的复合材料半成品。工艺上一般采用长丝缠绕的方法。此工艺主要用于生产过程，与修理工作关系不大。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,二、复合材料制造或维修中的工艺辅助材料复合材料制造或维修中用到的辅助材料很多，但它们都不会成为被修理部件的一部分。常用的工艺辅助材料有：有孔分离膜真空袋无孔分离膜真空袋封严胶带吸胶布记号笔和铅笔均压板液态脱膜剂透气布脱膜织物,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,第二章材料的管理通常情况，复合材料制造和修理过程中一些材料，如预浸织布、预浸带、树脂、胶粘剂等都应在规定的温度范围内存贮，存贮和使用都应有一定的时间限制。一、冷藏保管前面已提到，预浸织布、预浸带、树脂、胶粘剂等材料中的树脂都处在“阶段”，室温保管会加速树脂的固化进程，发生胶连，失去使用的价值，必须存放在带有温控设备的冷藏箱中低温保存（如00F18）。材料在运输过程中的短期存放，一般采用干冰存放在隔热容器中。波音规范（如）给出了每种材料的存贮温度要求。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,二、时间限制与寿命处在“B阶段”的材料在存放和使用上都有一定的时间限制。请注意下面几个概念：存放寿命一种材料在低温下存放所允许的最长时间。机械寿命在室温下（离开冰箱）到材料开始固化前这段最长时间为机械寿命。处理寿命室温下完成铺层和加压的推荐时间为处理寿命。处理寿命短于机械寿命。外露时间指一卷给定的材料处于室温条件下所有的累积小时数。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,请注意下列几点：（1）材料从冰箱取出时，应及时封装在气密袋中；（2）材料在室温下慢慢升温，袋外会产生冷凝水，必须等水气消失后，方可打开包装，切割材料；（3）在材料切割操作之后，立即记录材料的外露时间，并将材料装进密封的塑料袋中，送回冰箱存贮；（4）材料的外露时间记录应随材料走；（5）如果冷凝水未干，就打开材料包装，会使材料沾染上水汽，造成材料固化后多孔疏松，结构强度下降。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,第三章设施和设备一、车间设备和工具（1）手持工具在复合材料修理中，手持工具是最普通最常见的。除手持工具外，还有台式工具，如带锯、带式砂磨机、台钻等。（2）气动工具在碳纤维复合材料部件上不能使用电动工具，因为碳是导电的，加工时的粉尘易造成电动工具的短路。车间内如使用电动工具都应选用封闭型的。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,（3）吸尘设备车间必须配备真空吸尘系统，用来吸集粉尘、纤维丝和修理中产生的其它废料。粉尘和纤维丝虽然无毒但能刺激呼吸道。碳纤维废料最好埋在地下。带废料收集的工作台、抽风打磨隔间是最好的吸尘设施。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,（4）切割工具复合材料切割的基本原则是：高速，低进给。碳纤维复材切割刀具碳纤维复材的修整和切割主要使用金刚砂刀具，而不用高速钢刀具，因碳纤维复材的硬度很高，高速钢刀具磨损很快。打磨一般使用氧化铝或碳化硅砂纸或砂布，碳化硅比氧化铝耐磨，工作时间长。铣刀刀头可由硬质碳化物制做。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,玻璃纤维复材切割工具玻璃纤维硬度也很高，高速钢刀具不适合，与碳纤维使用刀具相同。Aramid纤维复材切割工具Aramid纤维复材不象碳纤维和玻璃纤维那样硬，可用高速钢刀具。但要注意：Aramid纤维复材的切割边会有松散的纤维露出来，造成不良后果。为克服这一毛病：,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,一要将部件固定好，后用剪切的动作做切割；二要在部件下面垫一块支撑板（可用塑料板），切割时和支撑板一起切割;三刀具要锋利。Aramid纤维最隹的切割方式是：先将纤维绷紧，后剪切。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,（5）钻钻孔的总原则是：高速度，低进给。即转速要快，压力要轻。碳纤维复合材料碳纤维复合材料很硬，高速钢钻头磨损快，最后导致孔的尺寸偏小，所以还是选用特殊的碳化物钻头。玻璃纤维纤维复合材料与碳纤维复合材料钻头相同。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,Aramid纤维复合材料可用高速钢钻头或特殊的镰式Klenk钻头。该钻头可先将纤维拉紧，后再剪切切割，钻出的孔比标准钻头好得多。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,（6）加热设备设施复合材料的修理一般都需要一个升温的固化周期，这就需要一套加热装置和控温系统。常用的加热设备有热压罐、烘箱、电热毯等，控温系统有计算机程序控制器、计算机预先程序控制器及手工控制。热压罐（略）烘箱,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,电热毯电热毯是一种很灵活的加热器。它是由两层硅胶夹一层金属电阻加热元件构成。其输出功率以每平方英寸上的瓦特数计算。每平方英寸输出5瓦功率的电热毯对于修理复合材料就绰绰有余。电热毯控制器（计算机程序控制器）最常见的加热控制方式是由计算机控制的电热毯，其控制温度范围在100FC以内。既热补仪。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,加热灯和热空气加热灯：加热灯只用于低温固化修理，不适用于高温固化修理；加热灯到修理部位的距离决定修理部位的温度，因此必须有一个可调节的支架来调节灯到修理部位的距离；,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,热空气系统：热空气系统可用于小型固化修理或修理区域干燥。系统中也应有控制热空气和修理部位温度的方法。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,第二章复合材料防腐设计1.腐蚀类型（1）树脂基体的腐蚀树脂基体的腐蚀分物理腐蚀和化学腐蚀两大类。物理腐蚀指腐蚀介质经扩散或被吸收进入树脂内部，导致聚合物的性能发生改变（如吸收水分的溶胀）。化学腐蚀是指腐蚀介质与树脂基体发生化学反应引起的变质现象。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,（2）界面腐蚀界面主要是指树脂和纤维的界面、铺层之间开胶分层的界面、胶粘接头开胶的界面等。界面腐蚀既有物理腐蚀也有化学腐蚀。如，水分引起的溶胀，水分在温度作用下的热胀冷缩；酸、碱等腐蚀介质的化学浸蚀等。2.防腐设计(略),第二部分复合材料制造与维修的相关知识,二、复合材料与金属间的电偶腐蚀1.电偶腐蚀的定义在腐蚀电池中，电位较低的金属成为电池的阳极而遭到腐蚀的现象叫电偶腐蚀。碳纤维中的碳在金属电位分类表中，属电位较正的材料，显示贵金属的特性。一般金属与其接触，金属往往因电位偏低成为腐蚀电池的阳极而被腐蚀。飞机上的铝合金常常因电偶腐蚀而遭到破坏。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,2.防止电偶腐蚀的措施（1）最大限度地防止或减少腐蚀介质的聚集。因腐蚀介质是引起电偶腐蚀的必要条件。（2）根据电偶腐蚀的原理，不同材料之间电位差是电偶腐蚀的根本原因，电位差越大电偶腐蚀越严重。同类材料之间一般不发生电偶腐蚀（即使发生也是很轻微的）。这样，为防止碳纤维复合材料与金属之间发生电偶腐蚀，我们应尽量选用与碳在同一类的金属，如不锈钢、钛及钛合金等与其接触。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,（3）如碳纤维复合材料必须与金属铝装配在一起，则必须采取隔离密封措施。如在碳纤维复合材料表面共固化一层玻璃纤维铺层，起到绝缘作用。（铝的电位0.75；石墨为0.1其差为0.85）（4）为防止碳纤维层板与铝蜂窝之间发生电偶腐蚀，应使用非金属材料蜂窝，如玻璃纤维蜂窝等。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,第三章复合材料结构的疲劳强度第一节复合材料的疲劳特性一、疲劳性能优于金属对于具有高强度、高模量、低密度的先进复合材料，如芳纶、硼纤维、碳纤维复合材料，它们的纤维对疲劳不敏感，这就是先进复合材料具有良好抗疲劳性能的原因。除E玻璃/环氧比铝的疲劳性能差外，其它复合材料的抗疲劳性能一般都比铝合金好。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,二、疲劳损伤的特点复合材料疲劳损伤的形式是多种多样的，有脱胶、分层、基体龟裂和纤维断裂等。复合材料可能是以一种损伤形式为主，也可能是几种损伤形式联全出现。三、疲劳损伤对强度的影响树脂基复合材料最初损伤是在基体上出现垂直于载荷方向的裂纹，随着循环加载次数的增加，基体中的裂纹也增加。但这种初始损伤对复合材料的强度没有明显影响，因为复合材料是纤维承受主要载荷。直到纤维开始断裂，其强度才缓慢降低。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,四、疲劳损伤对刚度的影响一般金属材料在裂纹较短时，随着裂纹扩展刚度变化很小。但复合材料不同，在循环加载后不久，刚度就开始下降，这种下降一直持续到构件破坏。所以有人认为，复合材料应以刚度损失作为疲劳损伤的主要指标。五、复合材料层合板的拉拉疲劳寿命高于压压和拉压疲劳寿命。这是因为压缩载荷会造成层合板的分层和屈曲。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,第二节影响复合材料疲劳强度的因素一、基体材料不同基体材料抗疲劳性能不同。二、增强材料1.不同增强材料抗疲劳性能不同。2.适当增加增强材料的含量，可提高其疲劳强度。3.疲劳强度与基体和增强纤维之间的结合力有关。结合力好，疲劳强度高。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,三、铺层1.铺层方向（纤维方向）铺层方向对复合材料疲劳强度影响很大。2.铺层顺序不同的铺层顺序对复合材料的疲劳强度也有影响。四、载荷类型载荷类型不同，复合材料表现的疲劳性能也不同。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,五、环境因素1.温度和湿度是环境因素中对复合材料力学性能影响最明显的因素。但对于以纤维破坏为主要形式的层压板来说，温度和湿度对疲劳强度的影响便不明显。2.干、湿度对不同铺层层合板的疲劳强度影响不同。3.不同树脂基体的复合材料，其疲劳强度受温、湿度的影响也不同。六、切口大多数复合材料层合板疲劳试验数据表明：切口（包括圆孔）所引起的疲劳强度降低是不明显的。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,第四章复合材料结构的损伤复合材料损伤的主要类型有：基体树脂裂纹、界面分层、纤维断裂、脱胶等。这些损伤很少单独存在，一般都以某种组合的形式存在。无论哪种组合都会导致材料疲劳强度和刚度的下降。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,一、基体树脂裂纹复合材料层合板在拉伸和交变载荷作用下，我们首先能在偏轴层内看到基体裂纹。最早出现裂纹的是900铺层，而后才是其它铺层。一般来说，相对轴向载荷方向的角度越小，越不容易形成基体树脂裂纹。在交变载荷作用下，随着循环次数的增加，偏轴层内的裂纹数也在增加，但当裂纹间的距离达到某一值时，裂纹数基本就不再增加了。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,二、层间分层（1）层间分层的原因在面内轴向载荷作用下，沿着复合材料构件边缘会产生层间拉应力或压应力（垂直层合板平面方向）。如果外载荷（静载荷）引起的层间应力是拉应力，且超过了材料的层间强度，这时层板自由边缘处就会出现分层。（2）层合板的铺层顺序和载荷类型决定法向应力是拉应力还是压应力。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,三、纤维断裂与界面（纤维与树脂）脱胶纤维断裂与界面脱胶主要取决于组分材料的性质和纤维的缺陷。大多数以聚合物为基体的复合材料，如硼和碳纤维复合材料，由于纤维存在缺陷和薄弱环节，基体破坏应变量往往大于纤维的应变量，在拉伸载荷作用下，常常出现纤维优先断裂，纤维断裂形成的裂纹在随后的加载过程中向基体中扩展。扩展的路径取决于纤维和基体界面的性质。有三种情况：,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,1）纤维与树脂粘接很牢固，裂纹扩展进入基体，形成光滑的裂纹表面。如右图（a）所示。（2）纤维与树脂粘接不很牢固，裂纹向基体与纤维的界面扩展，导致界面脱胶，纤维拨出。如右图（b）所示。（3）粘接的中间状态，（a）（b）（c）呈纤维拨出的不规则破坏表面。纵向拉伸破坏模式如右图（c）所示。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,四、刚度（弹性模量）和强度的变化1.复合材料基体裂纹的形成、扩展和数目的增多，使复合材料刚度逐步下降。静力拉伸试验初期，随着应力增加，基体内裂纹密度迅速增加，刚度下降也很快。当拉伸应力水平较高时，两者都趋于稳定值。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,2.强度的变化试验表明，在疲劳试验初期，复合材料强度几乎没有多大变化，随着交变载荷循环次数的增加，强度开始下降，在最后10%的疲劳寿命期内强度急剧下降，直至材料破坏。强度随交变载荷循环次数的降低与层合板的种类、载荷的类型和大小有关。通常，只有多向层合板在破坏前强度逐渐降低，而00铺层纵向层合板，在破坏前强度几乎没有变化。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,第二节撞击损伤一类：硬物体撞击的损伤硬物体是指：飞机起飞和着陆跑道上的石子，空中飞行遇到的冰雹，制造、维修过程中跌落的工具等。硬物体撞击常常引起复合材料的局部损伤，造成复合材料强度下降，甚至短时间发生疲劳破坏。二类：软物体撞击的损伤软物体主要是指飞鸟。这种撞击可能直接造成结构破坏，有时只引起局部损伤。这要看撞击物的质量、材料、撞击速度和撞击时的角度。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,撞击损伤区：撞击损伤区由两部分组成：一是损伤源有不规则的外形，有少量不同方向呈放射状的裂纹。二是外延损伤主要包括从损伤源的边缘产生的00与900裂纹，及在00和450界面上形成的“树叶状”裂纹,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,第三节雷击损伤一、雷击分区所有飞机都可能受到雷击，飞机的不同部位受到雷击的几率也不一样。因此，我们将飞机划分成几个雷区。区域1：主要雷击区。包括机头雷达罩、整流罩前缘、翼尖、垂尾和平尾的表面。区域2：雷击掠过区。机身、发动机罩、各种短舱和机翼的其它部分。区域3：飞机的其它部分。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,二、雷击的损伤与防护由于复合材料的不导电性（碳纤维复材除外），雷击的后果将会导致电弧附着表面的烧蚀和侵蚀。这与雷击金属的损伤完全不同。选择复合材料做飞机结构时，必须全面考虑防雷击措施。通常金属结构上采用的防雷击措施，由于复合材料电阻大导热差而不能使用。有效的防雷击必须在金属与复合材料之间有良好的电连接，为积累的摩擦静电和雷击电流提供良好的消散通路。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,例如，在易遭遇雷击的复合材料部件上火焰喷涂铝或包铝。如喷涂铝还不足以提供必要的导电性能时，可在结构表面安装200A的铝网，如方向舵、升降舵的表面常这样处理。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,第四节夹芯结构的损伤一、夹芯结构的损伤类型1.面板起皱当夹芯结构的一侧面板或两侧面板承受压缩载荷时，如果胶粘剂平面的法向拉伸强度不够高，面板可能局部向外凸出；如果芯子压缩强度不够，面板可能向内凹陷。面板起皱一般是由于夹芯结构受到较大的弯曲载荷或压缩载荷而形成的。2.面板裂纹3.夹芯压瘪,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,4.面板与夹芯脱胶虽然夹芯结构具有抗声振疲劳的特性，但如长期处在声振环境中，面板与夹芯之间可能产生脱胶分层损伤。胶粘剂的老化也会造成面板与夹芯之间脱胶破坏。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,第七章制造与维修中的加工先进复合材料的加工工具和技术与金属材料有很大的不同：先进复合材料对加工时的温度有限制。虽然纤维可以承受高温，但树脂的温度不能超过一定的范围。否则材料将会遭到破坏。由于复合材料的热传导性能不好，在加工区形成的摩擦热，不能象金属材料那样迅速传导到其它部位，这些热量只能靠加工工具或切割冷却液带走。注意：切割液选择不当或使用不当都可能导致零件表面不能粘接。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,第一节夹芯层合板的切割一、高压水切割（略）二、带锯带锯是一种切割工具。剪裁复合材料锯条的锯齿应是1422齿/in，切割时下面要垫一块平整的木板，以防切割边分层。进料速度取决于工件的厚度。三、气动铣注意：在碳/石墨复合材料上应使用气动铣，而不可使用电动铣。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,第二节边缘去毛刺切割后的复合材料层压板边缘必须将毛刺去除，这是不可省去的一道工序。一、手工打磨湿法打磨用240#碳化硅砂纸；干法打磨用150#氧化铝砂纸。二、机械打磨机械打磨使用90#弯头、2英寸直径和120#砂轮。注意：机械打磨时，运动方向与盘的旋转方向一致。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,第三节在复合材料上钻孔注意：孔边去毛刺对于直径小于3/8英寸的孔，可用打磨块手工打磨去除毛刺。在复合材料上钻孔，一般要采取一定的措施来保证钻出孔的质量。如：,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,用限深钻控制钻头的转速和进刀速率，防止出口分层控制埋头孔的深度，防止钻穿控制钻头驻留时间，防止磨粉的摩擦造成孔尺寸超差（驻留时间：指孔钻通后钻头的留孔时间）选用先进材料钻头,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,钻孔工具：花头钻头锥形钻头普通钻限深器旋转镗（孔）刀孔锯埋头孔钻头,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,第四节抛光（砂纸机）在各种操作，如切割、边角倒圆、表面磨削或喷漆等之后，进行螺旋抛光打磨特别合适。旋转打磨器应在9000转/分下工作，打磨头一般用直径6英寸。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,第五节蜂窝的加工一、蜂窝的机械切割可用铲刀将芯材切割成所需厚度的尺寸和形状，再进入下一道生产或维修工序。二、存贮与清洁蜂窝在存贮时要严加保护，防止砍、碰、撞、压造成蜂窝芯的变形或尺寸的改变；防止被水浸泡，油脂及其它脏物污染。切割后的蜂窝芯体必须进行清洁处理。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,被污染的芯材可在丙酮、MEK溶液中浸泡60秒，最多可增加三次浸泡。注意：修理过程中，打磨芯材的灰尘最好用吸尘器吸，不要用压缩空气吹。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,第八章安全一、安全通则在复合材料维修中要用到很多不同材料，如清洁溶剂、粘接胶料、各种预浸（带）织布，粘接、封严、浸渍所用的胶料系统等，这些材料都有一定的危害，而生产厂商对每一种材料都附有一份材料安全数据表MSDSMaterialSafetyDataSheet。表中列出了材料的物理数据、成分、防火性、防爆性、防飞溅和渗漏的信息。在复合材料生产和维修过程中不可缺少，否则不具备生产或维修的适航条件。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,发货前，波音在所有有害材料的包装中都放有MSDS；车间用的所有材料都应保存MSDS的复印件；第一次使用某种材料前要阅读MSDS；在你确认对该材料不知如何防护时，也应阅读MSDS。二、皮肤防护环氧树脂对人体皮肤有害，有些人对其易过敏，因此，使用时应用手套或手膏保护。使用胶粘剂时务必要用手套，因手膏对胶接效果会产生相反的影响。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,进行湿铺层修理时，必须戴内衬棉垫的氯丁橡胶手套、防护服和护目镜，以防溶剂及其蒸气的有害影响。防护服一般为纸质的，属消耗器材。保护皮肤的最好措施是戴内衬布垫的橡胶手套。这种手套能吸汗，不用时应将内衬翻出晒干。手套被污染或使用多次后应更换，否则会产生真菌感染或皮疹。工作服或实验服可防止衣服沾染和皮肤接触，实验服一般能保护膝盖以上部位，工作服能防护全身。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,三、眼睛与面部防护（1）护目镜/安全眼镜能保护脸前部及侧面来的冲击伤害、飞溅液体和灰尘。护目镜可单独使用，也可与按规定要求的其它眼镜一起使用。（2）面罩用来保护操作人员的脸部，防止化学物质飞溅或辐射热（烘箱等）带来的伤害。面罩可在分发大批量溶剂和混合大批量树脂时使用，是护目镜和防撞眼镜的补充。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,四、呼吸器官防护（1）通风设备复合材料的生产或维修场地必须要有良好的通风设备，否则会对工作人员健康带来一定的危害。铺设或切割硫化复合材料时，必须要有良好的呼吸道保护措施。因高速切割产生的磨擦热将会使复合材料分解，产生有毒气体，危害人体健康。（2）面罩与安全眼镜打磨操作人员及周围人员必须配戴防尘面罩与安全眼镜。并建议使用真空吸尘器。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,五、工作环境工作环境不仅影响产品的质量，也关系到工作人员的安全与健康。工作环境既要考虑生产条件，也要考虑安全措施，两者不可偏颇。六、铺设区铺设区应避开灰尘、水汽、油雾、逸出的火焰及其它不利的东西，必须注意铺设区的洁净。建议：铺设区不要与切割、打磨、钻孔等工序在同一房间进行。,第二部分复合材料制造与维修的相关知识,第二部分教材内容到此结束谢谢！,第三部分复合材料的维修,第一节复合材料的损伤及分类复合材料在使用过程中始终保持完好无损、性能不变是不可能的，很多人为因素和自然因素都会造成复合材料的各种损伤。常见的损伤形式有：（1）表面损伤：（2）冲击损伤：（3）分层：（4）脱胶：（5）慢性长期损伤：（6）渗水、吸潮损伤。（7）制造过程产生的损伤:,第三部分复合材料的维修,根据损伤的程度和损伤部位的重要性，可将复合材料飞机结构的损伤分为三大类：许可（允许）的损伤可修理的损伤不可修理的损伤一、许可损伤1.许可损伤定义指不影响飞机部件结构的完整性和使用功能的损伤。这类损伤在飞机设计寿命之内不需要进行结构修理，但局部装饰性修复还是需要的，如用填料填平划痕，再补上涂层等。,第三部分复合材料的维修,2.常见许可损伤的类型擦伤：刻痕：有时间限制的许可损伤：裂纹：洞：分层：脱胶：潮气：化学侵蚀：,第三部分复合材料的维修,二、可修理的损伤定义：指对部件结构的完整性和使用功能有轻微影响，并能降低设计寿命的损伤。这类损伤必须立即进行修理，如一时无法进行永久性修理，可先进行临时性修理，然后在规定的时间限制内转为永久性修理。三、不可修理的损伤定义：指对部件的结构完整性和使用功能有较大影响，修理后无法满足强度、刚度及功能要求，或修理是不经济的。对于不可修理的损伤，最终只能更换零部件。,第三部分复合材料的维修,第二节复合材料损伤的检测与评估在确定损伤部件的修理方案之前，必须对损伤部件进行彻底的检查，对损伤范围和损伤程度作出正确的评估。1.损伤的检测复合材料飞机结构损伤主要有以下几种检测方法：（1）目视法：可检测损伤位置、损伤面积和损伤程度；（2）敲击法（金属铃声法）：可检测分层、脱胶、基体软化和某些裂纹；,第三部分复合材料的维修,（3）渗透检测法基本原理：将一种含有染料或荧光粉的渗透剂涂在零件的表面上，渗透剂可渗入表面有开口的损伤或缺陷中，然后去掉表面多余的渗透剂，再在表面涂（喷）上一薄层显像剂，损伤或缺陷中的渗透剂就又被吸附到零件表面上来，显示出损伤或缺陷的形状来。一般使用荧光渗透法。,第三部分复合材料的维修,（1）渗透（2）清洗,（3）显像（4）观察,第三部分复合材料的维修,（4）射线检测法射线通常包括X射线、射线和中子射线。在无损检测中一般都用X射线。X射线具有与光一样的特性，如反射、衍射、干涉等性能。但它能穿透可见光不能穿透的物质，不同的物质对其吸收率也不同。X射线法在复合材料检测中的应用检测零件表面裂纹或内部裂纹对于撞击、雷击等可目视的损伤，可用X射线法确定损伤程度（尤其内部情况），从而对损伤进行评估。蜂窝夹芯结构中的积水，X射线是最好的检测方法。,第三部分复合材料的维修,（5）超声波检测法人们可以听到的声频范围在2020KHz，高于20KHz的声波为超声波，超声波是一种波长较短的机械波。在无损检测中，用得最多的是15MHz的超声波。超声波在复合材料损伤检测中的应用分层或脱胶的检测裂纹的检测超声波在复合材料中检测裂纹不如在金属材料中效果好.,第三部分复合材料的维修,（6）涡流检测法基本原理应用从涡流检测的原理可知道，涡流法只能检测能导电的碳纤维复合材料，其它复合材料不能使用。涡流法对于纤维断裂损伤比较敏感，检测灵敏度高。对于表面或近表面的纤维断裂，用高频涡流检测。对于深处裂纹则应使用低频涡流检测。对紧固件孔边裂纹损伤的检测，可选用与紧固件孔相适应的小探头，在孔内旋转并上下移动进行检测。涡流检测的最大优点是可在现场原位检测。,第三部分复合材料的维修,（7）其它检测方法(略)声振检测法微波检测法红外检测法激光全息检测法（8）具体方法的应用举例表面没有穿透的损伤,第三部分复合材料的维修,擦伤：用目视法检查表面，确定损伤面积和深度；刻痕、划槽等：目视检查并确定长度及位置，用光学方法测量深度；分层及脱胶：目视检查表面，确定操作面和相对于任何内部结构的位置。用敲击法或无损检测法精确画出破坏区域。敲击法，即用一块敲击件（如硬币）敲打怀疑损伤区域，中空的声音表示分层或脱胶。对于无损检测，可优选超声波法，可精确确定内部结构情况。,第三部分复合材料的维修,对于位于肋、翼梁、长桁之间或之上的蒙皮或蜂窝夹芯结构上蒙皮的破坏，要围绕破坏区域检查一个园形区域（如图3-3），以查出可能的分层及脱胶破坏。表面穿透的损伤这种损伤可先用目视法，检查并确定破坏的类型和程度，查明破坏相对于内部结构的精确位置，然后再用X射线法确定内部（如肋、凸缘、翼梁、蜂窝芯损伤及水汽等）破坏的程度，检查是否有分层或脱胶损伤。,第三部分复合材料的维修,2.损伤的评估通过检测确定了损伤的程度之后，参考SRM相关章节对损伤进行评估，以便决定采取什么修理方案。注意：如果两个或多个损伤靠得很近，则应将它们视为一个整体的损伤区域。,第三部分复合材料的维修,第六节复合材料修理的分类从不同的角度，复合材料的修理分类方法不同，主要有如下几种分类方法：1.根据修理区域加不加补片分为两类（1）非补片式修理树脂注射法混合物填充法热处理法表面涂层法抽钉法,第三部分复合材料的维修,2）补片式修理方法本方法适用于修理较大的损伤和缺陷，修理工艺比较复杂。根据补片材料、补片的结构形式及修理工艺，又可将补片修理分为以下几类：外搭接补片胶接法该法可以修理较薄层压板或蒙皮，在外场条件下这种方法较容易实现，且强度可恢复到70%100%，故该方法应用比较广泛。,第三部分复合材料的维修,外搭接补片螺接法本方法适用于厚层压板（825mm）的修理，补片材料一般为金属材料，如钛、铝等，修理工艺简单，不需要特别的专业人员和太多的修理设备，故非常适用于外场紧急修理。嵌入式补片修理（不含蜂窜芯修补）该方法适用于修理含穿透性或半穿透性损伤较厚的零部件。修理时需要去掉一部分母体材料，便制成斜面或台阶面，工艺比较复杂，耗时较多，一般在永久性修理时采用，效果较好。接头形式有两种：斜削式和阶梯式。,第三部分复合材料的维修,2.根据损伤程度和性能要求分为四种类型（1）临时性修理（暂时性修理）这种修理也叫“C级临时性修理”。（2）过渡性修理这种修理也叫“B级过渡性修理”。（3）永久性修理这种修理也叫“A级损伤允限修理”。（4）更换部件损伤严重，无法用修理来恢复其结构的完整性，即使能修理，但经济不合算，故更换零部件是唯一的办法。,第三部分复合材料的维修,第二章修理程序与基本操作虽说复合材料的修理分类很多，但其最典型的修理方法就是湿铺层法和预浸料法，其修理的大体程序基本相似。第一节修理程序具有代表性的较全面的修理程序如下：材料识别标明损伤区域切除损伤材料（如蒙皮、蜂窝芯等）切口（坡形或台阶形）打磨或去除表面层,第三部分复合材料的维修,干燥修理区域清洁修理区域安装新蜂窝芯（如果损坏了）固化蜂窝芯（如果损坏了）铺贴修理层检查修理结果封严修理区域重新喷涂面漆,第三部分复合材料的维修,一、识别材料材料识别是很重要的一步，如果修理材料与原部件材料不同或不协调，其修理结果会不如人意，甚至前功尽弃。识别依据应该是SRM和工程图纸，还可结合损伤区域材料的解剖。,第三部分复合材料的维修,二、确定损伤界限表层损伤可用目视法确定损伤界限厚度5层的蒙皮，用敲击法确定损伤界限大于5层较厚的部件，用无损检测法确定后的损伤用许可使用的记号标出其位置。,第三部分复合材料的维修,三、去除损伤确定了损伤的区域之后，通常使用气动的磨床、锯或铣刀去除损伤。许多修理要求切口进行斜坡打磨，其目的是为了增大粘接面积，提高粘接强度，此外的作用是为了看出铺层的边界，以利铺贴。坡形的斜度有下列参考原则：-层板的厚度越薄斜坡的比率越大-受拉区域的斜坡比率比受压区域的大（斜坡比率L/H）,第三部分复合材料的维修,四、去除损伤蜂窝芯去除蒙皮后，有可能需要去除部分或全部蜂窝料。当更换部分厚度蜂窝芯测量芯体损伤的深度，至少要去除0.5英寸的芯体材料。取出芯体后用280目的砂片去除毛刺，再从保留的芯体材料中去除灰尘和污染物。当更换全部蜂窝芯用扁平刀片的刀子沿着损伤区域的蒙皮边沿切割蜂窝芯，再用大的扁平刃的螺丝刀将损伤的芯体从下蒙皮上分离出来，最后用砂片去除残留的芯体，但要注意不能划伤下蒙皮。,第三部分复合材料的维修,五、干燥修理区域修理区域的干燥常用的有两种方法；一是烘箱干燥；二是真空袋、电热毯或烤灯干燥。两者各有利弊，前者要求部件能从飞机上拆下来，并能放进烘箱内，时间和温度的要求与真空袋法相同。后者可现场进行，与部件的位置、尺寸关系不大。,第三部分复合材料的维修,六、清洁修理区域表面污染的危害污染的表面会降低修理胶接的结合力，影响耐久性，因此必须保持修理区域表面的清洁。修理材料：吸尘器、无毛布、无油干燥空气及溶剂。溶剂使用MEK或丙酮，无毛布绝对干净无污染。修理区域清洁过程（略）,第三部分复合材料的维修,七、固化（修理）工艺固化修理工艺有下列几个参数：加热温度：升温速率降温速率保温温度与时间压力：真空压力热压罐压力,第三部分复合材料的维修,加热设备最常用的加热设备是由计算机控制的电热毯，热电偶为控制仪器提供温度高低输入信号然后控制仪再给电热毯提供强或弱的加热电源，以达到控