复合材料基础知识培训

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,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,纤维类型,纤维性能,高强度型,高弹性模量,高弹性模量,高应变型,密度（,Kg/m,3,）,17001800,18001900,19002100,17001800,纤维直径(,m),78,78,89,58,拉伸弹性模量(,GPa),220250,340380,520550,240270,抗拉强度(,Gpa),2.53.5,2.22.4,1.81.9,4.04.7,断裂延伸率(%),1.21.4,0.60.7,0.30.4,1.71.8,电阻率(,/m),1518,910,67,线胀系数(10,-6,/), 0.5, 0.7, 0.6, 0.5,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：,KevLar 29、 KevLar 129、KevLar 49、 KevLar 149。（,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35005000,o,F）（19302760）。,高温下3500,o,F（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2200,0,F,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1,K,表示，2000根的用2,K,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250,0,F,和350,0,F,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0,0,F 18）。,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10,0,FC,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90,0,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,0,0,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0,0,与,90,0,裂纹，及在0,0,和45,0,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200,A,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,MSDSMaterial Safety Data Sheet。,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2020,KHz，,高于,20,KHz,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15,MHz,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（825,mm）,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