復合材料修理(理論)

1、波音飛機波音飛機復合材料修理復合材料修理目 錄u 第一章 復合材料簡介u 第二章 施工安全和材料的管理u 第三章 飛機復合材料結構設計u 第四章 加工u 第五章 修理的過程和典型結構修理u 第六章 鋁合金蜂窩夾層結構的膠接修理u 第七章 檢測第一章 復合材料的簡介l復合材料的定義l材料的形式l纖維增強材料l織物l基體和環(huán)氧樹脂體系l粘接劑l蜂窩及蜂窩夾芯結構定 義 由兩種或兩種以上的材料組合而成的材料稱之為復合材料。復合材料的范圍包括玻璃纖維增強復合材料、碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料、碳/碳復合材料、金屬基、陶瓷基復合材料。 教程中所涉及的復合材料是基于用一種或數(shù)種纖維排列鑲嵌在某些形式的聚合物樹

2、脂（基體）中。一般簡介材料的形式長絲 長絲又叫長纖維，是一根根的連續(xù)纖維，除了在幾何不連續(xù)處以外，在一個構件中通常沒有長絲的端頭。單向帶 單向帶是由紗在樹脂基體中沿著單一方向排列而成3. 織物 由紗、纖維或長絲織成的材料。纖維增強材料玻璃纖維Kevlar纖維芳綸纖維碳/石墨硼纖維陶瓷纖維圖1-2 纖維增強材料的形式圖1-3 布 邊圖 1-4 經(jīng)紗的方向圖1-5 石墨纖維生產(chǎn)工序圖1-6 石墨纖維的代碼織物的優(yōu)點比帶抵抗纖維斷裂和層間分離能力強損傷容限高，對“固化皺損”要求低，對于修理工作比帶好編織中減少了絲束分離抗疲勞損傷圖1-7 織布圖案圖1-8 預浸帶材料圖1-9 預浸布基體和環(huán)氧樹脂體系

3、 基體是一種將復合材料中的纖維或長纖維粘接在一起的均勻材料。 環(huán)氧樹脂由兩部分組成：樹脂和催化劑（或稱固化劑）。 *富脂:易產(chǎn)生裂紋*貧脂:由于有空隙而較弱 *固化溫度:是敏感的 +環(huán)氧:室溫至350 (177) + +聚酯：室溫至250 (121) + +聚酰亞胺:500及600(260-316) *熱固性:基體的化學反應*熱塑性:無化學反應 在600及700 融化(316-371) 圖 1-10 樹脂體系粘接劑膠膜是涂在一層支持薄膜上的粘接劑糊狀粘接劑由兩種組分混合泡沫粘接劑是含泡沫劑的環(huán)氧樹脂體系填充劑是在混合后的樹脂中加入材料，類型分為：短纖維、碎纖維、硅粉添加劑、微珠蜂窩及蜂窩夾芯結

4、構 蜂窩夾芯結構的特性：蜂窩夾芯結構有比常規(guī)金屬結構更高的比強度蜂窩夾芯結構具有更高的抗彎強度具有更高的結構阻尼、較高的吸音和耐聲振疲勞的性能1. 具有隔熱性能，并具有光滑的氣動外形圖1-12 蜂窩夾層結構圖1-13 芯格的形狀第二章 施工安全和材料的管理 施工過程中，需要佩戴好必要的勞動防護用品，化工品必須嚴格按照說明書來進行儲藏和使用。 第一部分 施工安全 第二部分 材料的管理圖21 皮膚防護和安全眼鏡施工安全圖2-2 呼吸器官的防護鋪設區(qū) 鋪設區(qū)必須避開灰塵、水汽、油霧、逸出的火焰及其他對粘接不利的材料。需注意鋪設區(qū)的潔凈。 建議：鋪設區(qū)最好不要與切割、打磨、鉆孔在同一個工作間內進行。圖

5、23 正確與不正確的工作環(huán)境對比材料管理存貯期 通常情況下，粘接劑、樹脂和預浸料應在規(guī)定的溫度范圍內存貯。 材料的存貯期是指從制造完成到它不再為飛機安全使用的壽命或時間。材料的存貯期可以通過存貯在10 以下或按照制造商所特別要求的溫度而延長。外露時間 外露時間是指一卷給定的材料處于室溫條件下的所有累積小時數(shù)。 外露時間從材料離開冰箱開始算起，總的外露時間不能超過制造商的規(guī)定。樹脂系統(tǒng)的比例配制指南保持臺秤的平臺和秤盤的清潔，稱重時應涂上脫模劑以免被樹脂站住扣除刻度的非零點部分以補償混合容器的重量比例應該在所用秤的刻度范圍之內（不能猜測中間的刻度），秤應能精確到1/10g，避免小量調制。不要將秤

6、從它本來的位置移走，因為天平有一定的水平要求。避免不意的外來影響。不要超出量程。稱重時不要試圖對秤做任何調整。圖2-5 隔柵式和秤第三章 飛機復合材料結構設計u復合材料的特性u材料密度u失效特性u材料強度u抗疲勞性u復合材料的連接u緊固件u鋪層的原則u夾層結構典型特點u樹脂的固化體系u腐蝕控制u先進復合材料在飛機上的應用復合材料的特性比強度和比模量高具有可設計性抗疲勞性能好減振性能好高溫性能好破損安全性好具有脆性材料的特性表31 材料特性密度表32 減重比較表 *線彈性直至屈服應力 *線彈笥直至極限應力*塑性極限破壞 *脆壞或突然破壞 *允許應力極限由屈服點決定 *受到濕度及溫度的影響 圖3-

7、1 破壞機制比較圖3-2 材料特性-強度 727石墨/環(huán)氧復合材料升降舵聲疲勞試驗*測試兩個盒段-在158分貝下分別試驗4個小時及8個小時-沒有發(fā)現(xiàn)損傷*預先施加沖擊損傷-在158分貝下試驗4個小時-沒有發(fā)現(xiàn)損傷擴展*聲疲勞性能大大優(yōu)于金屬注:一個普通的噴氣發(fā)動機產(chǎn)生100分貝的噪聲 圖3-3 復合材料的連接I圖3-4 復合材料的連接圖3-5 機械連接緊固件圖3-6 纖維方向要求鋪層的原則均衡 均衡的復合材料層合板是在中心平面坐標軸的兩邊有相同數(shù)目的鋪層。 例如：（+45,0,45,90/45,0,+45,90）是均衡層合板。二. 對稱 對稱是復合材料層合板即為在中軸兩邊有相同數(shù)目的鋪層，且距

8、離中軸相同之處的鋪層的方向相同。 例如：（ +45,0,0,90，45/45,90，0,0，+45）是對稱層合板。 圖3-7 鋪層方向符號圖3-8 拉伸與壓縮問題及解決方法夾層結構有以下典型特點：突出的剛度和很高的比強度裂紋擴展和斷裂韌性優(yōu)于單塊板比其他類型結構抗聲疲勞能力較強可作為隔熱和隔音的絕緣體與其他結構相比重量優(yōu)勢明顯承受雙軸向壓力載荷效果好缺點：設計接頭和開口較困難圖3-9 蜂窩夾層結構設計復合材料樹脂的固化體系 350 的復合材料結構環(huán)境，諸如溫度和濕度有很高的抵抗能力。350 復合材料能提供很好的機械特性，并被用于主要的受力件，如飛行控制表面。 250 復合材料結構通常被用于波音

9、757、767和737300/400/500飛機的前緣和后緣面板及整流片。使用250 復合材料來修理350 復合材料部件將需要額外的鋪層，并且只能根據(jù)SRM來進行。 200230 復合材料的修理作為可選擇的濕法修理鋪層方案，如在升高溫度下固化可作為永久性的修理（詳情見SRM）。圖3-10 室溫樹脂的固化體系腐蝕控制 當石墨構件與鋁制構件在飛機裝配中連接在一起時，就應采取一些特殊的防腐技術。將玻璃纖維/環(huán)氧鋪層疊在石墨/環(huán)氧鋪層與鋁合金之間實行共固化，在兩個構件間接合面上要用密封劑涂抹，所有連接件都要用密封劑涂抹。 在裝配前，鋁的部件應陽極化，上底漆和噴漆。圖3-11 腐蝕控制先進復合材料在飛機

10、上的應用近30多年歐美民用飛機上復合材料占整機結構重量的百分比（不包括支線飛機）國內飛機上的復合材料應用情況國外民用飛機上的復合材料應用情況圖312先進復合材料在波音737300上的應用圖313先進復合材料在波音757上的應用圖314先進復合材料在波音767上的應用767方向舵767內裝飾應用的復合材料 B7E7“夢想”飛機上復合材料的應用： 美國波音飛機公司正在研制B7E7飛機，要大幅度減輕結構重量，提高燃油效率20%，決定大量采用復合材料。 主要應用部位：復合材料將占全機結構重量50%以上，故全機主要結構均將用復合材料制成，包括機翼、機身、垂尾、平尾、發(fā)房、地板梁及部分艙門、整流罩等，這是

11、世界上第一個采用復合材料機翼和機身的大型商用客機，其應用遠遠超過B777和A380，為世界之最。 波音人強調指出，在人類有動力飛行進入第二個百年之后，其如此的選材決定將使波音在先進材料技術領域占據(jù)世界的優(yōu)勢，“領跑”飛機設計技術，稱復合材料為“航空航天結構的未來”。 空客則認為如此選材會有風險，機身應用會有問題，“會導致非優(yōu)化方案”。 波音則認為技術上不成問題，問題還在成本上。 波音認為復合材料除減重外，還可提供更好的耐久性，降低使用維護要求，增加未來發(fā)展的潛力和空間。 主要用材體系為T800/韌性環(huán)氧，已在B777完成驗證和使用。 所上的新技術還包括： TiGr層板，即碳纖維增強鈦板，一種新

12、的超混雜復合材料，其由Ti箔加上IM6/PEEK相間制成，具有優(yōu)異的抗疲勞性能。 結構健康監(jiān)控技術，以光纖系統(tǒng)為傳感器，連續(xù)探測損傷，監(jiān)視結構完整性，預報早期的結構維護、修理的要求。第四章 加工 先進復合材料加工的工具和技術與金屬材料加工相比有很大的不通。 先進復合材料限制加工時的溫度范圍。雖然纖維可以承受高溫，但樹脂的溫度不允許超過一定范圍，以免材料性能的破壞。圖4-1 高壓水切割原理圖4-2 氣動銑圖4-3 鏤銑銑頭及銑盤圖4-4 馬刀鋸 圖4-5 手工打磨孔邊去毛刺圖4-8 限深鉆圖4-9 錐形鉆頭裂開，不可接受 可接受，合格圖4-11 限制器圖4-12 埋頭锪孔面 圖4-13 圖4-1

13、4 碳化物锪鉆 多晶金剛石锪鉆圖4-15 圖4-16 金剛砂锪鉆 高速鋼锪鉆鉆頭圖4-17 鏜刀圖4-18 旋轉打磨器 圖4-19 孔鋸圖4-20 典型邊緣倒角第五章 修理的過程和典型結構修理4表面準備4修理的類型4修理順序流程圖4修理方案選擇4工程圖數(shù)據(jù)4損傷區(qū)域的準備4維修設備4真空袋鋪層程序4材料4350 固化修理4250 固化修補4典型結構修理4輕微的夾芯破壞修理4雷達罩修補守則修理的類型 復合材料部件的修理有三類：熱粘接、冷粘接和螺接。一. 用緊固件連接修理（螺接修理） 優(yōu)點：可以快速作臨時性的修理。 缺點：有時找不到通向部件或層合板后面的通道。不能使受壓部件恢復修理前的強度。 膠接

14、修理 優(yōu)點：在正確的條件下，它可作為一種非?？旖莸挠谰眯孕蘩怼?缺點：需要手頭有足夠數(shù)量的一定厚度、一定鋪層方向、一定直 徑和形狀的補片。且不能用于大面積的修理。共固化修理 優(yōu)點：具有恢復原有形狀及保持光滑氣動外形的能力?？梢圆眉舫扇我獬叽纭⑷我饷善ず穸群屠w維方向。 缺點：環(huán)氧樹脂體系需要冷藏。許多情況下固化需要熱源和壓力源。表面準備 所有需要修理或粘接的復合材料部件都必須進行正確的表面處理。l無涂層表面：對于修理時表面沒有處理的部件，必須首先去除上面的任何殘留可剝層，然后用化學溶劑擦去污物和殘留脫模劑。l溶劑擦拭：用MEK或丙酮擦拭，注意不可將溶液殘留在表面上等待揮發(fā)，這樣會在表面留下一層薄

15、膜。可運用雙重擦拭方法，用一塊干布和一塊濕布擦拭。l噴漆表面：應該首先用洗滌劑擦洗以去除表面的污物，然后清除破損區(qū)附近的漆層，達到足以完成修理。涂層的清除 任何類型的涂層清除工作都應極為小心。清除涂層的方法有：打磨塑料噴丸處理表面研磨一階梯打磨圖51 階梯打磨芯體準備制備蜂窩填補塞表51 修理順序流程圖表52 修理方案選擇表53 工程圖數(shù)據(jù)圖54 損傷區(qū)域的準備維修設備熱補儀圖55 HCS9000FL HCS9200B附件 真空泵附件二 電熱毯附件三 熱電偶 附件四 真空管真空表圖55 真空袋鋪設程序圖56 真空袋步驟1圖56 真空袋步驟2圖56 真空袋步驟3圖57 典型復合材料修理的真空袋封

16、裝圖58 典型復合材料鋪層修理表54 材料一表54 材料二表54 材料三表54 材料四表54 材料五表54 材料六350 固化修理 當鋪設完畢并安裝好真空袋后，抽氣使達到22in汞柱的真空。 以每分鐘1 到5 的速度加熱至355 10 ，在這個溫度下固化，將溫度保持在355 下120+60/0min。 以最多5 /min的速度冷卻至125 ，減壓取出零件。圖59 350 固化修理的固化周期先進復合材料的250 固化修補 250 的修補過程與前述350 的維修過程相同，僅用250 固化的材料代替350 固化材料。 當在350 固化結構上用250 的固化材料進行修理時，會降低結構強度。對于尺寸限制

17、和修理類別限制見結構修理手冊。 該項結構修理包括石墨/Kevlar或鋪層的修理。修理時使用電熱毯和預浸布或預浸帶，用真空袋在250 下固化。 這種修理時一次完成并且是永久性的，符合所有的原始設計準則。250 固化修理 與350 固化相同，當鋪設完畢并安裝好真空袋后，抽氣使達到22in汞柱的真空。 以每分鐘2 到8 的速度加熱至260 +10 后固化，以滯后的熱點偶測出的數(shù)據(jù)為準。在260 溫度下保持90+60/0min。 以最多5 /min的速度冷卻至125 ，減壓取出零件。圖510 250 固化修理的固化周期典型結構修理圖512 內部分層破壞圖513 孔的分層破壞圖514 邊緣分層破壞圖51

18、5 輕微鋪層損傷圖516 蜂窩夾層板表板分層的 注射樹脂修補圖517 蜂窩夾層板的表板和零部件內 心損傷后,用填充和灌注法的修補輕微的夾芯破壞修理步驟：磨去破損區(qū)周圍至少1in范圍內的表面污物。用吸塵器吸去粉塵，用溶劑清洗，晾干。根據(jù)制造商建議配制樹脂，加入微球狀填充物，攪拌好后填充破壞區(qū)。根據(jù)制造商維修手冊的建議，在室溫或稍高溫度下固化。修補完后，打磨使與原始表面一致。圖518 復合材料結構的幾種重要損傷形式雷達罩修補守則：修補后雷達罩厚度需重新測量。有密度疑問的修補區(qū)需要重新進行電性能檢測。對任何電子測試需有合格的測試工具。對雷達罩內部修理區(qū)域須保留記錄圖。雷達罩須有防雨水侵蝕措施，抗熱抗

19、靜電涂層。雷達罩蜂窩結構是否進水要用A8AF濕度儀檢查。按SRM要求嚴格執(zhí)行，大修后注意電性能的測試。第六章 鋁合金蜂窩夾層結構的膠接修理l金屬膠接技術的特點l鋁合金蜂窩結構的修理流程l預處理階段l陽極化處理階段lAC130具體施工步驟金屬膠接技術的特點 膠接連接和修補方法，與鉚接、螺接、焊接等傳統(tǒng)連接和修補方法相比，具有獨特的優(yōu)點：無應力集中，抗疲勞性能好，在膠接結構中，疲勞裂紋的擴展緩慢。膠接結構重量輕，可省去大量的鉚釘、螺栓。因為沒有焊縫，不會起皺，表面光潔。膠接不僅提供了配合表面之間結構上的聯(lián)系，而且保證了密封。膠接劑層對振動有阻尼作用，這就降低了噪聲載荷的聲級。膠接結構中沒有空穴和縫

20、隙，不存留潮氣或其他腐蝕物質，減少了腐蝕作用。1.膠接工藝、設備要求比較簡單、操作容易。 膠接雖然有很多優(yōu)點，也有局限性，主要不足之處如下：膠接的剝離強度較低，在使用環(huán)境下膠接劑的老化程度難于鑒定。膠接質量因受多種因素的影響，它的無損檢驗手段還不夠完善。鋁合金蜂窩結構的修理流程 采用膠接技術修理的關鍵是修補前的準備工作，按SRM517010進行，對鋁及鋁合金的待修表面，在確定了損傷范圍，去除了損傷部分，進行表面清潔以后，為使膜層與粘接劑有較高的膠接強度，必須在粘接部位預先進行磷酸陽極化處理。在飛機上應用這種傳統(tǒng)的方法處理，只能采用局部磷酸陽極化處理方法The Phosphoric Acid C

21、ontainment System (PACS)和在此基礎上的改進。 波音公司在SRM中推薦采用Heatcon Composite System進行熱補修理，與之配套Heatcon公司還研發(fā)了一個附件，HCS204602 PACS表處儀，為飛機鋁合金結構粘接之前做磷酸陽極化表面處理。它包括三部分：一、控制器：控制電路、電源、陽極化電壓、顯示及真空泵；二、流速控制器：由水、酸活門以及流速計組成；三、附件包：包括盛液瓶、電線、不銹鋼絲網(wǎng)、管接頭及各種軟管。 它的基本原理是讓12的稀磷酸H3PO4（單位面積所需磷酸量是0.01升/平方英寸），從待處理表面緩緩流過，以待修鋁合金為陽極，不銹鋼絲網(wǎng)為陰極

22、，加以9.510V直流電，在2129下，陽極化處理2025分鐘。（見圖61） 如果修理平面帶有角度不是水平面或者是下表面，這時可以增加一個真空袋裝置，保證密封，防止帶有腐蝕性的磷酸溶液流出。（見圖62）圖61 PACS系統(tǒng)（一個真空袋）圖62 PACS系統(tǒng)（兩個真空袋裝置）具體實施步驟如下： 預處理階段：用溶劑洗凈劑去除修理區(qū)域表面的灰塵、油和污染物。用脫漆劑或機械打磨的方法除去修理區(qū)域的漆層。（注意：PACS表面處理前必須將所有漆層除盡，否則影響處理效果；不允許脫漆劑流到膠接結構中去）使用溶劑清潔修理表面。用百潔布或等同工具打磨修理表面。（注意：用防酸膠帶防止磷酸腐蝕緊固件、蜂窩芯裂縫或其它

23、無損區(qū)域，并作為標志圍在修理區(qū)四周）然后做目視水膜試驗。（注意：水膜試驗是指用不超過100 等同38的水沖洗后，表面連續(xù)的水膜保持至少30秒）檢驗表面連續(xù)的水膜（無水珠）是否保持30秒，若不能，則重復步驟36，直到符合5以后。1.立即進行陽極化處理。陽極化處理階段 PACS系統(tǒng)必須正確安裝才能進行陽極化以及安全地處理磷酸。調配磷酸。（注意：磷酸有腐蝕性。防止磷酸與皮膚、眼睛接觸，工作時帶好橡膠手套，防護面具，穿好防護服。如果不慎接觸到磷酸，迅速用大量清水沖洗，然后進行醫(yī)療）在修理工作臺上鋪放塑料薄膜，以防止污染。按圖或進行鋪層，PACS表處儀連接電纜。確保做陽極化地鋁部件和磷酸溶液地溫度在70

24、85（2129）之間。將三通閥門打到磷酸地供應位置，打開電源，開始進行陽極化。1.當所有地酸流過真空袋，關上磷酸供應管，將三路閥門地凈水通路打開，沖洗表面至少5分鐘。迅速用水沖洗表面至少5分鐘。處理過地表面在室溫下充分干燥，或者可用最高160（71）將其烘干。（注意：不要用裸手觸碰干燥地陽極化表面，防止污染已陽極化地表面。）檢查處理好地金屬表面的質量。陽極化處理后的表面，在關閉電源，拆除鋪層。熒光或日光小角度的入射下，通過旋轉90度的偏振片可以看到連續(xù)變化的光，一般呈紫、黃或綠色的彩虹般的色澤。見圖63。也可使用歐姆表、紅外濾光片來檢查磷酸陽極化表面的質量。如果處理后的表面顏色劇烈變化，或有電

25、燒蝕現(xiàn)象則陽極化處理不成功，重新進行陽極化處理。在24小時以內噴/刷底膠。圖63 檢查處理后金屬表面的質量 除了PACS和PANTA外，波音公司在2005年有關金屬結構膠接修理的SL和以后的SRM中提出了Boegel（AC130）表面處理方法，適用于多種金屬結構膠接修補預處理，能用于鋁、鈦和不銹鋼等，并且無毒，對環(huán)境沒有污染。圖63 AC130套包Boegel（AC130）具體步驟：用MPK（甲基丙基甲酮）或丙酮清潔表面。用百潔布或180砂紙（或更細的砂紙）打磨表面。用干燥空氣或氮氣除去粉塵。用MPK或丙酮清潔表面。按制造商使用手冊的建議混合調配材料。用50ml的AC130溶液可以處理200平

26、方英寸（1300平方厘米）的待修區(qū)域，可按此比例計算溶液量。（注意：調配好的溶液30分鐘后才能發(fā)揮作用，有效期10小時）用隨機軌跡砂磨器或靠模打磨器進行打磨，采用180鋁砂紙，按某一方向打磨表面，每30秒換砂紙，并按與原來方向垂直的方向打磨表面。（注意：此步驟是為了除去金屬表面的氧化層）確保修理表面以及邊緣均打磨干凈后，換上砂紙，按任意方向打磨整個表面。做目視檢查，檢查表面是否完全打磨干凈。達不到時重新打磨。用吸塵器除去粉塵，保持表面清潔。在打磨完30分鐘內涂上AC130溶液。（注意：30分鐘后表面又將會氧化）用鋁箔帶、固態(tài)FEP（氟化乙丙烯即橡膠）或其它合適材料圍在損傷周圍，將機械緊固件及其它區(qū)域隔離開，防止污染。確保AC130及待修件表面溫度在50100 （1038）之間。用干凈、非金屬的毛刷或噴霧器將溶液噴到膠接表面。保證表面完全浸透在溶液中至少2分鐘。檢查濕潤表面是否與水膜實驗結果相似，即表面連續(xù)的溶液薄膜保持至少30秒鐘。如不能，則重新進行清潔、打磨、處理等步驟。如果檢查通過，則排出剩余溶液。如果縫隙等地方還有少量溶液，可用過濾過的干燥空氣吹干，或用浸有AC130溶液的粗棉布吸去。在室溫下干燥表面至少60分鐘，或