吹树脂颗粒法除漆对复合材料性能的影响.docx

吹树脂颗粒法除漆对复合材料性能的影响 陈云鹏 孙涛 陈雁骉来源：航空修理与工程2023 年第 08 期摘要：复合材料的性能特点使其外表漆层除漆困难。本文介绍了一种吹树脂颗粒法PMB除漆技术，论述了其工作原理和工艺流程。选用T700 和EW240 复合材料作为样件，通过检测除漆前后的外观形貌、分层脱粘、层间剪切强度、弯曲强度等性能，分析该除漆技术对复合材料性能的影响。结果说明，承受PMB 技术进展复合材料除漆，未对复合材料性能产生不利影响，除漆效果到达预定要求。关键词：PMB;复合材料;除漆0 引言随着复合材料技术水平的进展，复合材料产品在航空航天领域的应用日益广泛。由于复合材料具有比刚度和比强度高、密度小、耐腐蚀、耐疲乏等优点，在飞机机体材料中的应用量逐步增加，复合材料制件已成为飞机零件的主要组成局部1。因此，复合材料的修理技术争论是 飞机修理技术争论的一项重要课题，其中一个关键课题就是复合材料外表除漆技术的争论。由于化学脱漆剂简洁导致复合材料产生渗透、溶胀、分层等问题，因此不允许将化学脱漆剂应用于复合材料外表除漆。目前，复合材料外表除漆承受的主要方式是手工打磨。该方式的缺点一是工作效率低，劳动强度大;二是漆层去除不均匀，质量很难保证;三是简洁导致复合材 料外表纤维的损伤。因此，迫切需要查找一种取代传统手工打磨方式，高度智能化、自动化的复合材料除漆技术，以适应复合材料零件修理产业化需求。国外在 20 世纪末开发了吹树脂颗粒法Plastic Media Blasting，简称PMB除漆技术，通过喷涂树脂介质颗粒对复合材料外表进展除漆，取得了良好的效果。本争论选取两种飞机常用的复合材料T700 和EW240 作为试验样件，通过PMB 技术进展外表除漆，并检测除漆前后样件相关性能的变化，以论证该除漆法对复合材料性能的影响。1 PMB 除漆技术1.1 工艺原理PMB 技术是一种快速、安全、有效、环保的温顺干式喷砂除漆技术，是利用高速喷射的气体，裹挟特别的固体树脂介质颗粒，在短时间内不断冲击涂层外表，通过半柔半刚的机械碰撞、摩擦、切削，反复作用于涂层，使其硬度不断降低，附着力减弱，最终使涂层渐渐粉碎并从基材外表脱落。该技术是以代替化学和手工打磨方法为目的而研发的型除漆技术，PMB 工艺的最大优点在于所选介质的硬度介于基材和漆层硬度之间，在准确的参数压力、流量角度、速度、停留时间掌握下，能实现除漆以及基材无损伤的双重效果。PMB 技术可以快速无损伤地去除铝、镁、钛、铜、钢等飞机常用金属外表的底漆和面漆，同时也可以应用于化学除漆和手工打磨无法处理或需慎重对待的碳纤维、玻璃纤维、凯芙拉、诺梅克斯等层压、夹 层、蜂窝构造复合材料外表的涂层去除。在对喷射参数进展周密掌握的条件下，PMB 技术可以到达分层除漆的效果，即依据需求除去制定的面漆、中间漆，保存底漆等。PMB 技术是环保型的除漆技术，除漆过程不产生有害物质，对于大气、水源、土壤等环境不产生危害，实现自动化除漆后，不影响操作人员的身体安康。除漆产生的废弃物为树脂介质和涂层碎屑，可通过填埋、燃烧或用于建筑材料的方式进展处理。该技术已经在欧美等兴旺国家航空领域得到广泛应用，美国将PMB 技术与机器人自动化技术融合的进程开头于1992 年，在犹他州希尔空军基地建筑了机器人除漆系统RPSC对 F-16 战机进展除漆，RPSC 是世界上第一个完全自动化的飞机脱漆PMB 系统。其他应用如美国西科斯基飞机公司应用该技术进展直升机外表除漆2。1.2 除漆设备PMB 除漆设备承受“机器人自动化飞机除漆系统”，该系统分为执行系统和掌握系统两部 分。执行系统包括喷砂设备、机器臂、运行轨道、噴砂房体及除尘分别系统等，掌握系统包括机械臂终端掌握、喷砂设备自动掌握、视觉判别系统、防碰撞系统等。掌握系统的专用软件包括机器人掌握系统、PMB 设备掌握系统及其他集成掌握系统等。上述系统集成在一个软件平台，形成系统综合掌握软件，用于PMB 除漆智能技术的运行掌握、数据分析存储等。1.3 工艺流程PMB 除漆的工艺流程为：复合材料外表防护一设计机械臂运行轨迹一设定喷射参数一除漆系统运行一外表清洁。1） 外表防护：承受贴合良好的防冲击胶带对复合材料非除漆面进展防护。2） 设计机械臂运行轨迹：依据复合材料外表外形，设计机械臂运行轨迹，以保证喷嘴依据工艺要求运行。3） 设定喷射参数：依据复合材料外表涂层的厚度及特点，设定喷射树脂颗粒的参数，包括树脂粒度、喷嘴压力、喷射角度、喷射距离等。4） 除漆系统运行：启动除漆系统，开头除漆作业，直至除漆完成。5） 外表清洁：承受吸尘器或其他等效设备对复合材料外表进展清洁，去除残留的粉尘和磨料，在喷漆前还应承受溶剂进展擦洗，避开残留物质影响喷漆质量。2 工艺试验2.1 试验方案选择飞机常用的T700 和 EW240 两种复合材料，开展样件原始性能及PMB 除漆后的性能比照检测，分析PMB 除漆技术对复合材料性能的影响。具体工程包括外观性能影响、内局部 层性能影响和力学性能影响等相关试验工程，检测标准及判定依据依据复合材料技术标准执 行。本试验工程仅涵盖复合材料的局部性能，试验工程依据PMB 技术可能产生的影响进展适中选择，不对复合材料的纤维体积含量、树脂质量含量、孔隙率和夹杂物等因制造产生的性能进展试验检测。本试验方案仅对PMB 技术对复合材料损伤进展评估，不对复合材料自身的性能进展试验评价。具体试验流程如图1 所示。2.2 样件制备样件分别承受T700/5428 和 EW240/5222 复合材料制作。层间剪切强度试样尺寸为：长度20±1mm，宽度 10±0.2mm，厚度 2±0.2mm，数量为每种 1 0 件。T700/5428 弯曲强度试样尺寸为：长度 80±Imm，宽度 12.5±0.5mm，厚度 2±0.2mm，数量为 10 件。EW240/5222 弯曲强度试样尺寸为：长度 80±2mm，宽度 15±0.2mm，厚度 34mm，数量为 10 件。对其中一半试样进展喷漆，具体喷漆要求为：清漆一层+专用底漆一层+通用底漆两层+面漆两层，涂层总厚度在 100150m。依据工艺要求进展涂层固化。2.3 工艺参数PMB 系统除漆的工艺参数：树脂颗粒的粒度为3060 目;喷嘴压力为 2540psi;喷射角度为 300600;喷射距离为 300600mm;介质流量为 114kg/h;除漆时间：直至漆层完全去除。具体试验工程及要求见表 1。3 结果与争论3.1 外观检查对全部样件进展外观检查，对喷漆除漆后的样件进展再次检查，比照除漆前后的外观形 貌。检查方法为承受 20 倍电子放大镜检查，检查结果说明：在承受设定的PMB 参数进展除漆后，复合材料外表未消灭纤维损伤及构造变形等现象，EW240 样件外表残留微量的漆层， T700 样件外表漆层完全去除，如图 2、图 3 所示。3.2 分层脱粘检查选用FCC-D 复合材料超声探伤仪对复合材料样件进展超声检测，选用5MHzFJ-1 的水囊探头，超声探伤仪与探头配用时，检验系统的灵敏度余量应大于6dB;盲区应小于 0.12mm。对样件在PMB 除漆前后均进展超声检测，样件均未觉察分层脱粘现象。3.3 层间剪切强度检查承受短梁法测定复合材料样件的层间剪切强度，具体方法见JC/T 773-2023纤维增加塑料短梁法测定层间剪切强度，试验示意图如图4 所示。层间剪切强度试样的长度l=20±1mm，宽度 b=10±0.2mm，厚度 h=2±0.2mm。依据公式1計算层间剪切强度。其中，TM 为层间剪切强度，单位MPa;F 为最大载荷，单位N;b 为试样宽度，单位一.h 为试样厚度，单位一。对 T700、EW240 样件进展除漆前后层间剪切强度的比照试验，每种复合材料样件选用5 件进展原始剪切强度检测，剩余 5 件进展喷漆除漆后剪切强度检测。检查方法依据JC/T 773- 2023 标准要求进展检测。具体检测结果如图5、图 6 所示。为正确评估复合材料的力学性能，对试验数据进展统计分析，具体试验数据包括性能的平均值、标准差和离散系数，相应公式为3：其中，x 为层间剪切强度平均值;n 为试样数量;Sn-1 为样本标准差;xi 为层间剪切强度值;CV 为性能离散系数%。从上述检测结果来看，T700 试样在PMB 除漆前后层间剪切强度的变化较大，除漆前层间剪切强度值的离散性较小，除漆后强度值的离散性较大。除漆后的性能离散系数约为9.84%， 而除漆前的性能离散系数约为 3.14%。但并未呈现趋势性的性能下降现象，局部数值还呈现了增长。从平均值计算，除漆前后的层间剪切强度均值降低了3.94MPa，降幅约 4.44%。EW240 试样在PMB 除漆前后层间剪切强度的变化较小，强度值的离散性较小，除漆前的性能离散系数约为 1.64%，除漆后的性能离散系数约为 4.45%。从平均值计算，除漆前后的层间剪切强度均值上升了 0.2MPa，升幅约 0.35%。综合检测结果说明，PMB 除漆对复合材料层间剪切强度的影响未呈现明显的因果关系， 即未导致复合材料的层间剪切强度下降。3.4 弯曲强度检查对复合材料样件进展弯曲强度性能检测，T700/5428 弯曲强度试样长度为 80±1mm，宽度为 12.5±0.5mm，厚度为 2±0.2mm。EW240/5222 弯曲强度试样长度为 80±2mm，宽度为15±0.2mm，厚度为 34mm。依据以下公式计算弯曲强度。其中，f 为弯曲强度，单位MPa;P 为最大载荷，单位N;L 为跨距，单位mm;b 为试样宽度，单位mm;h 为试样厚度，单位mm。对 T700、EW240 样件进展除漆前后弯曲强度比照试验，每种复合材料样件选用5 件进展原始弯曲强度检测，剩余 5 件进展喷漆除漆后弯曲强度检测。T700 样件依据GB/T 3356-1999 标准进展检测，EW240 样件依据GB/T 1449 标准进展检测。具体检测结果如图7、图 8 所示。通过试验数据可以看出，T700 材料和EW240 材料承受PMB 工艺后弯曲强度变化也不大，其中T700 材料的弯曲强度均值增加 84.84MPa，增幅约 5.9%;EW240 材料的弯曲强度均值略增 7.14MPa，增幅约 1%。T700 材料除漆前的弯曲强度性能离散系数约为9.94%，除漆后的性能离散系数约为 6.11%;EW240 材料除漆前的弯曲强度性能离散系数约为4.17%，除漆后的性能离散系数约为 2.95%。4 结论选取两种复合材料T700 和 EW240 进展外表涂层PMB 除漆试验，经过检测分析，结论如下：1） 承受PMB 技术除漆后，复合材料的外观未产生不良影响，未觉察分层脱粘现象。2） 承受PMB 技术除漆后，复合材料的层间剪切强度未呈现明显下降趋势。3） 承受PMB 技术除漆后，复合材料的弯曲强度略有提升。参考文献1 中国航空工业集团公司复合材料技术中心.航空复合材料技术M.北京：航空工业出版社，2023.2 杰姆-伯杰/陈琳.褪漆溶剂的代用问题J.航空工程与修理，20233.3 白光辉.先进复合材料力学性能测试标准图解M.北京：化学工业出版社，2023.