复合材料结构与修理.pptx
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1、目 录u 第一章 复合材料简介u 第二章 施工安全和材料的管理u 第三章 飞机复合材料结构设计u 第四章 加工u 第五章 修理的过程和典型结构修理u 第六章 铝合金蜂窝夹层结构的胶接修理u 第七章 检测第1页/共149页第一章 复合材料的简介l复合材料的定义l材料的形式l纤维增强材料l织物l基体和环氧树脂体系l粘接剂l蜂窝及蜂窝夹芯结构第2页/共149页定 义 由两种或两种以上的材料组合而成的材料称之为复合材料。复合材料的范围包括玻璃纤维增强复合材料、碳纤维/环氧树脂复合材料、碳/碳复合材料、金属基、陶瓷基复合材料。教程中所涉及的复合材料是基于用一种或数种纤维排列镶嵌在某些形式的聚合物树脂(基
2、体)中。第3页/共149页一般简介图 1-1复合材料的组成第4页/共149页材料的形式1.长丝 长丝又叫长纤维,是一根根的连续纤维,除了在几何不连续处以外,在一个构件中通常没有长丝的端头。2.单向带 单向带是由纱在树脂基体中沿着单一方向排列而成3.织物 由纱、纤维或长丝织成的材料。第5页/共149页纤维增强材料1玻璃纤维2Kevlar纤维芳纶纤维3碳/石墨4硼纤维5陶瓷纤维第6页/共149页图1-2 纤维增强材料的形式第7页/共149页图1-3 布 边第8页/共149页图 1-4 经纱的方向第9页/共149页图1-5 石墨纤维生产工序第10页/共149页图1-6 石墨纤维的代码第11页/共14
3、9页织物的优点1.比带抵抗纤维断裂和层间分离能力强2.损伤容限高,对“固化皱损”要求低,对于修理工作比带好3.编织中减少了丝束分离4.抗疲劳损伤第12页/共149页图1-7 织布图案第13页/共149页图1-8 预浸带材料第14页/共149页图1-9 预浸布第15页/共149页基体和环氧树脂体系 基体是一种将复合材料中的纤维或长纤维粘接在一起的均匀材料。环氧树脂由两部分组成:树脂和催化剂(或称固化剂)。第16页/共149页 *富脂:易产生裂纹*贫脂:由于有空隙而较弱*固化温度:是敏感的 +环氧:室温至350(177)+聚酯:室温至250(121)+聚酰亚胺:500及600(260-316)*热
4、固性:基体的化学反应*热塑性:无化学反应 在600及700 融化(316-371)图 1-10 树脂体系第17页/共149页粘接剂1胶膜是涂在一层支持薄膜上的粘接剂2糊状粘接剂由两种组分混合3泡沫粘接剂是含泡沫剂的环氧树脂体系4填充剂是在混合后的树脂中加入材料,类型分为:短纤维、碎纤维、硅粉添加剂、微珠第18页/共149页蜂窝及蜂窝夹芯结构 蜂窝夹芯结构的特性:1.蜂窝夹芯结构有比常规金属结构更高的比强度2.蜂窝夹芯结构具有更高的抗弯强度3.具有更高的结构阻尼、较高的吸音和耐声振疲劳的性能4.具有隔热性能,并具有光滑的气动外形第19页/共149页图1-11 蜂窝的拉伸过程第20页/共149页图
5、1-12 蜂窝夹层结构第21页/共149页图1-13 芯格的形状第22页/共149页第二章 施工安全和材料的管理 施工过程中,需要佩戴好必要的劳动防护用品,化工品必须严格按照说明书来进行储藏和使用。第一部分 施工安全 第二部分 材料的管理第23页/共149页图21 皮肤防护和安全眼镜施工安全第24页/共149页图2-2 呼吸器官的防护第25页/共149页铺设区 铺设区必须避开灰尘、水汽、油雾、逸出的火焰及其他对粘接不利的材料。需注意铺设区的洁净。建议:铺设区最好不要与切割、打磨、钻孔在同一个工作间内进行。第26页/共149页图23 正确与不正确的工作环境对比第27页/共149页材料管理1存贮期
6、 通常情况下,粘接剂、树脂和预浸料应在规定的温度范围内存贮。材料的存贮期是指从制造完成到它不再为飞机安全使用的寿命或时间。材料的存贮期可以通过存贮在10以下或按照制造商所特别要求的温度而延长。第28页/共149页二.外露时间 外露时间是指一卷给定的材料处于室温条件下的所有累积小时数。外露时间从材料离开冰箱开始算起,总的外露时间不能超过制造商的规定。第29页/共149页图2-4 封装包裹第30页/共149页树脂系统的比例配制指南保持台秤的平台和秤盘的清洁,称重时应涂上脱模剂以免被树脂站住扣除刻度的非零点部分以补偿混合容器的重量比例应该在所用秤的刻度范围之内(不能猜测中间的刻度),秤应能精确到1/
7、10g,避免小量调制。不要将秤从它本来的位置移走,因为天平有一定的水平要求。避免不意的外来影响。不要超出量程。称重时不要试图对秤做任何调整。第31页/共149页图2-5 隔栅式和秤第32页/共149页第三章 飞机复合材料结构设计u复合材料的特性u材料密度u失效特性u材料强度u抗疲劳性u复合材料的连接u紧固件u铺层的原则u夹层结构典型特点u树脂的固化体系u腐蚀控制u先进复合材料在飞机上的应用第33页/共149页复合材料的特性1比强度和比模量高2具有可设计性3抗疲劳性能好4减振性能好5高温性能好6破损安全性好7具有脆性材料的特性第34页/共149页表31 材料特性密度材料材料密度密度(Ib/in3
8、)复合材料复合材料 E玻璃玻璃(电性能部件如雷达罩电性能部件如雷达罩)0.094S玻璃玻璃(结构部件结构部件)0.090碳碳0.063石墨石墨0.071芳纶芳纶(Kevlar)0.052 金属金属 铝铝0.097铜铜0.321镁镁0.064钢钢0.283第35页/共149页表32 减重比较表波音737 波音757 波音767 波音777使用的复合材料总重1500#3150#3360#217800#减重(比金属材料)600#1140#1250#第36页/共149页 *线弹性直至屈服应力 *线弹笥直至极限应力*塑性极限破坏 *脆坏或突然破坏*允许应力极限由屈服点决定 *受到湿度及温度的影响 图3-
9、1 破坏机制比较第37页/共149页图3-2 材料特性-强度 第38页/共149页727石墨/环氧复合材料升降舵声疲劳试验*测试两个盒段-在158分贝下分别试验4个小时及8个小时-没有发现损伤*预先施加冲击损伤-在158分贝下试验4个小时-没有发现损伤扩展*声疲劳性能大大优于金属注:一个普通的喷气发动机产生100分贝的噪声 第39页/共149页图3-3 复合材料的连接I第40页/共149页图3-4 复合材料的连接第41页/共149页图3-5 机械连接紧固件第42页/共149页图3-6 纤维方向要求第43页/共149页铺层的原则1均衡 均衡的复合材料层合板是在中心平面坐标轴的两边有相同数目的铺层
10、。例如:(+45,0,45,90/45,0,+45,90)是均衡层合板。二.对称 对称是复合材料层合板即为在中轴两边有相同数目的铺层,且距离中轴相同之处的铺层的方向相同。例如:(+45,0,0,90,45/45,90,0,0,+45)是对称层合板。第44页/共149页图3-7 铺层方向符号第45页/共149页图3-8 拉伸与压缩问题及解决方法第46页/共149页夹层结构有以下典型特点:1.突出的刚度和很高的比强度2.裂纹扩展和断裂韧性优于单块板3.比其他类型结构抗声疲劳能力较强4.可作为隔热和隔音的绝缘体5.与其他结构相比重量优势明显6.承受双轴向压力载荷效果好7.缺点:设计接头和开口较困难第
11、47页/共149页图3-9 蜂窝夹层结构设计第48页/共149页复合材料树脂的固化体系 350的复合材料结构环境,诸如温度和湿度有很高的抵抗能力。350复合材料能提供很好的机械特性,并被用于主要的受力件,如飞行控制表面。250复合材料结构通常被用于波音757、767和737300/400/500飞机的前缘和后缘面板及整流片。使用250复合材料来修理350复合材料部件将需要额外的铺层,并且只能根据SRM来进行。200230复合材料的修理作为可选择的湿法修理铺层方案,如在升高温度下固化可作为永久性的修理(详情见SRM)。第49页/共149页图3-10 室温树脂的固化体系第50页/共149页腐蚀控制
12、 当石墨构件与铝制构件在飞机装配中连接在一起时,就应采取一些特殊的防腐技术。将玻璃纤维/环氧铺层叠在石墨/环氧铺层与铝合金之间实行共固化,在两个构件间接合面上要用密封剂涂抹,所有连接件都要用密封剂涂抹。在装配前,铝的部件应阳极化,上底漆和喷漆。第51页/共149页图3-11 腐蚀控制第52页/共149页先进复合材料在飞机上的应用近30多年欧美民用飞机上复合材料占整机结构重量的百分比(不包括支线飞机)第53页/共149页国内飞机上的复合材料应用情况第54页/共149页国外民用飞机上的复合材料应用情况第55页/共149页图312先进复合材料在波音737300上的应用第56页/共149页图313先进
13、复合材料在波音757上的应用第57页/共149页图314先进复合材料在波音767上的应用第58页/共149页767方向舵第59页/共149页767内装饰应用的复合材料第60页/共149页B7E7“梦想”飞机上复合材料的应用:美国波音飞机公司正在研制B7E7飞机,要大幅度减轻结构重量,提高燃油效率20%,决定大量采用复合材料。主要应用部位:复合材料将占全机结构重量50%以上,故全机主要结构均将用复合材料制成,包括机翼、机身、垂尾、平尾、发房、地板梁及部分舱门、整流罩等,这是世界上第一个采用复合材料机翼和机身的大型商用客机,其应用远远超过B777和A380,为世界之最。波音人强调指出,在人类有动力
14、飞行进入第二个百年之后,其如此的选材决定将使波音在先进材料技术领域占据世界的优势,“领跑”飞机设计技术,称复合材料为“航空航天结构的未来”。空客则认为如此选材会有风险,机身应用会有问题,“会导致非优化方案”。波音则认为技术上不成问题,问题还在成本上。第61页/共149页波音认为复合材料除减重外,还可提供更好的耐久性,降低使用维护要求,增加未来发展的潜力和空间。主要用材体系为T800/韧性环氧,已在B777完成验证和使用。所上的新技术还包括:TiGr层板,即碳纤维增强钛板,一种新的超混杂复合材料,其由Ti箔加上IM6/PEEK相间制成,具有优异的抗疲劳性能。结构健康监控技术,以光纤系统为传感器,
15、连续探测损伤,监视结构完整性,预报早期的结构维护、修理的要求。第62页/共149页第四章 加工 先进复合材料加工的工具和技术与金属材料加工相比有很大的不通。先进复合材料限制加工时的温度范围。虽然纤维可以承受高温,但树脂的温度不允许超过一定范围,以免材料性能的破坏。第63页/共149页图4-1 高压水切割原理第64页/共149页图4-2 气动铣第65页/共149页图4-3 镂铣铣头及铣盘第66页/共149页图4-4 马刀锯 图4-5 手工打磨第67页/共149页图图4-6 4-6 机械打磨机械打磨 图图4-7 4-7 孔边去毛刺第68页/共149页图4-8 限深钻第69页/共149页图4-9 锥
16、形钻头第70页/共149页裂开,不可接受 可接受,合格图410 复合材料钻孔示例第71页/共149页图4-11 限制器图4-12 埋头锪孔面第72页/共149页 图4-13 图4-14 碳化物锪钻 多晶金刚石锪钻图4-15 图4-16 金刚砂锪钻 高速钢锪钻钻头第73页/共149页图4-17 镗刀第74页/共149页图4-18 旋转打磨器第75页/共149页 图4-19 孔锯第76页/共149页图4-20 典型边缘倒角第77页/共149页第五章 修理的过程和典型结构修理4表面准备4修理的类型4修理顺序流程图4修理方案选择4工程图数据4损伤区域的准备4维修设备4真空袋铺层程序4材料4350固化修
17、理4250固化修补4典型结构修理4轻微的夹芯破坏修理4雷达罩修补守则第78页/共149页修理的类型 复合材料部件的修理有三类:热粘接、冷粘接和螺接。一.用紧固件连接修理(螺接修理)优点:可以快速作临时性的修理。缺点:有时找不到通向部件或层合板后面的通道。不能使受压部件恢复修理前的强度。二.胶接修理 优点:在正确的条件下,它可作为一种非常快捷的永久性修理。缺点:需要手头有足够数量的一定厚度、一定铺层方向、一定直 径和形状的补片。且不能用于大面积的修理。三.共固化修理 优点:具有恢复原有形状及保持光滑气动外形的能力。可以裁剪成任意尺寸、任意蒙皮厚度和纤维方向。缺点:环氧树脂体系需要冷藏。许多情况下
18、固化需要热源和压力源。第79页/共149页表面准备 所有需要修理或粘接的复合材料部件都必须进行正确的表面处理。l无涂层表面:对于修理时表面没有处理的部件,必须首先去除上面的任何残留可剥层,然后用化学溶剂擦去污物和残留脱模剂。l溶剂擦拭:用MEK或丙酮擦拭,注意不可将溶液残留在表面上等待挥发,这样会在表面留下一层薄膜。可运用双重擦拭方法,用一块干布和一块湿布擦拭。l喷漆表面:应该首先用洗涤剂擦洗以去除表面的污物,然后清除破损区附近的漆层,达到足以完成修理。第80页/共149页涂层的清除 任何类型的涂层清除工作都应极为小心。清除涂层的方法有:1打磨2塑料喷丸处理3表面研磨4阶梯打磨第81页/共14
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