复合材料结构腐蚀分析及对策_陆榕海.pdf

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1、航空维修与工程 2 0 0 6/2来自 A L T I N公司用 4 5 及 9 0 的缝纫针这种装置将锁链式线迹留在织物的上面，并在 9 0 及 4 5 同时产生增强作用。3.多线锁链式缝纫来自 I T A的用两根 4 5 缝针将线的链式线迹留在织物的后侧。4 5 的线改进了复合材料的剪切强度。4.解开锁链式丝圈或花式毛纱K S L公司提供的设备可用来缝纫厚达 4 0 m m的材料，线的开孔结构或保留在材料内或通过它进行穿刺。该过程用粗丝进行缝合5.盲锁链式线迹也是由 K S L公司提供的设备用一曲线针（R=2 5 m m）将线链迹留在材料的上表面。采用这种缝纫机头时，针不穿刺材料，是一种在

2、模内缝纫的方案。对复合材料结构使用的主要环境条件及对结构影响的主要因素进行了系统分析，并结合试验情况分析，对复合材料腐蚀的主要方式进行了阐述，并给出了复合材料构件使用防护的一些基本方法。复合材料结构腐蚀分析及对策A n a l y s i s a n dC o u n t e r me a s u r eo f C o mp o s i t eS t r u c t u r eE r o s i o n复合材料结构在外场使用中，可能遇到各种使用环境（如温度、湿度、雨雪、阳光、雷电、风沙、尘埃、盐雾、噪声及工业污染等），它们都可能引起复合材料的退化和变质，一般称为腐蚀过程。复合材料的腐蚀机理较为

3、复杂，目前尚无满意的解释，更难于预测复合材料的腐蚀与强度和时间的关系。飞机在使用期内，除受外部环境条件的影响之外，还受内部的燃料、液压油、冷却剂、密封剂等生产和使用中一些酸碱的影响。另外，复合材料是高电位材料，当与低电位材料相接时可能会出现电偶腐蚀。因此，在复合材料结构设计时，必须考虑相应的防护措施，以保证结构的完整性。主要环境条件及其影响因素根据飞机预计的服役地区、飞机范围、材料体系、使用任务、结构状况等确定飞机复合材料结构主要环境条件，常见的复合材料结构环境条件有：湿热环境、冲击环境、腐蚀环境和老化环境。1.湿热环境湿热环境是影响复合材料结构特性的一个重要因素。树脂基是吸湿的，随着吸湿扩散

4、扩展，会使结构出现不同的吸湿量分布。这样，不仅会降低纤维的抗腐蚀阻力，在比较高的环境温度下还会使基体的玻璃化转变温度降低，并降低其强度和刚度。因此，湿热环境是复合材料结构必须考虑的总体环境，要考虑在最严酷的湿热环境条件下引起的力学性能降低，以及长期的湿热老化环境对力学性能(包括寿命)的影响两个问题。要求复合材料结构在设计使用寿命期内，在可能遇到的温度、湿度和载荷环境的单独或综合作用下，仍具有足够的结构完整性。对特殊的部位，还应验证局部环境与总体环境的综合影响。（1）复合材料的吸湿复合材料吸湿会降低基体玻璃化转变温度，产生结构湿应力和尺寸不稳定。吸湿量将影响复合材料结构的强度、刚度、阻尼特性、耐

5、久性、损伤性及剩余强度。湿热综合作用下，对基体控制的力学性能有明显的影响。故应考虑以下因素。复合材料的吸湿是一个缓慢的水分扩散过程，吸湿的速度及平衡吸湿量取快于环境的温度、相对温度、材料体系和材料厚度，气候条件下的吸湿和脱湿属可逆性过程。复合材料结构的吸湿量主要取决于结构形式、场站停放和贮存环境，复合材料结构的厚度、单面或双面曝露、表面状况（是否涂漆或涂金属导电膜）以及在飞机上的部位等均影响累积吸湿量。陆榕海 余飞 赵斌/驻洪都航空工业集团军代表室www.a v i a t i o n n o w.c o m.c n4 5航空维修与工程 2 0 0 6/2介质弱酸强酸弱碱强碱溶剂酚醛轻微腐蚀被

6、浸蚀轻微腐蚀分解被某些溶剂浸蚀聚酯轻微腐蚀被浸蚀轻微腐蚀分解被浸蚀环氧树脂（胺固化）无腐蚀被浸蚀无腐蚀轻微腐蚀耐蚀环氧树脂（酸酐固化）无腐蚀轻微腐蚀轻微腐蚀被浸蚀耐蚀表1 常用热固性树脂耐化学腐蚀性能 对于热冲击敏感材料，超声速飞机的高温剖面造成的冷热冲击可能产生微裂纹，引起材料不可逆的损伤，并增大吸湿量。应根据飞机设计使用寿命和预期使用环境，确定复合材料结构到达平衡吸湿量后，它与使用中结构最高温度组合成的最严重环境条件。（2）极端气候条件当飞机结构处在极端气候条件下时，应考虑下列因素。按飞机预定使用地区内的气候高温、加上日光暴晒引起的最大可能升温，确定气候引起的结构最高温度，按地面最低温度与

7、空中飞机低温（考虑非标准大气）之最低值确定气候引起的结构最低温度。应考虑使用寿命期内的吸湿量和气候最高温度组合作用对不具备控温条件的亚、超声速飞机复合材料结构强度与刚度的影响，这也适用于超声速飞机不受气动加热及发动机等其他热功当量源影响的复合材料结构。2.冲击环境飞机复合材料结构可能遭受工具掉落、冰雹、制造及地面设备撞击、起飞或着陆时机轮溅起的碎石、螺钉及轮胎碎片的冲击。在多数情况下，这些往往是低速，而且一般不会使冲击表面出现目视可检损伤形态的冲击，叫做低速冲击。由于这种冲击引起的损伤不易发现，出现概率较高，使结构承载能力降低，危害较大，因此在强度验证时必须高度重视。另一类必须考虑的冲击是诸如

8、雷电、鸟撞和弹伤造成的高能量冲击。雷击冲击将导致复合材料结构局部烧焦，产生击穿孔或局部分层，鸟撞和弹伤一般产生击穿孔。这类冲击一般形成目视可见的损伤，属于高能量冲击。考虑到两种冲击的影响，要求复合材料结构在低能量冲击环境下仍能满足强度和寿命要求，在高能量冲击下损伤不应快速扩展，在制造和使用的整个寿命期内可能遇到的各种冲击环境下，仍具有足够的结构完整性。3.腐蚀环境和老化环境复合材料结构的老化环境包括湿热环境、腐蚀性液体(燃油、液压油、防冻液等)，以及紫外线辐射、风化、砂蚀、雨蚀等。复合材料在温度、湿度、紫外线辐射、风化、砂蚀、大气污染等总体环境和燃料、化学物质（乙二醇、溶剂等）等局部环境条件下

9、，除引起材料性能变化外，有可能会引起复合材料不可逆的老化和腐蚀。这是外场使用中最常见的问题，也是最应该控制和采取的防护措施。复合材料的腐蚀及控制1.环境介质对组分材料的腐蚀作用复合材料在腐蚀环境作用下，对组分材料可能会引起下列影响：树脂基体的腐蚀；增强材料的腐蚀、界面的腐蚀和应力腐蚀及腐蚀疲劳。表 1 列出了常用热固性树脂耐化学腐蚀的一般性能。从表 1 中可以看出飞机结构用的环氧树脂基体对酸、碱均有较好的耐腐蚀性。2.环境介质对复合材料力学性能的影响及其控制经过大量的试验和使用经验，对几种腐蚀老化环境的影响得出下述结论。（1）复合材料对腐蚀性流体（燃油、液压油、防冻液等）不敏感，可以不考虑。（

10、2）紫外线辐射引起损伤是一个非常缓慢的过程，只要结构表面的防护涂层完好，可以不计此类损伤。表面涂层脱落时，重新涂层即可。喷涂最适宜采用丙烯酸盐漆，如果使用清漆，应使用适当的紫外线吸收器。漆的颜色以浅色为好。如果没有防护涂层，将会对层压板性能产生影响。（3）风化、砂蚀和雨蚀引起损伤是一个很缓慢的过程，只要在结构表面喷涂防雨防护漆，就可克服它们的影响。雨水冲击时形成的压力脉冲和射流是造成雨蚀的物理原因，影响雨蚀的主要因素有雨滴冲击射角、雨滴参数（如雨滴大小、雨滴速度等）。当雨滴入射角为9 0 度，雨滴冲击速度大于 2 0 0 m/s 时，复合材料结构表面一定要有防雨保护，除了防护雨蚀涂层外，设计时

11、应使部件的布局在尽可能小的角度下被雨水冲击。防雨蚀涂层可以采用防蚀漆、金属防护涂层和陶瓷保护层。（4）要控制环境介质对复合材料的腐蚀，主要有两条原则：一是要提高材料自身的耐蚀性，如提高结晶度、取向度、交联密度等措施，提高基体的紧密性，使介质的扩散系数、渗透系数下降；或使用表面处理剂，增强树脂与纤维的粘接强度，减少界面间隙，提高抗渗透能力。二是要使用防护层。在复合材料表面进行防护整饰，避免受到环境的直接作用以达到提高抗蚀性能的目的。3.生物腐蚀及其控制工程与技术/复合材料专辑 E N G I N E E R I N G&T E C H N O L O G Y4 6航空维修与工程 2 0 0 6/

12、2生物腐蚀主要发生在油箱部位，燃油中含有水分和其他杂质，为生物的生存提供了条件。对复合材料能造成危害的生物主要有细菌、真菌、霉菌等，它们会产生、排泄一些如乳酸、草菌等酸性物质，与复合材料发生反应。在海洋环境中使用的飞机，生物腐蚀更为突出，除上述微生物作用更严重外，还可能有海洋生物的破坏，如昆虫、凿船虫等会咬食复合材料。可采用以下措施控制生物腐蚀的发生。（1）控制燃油质量降低水分及其他杂质的含量，减少燃油输送中的可能污染，使生物无生存条件。（2）油箱设置有效的排水系统，放油口应放在最低位置上，定期排除积水。（3）使用防生物涂层。常用涂层为S F-9 环氧涂层，可较为有效地防止生物繁殖。（4）燃油

13、中加添加剂。在燃油中加入铬酸锶、乙二醇乙醚、有机硼化物等添加剂，可起杀菌作用，有效地抑制生物的生长。4.复合材料与金属的电偶腐蚀电位不同的两种材料连接并与电解液接触时，会引起电位较低材料的加速腐蚀，称为电偶腐蚀。碳具有较好的导电性并具有较高的电位。碳纤维复合材料在一般环境中呈惰性，显示贵金属的特性，电位较高，在与金属材料连接时，几乎都起阴极作用，加速金属的腐蚀。碳纤维复合材料与大部分金属的电位差在 0.5 1.0 V之间，有些高达 1 2 V。因此需要在金属和复合材料偶联区采取防电偶腐蚀措施。电偶腐蚀的发生需存在三个条件即电位差、电解质和导电联结。防护也应从这三个方面着手。（1）结构防腐采用结

14、构防腐可以最大限度地防止电解质溶液的积聚，避免腐蚀电池的形成。注意结构的密封防止雨水、雾、海水的渗入。减少积水积污的缝隙、死角，对容易积水的部位设置排水孔。尽量避免小的金属件与大面积复合材料接触。对紧固件之类的连接，应采取严格的防护措施。尽量将内腔或盲孔设计成通孔，防止冷凝水的凝聚。（2）材料的选用选用相互相容的材料，从根本上防止电偶腐蚀。选用耐腐蚀且与复合材料电位差小的材料，特别是紧固件之类的小零件更应注意。绝缘或封闭材料应不吸湿，不含有腐蚀性成分。当表面共固化一层玻璃布用作绝缘层时，还必须用密封剂封边，否则会由于玻璃布吸湿而引起相反的效果。（3）防护措施对不宜直接接触而又必须与之相连的金属

15、材料，如临界相容材料，则必须采取有效的防护措施。采用适当的金属或非金属覆盖层进行过渡或调节。例如，进行阳极化、化学氧化、钝化或磷化等处理后，只要涂层完好就能增大接触电阻，减缓电偶腐蚀。使用原则和覆盖层厚度及应用范围标准为 H B 5 0 3 3-7 7。使用适当的表面涂层系统，既可增强绝缘作用，又能减少电极面积。金属与复合材料应同时采用涂层，以免金属涂层局部损伤后，电解液通过微孔渗入形成大阴极小阳极的不利情况。另外，电偶腐蚀会在阴极产生碱性物质，因此应采用耐碱涂层。在金属与复合材料之间采用惰性材料制成垫片、套管、胶带，以形成断开电路的绝缘层。采用适当的密封材料封闭，隔离电解液，以有效地防止缝隙

16、腐蚀。有缓蚀剂的密封剂效果更好。复合材料构件的防护涂层复合材料构件使用防护涂层，不但能获得良好的装饰外观，更重要的是可以减缓材料的吸湿和老化过程。在前缘迎风部位使用耐磨涂料，可抵御破坏性很大的砂蚀和雨蚀。在内表面可以隔离基体与金属的直接接触，避免产生电偶腐蚀。还可起伪装等特殊作用。1.表面涂料目前广泛使用的涂料主要有环氧涂料和聚氨酯类涂料。（1）环氧涂料环氧树脂涂料特点是附着力强，收缩性小，耐介质性好，韧性及稳定性高，而且具有电性能稳定性，能与多种面漆配套使用。但由于该涂料成膜后保光性差，易粉化，因此多用作底漆，是目前广泛使用的漆种。常用的环氧树脂涂料有环氧聚酰胺清漆、环氧聚酰胺底漆、环氧聚酰

17、胺腻子、环氧聚硫黑色导电涂料、环氧聚酰胺导电涂料等防腐涂料。（2）聚氨酯类涂料聚氨酯类涂料品种多，性能优异，附着力强，硬度高，漆膜光亮丰满，有优良的耐油性、耐热性、耐水性、湿热性、耐光性、耐候性、耐磨性和耐化学性，而且与底漆结合性好，是航空工业用涂料的重要品种之一。常用的聚氨酯类涂料有聚氨酯面漆、弹性聚氨酯磁漆的等防腐涂料。2.涂层及其作用根据碳纤维复合材料构件对防护涂层的要求，用于构件不同部位的涂层系统主要有以下几种。www.a v i a t i o n n o w.c o m.c n4 7航空维修与工程 2 0 0 6/2（1）构件的内表面和端面应采用由底漆组成的防护涂层系统。常用的有一

18、道或二道（封闭底清漆）环氧聚酰胺清漆,它具有透气性低，良好的粘接性和耐水性，而且起封闭作用等优点。（2）一般外表面应采用由底漆、腻子、过渡底漆和面漆组成的装饰性防护涂层系统。常用的有一道环氧聚酰胺清漆，然后局部刮环氧聚酰胺腻子，再加一道环氧聚酰胺底漆（过滤底漆）和二道聚氨酯面漆，它具有层间接合力良好，耐水、耐湿热性好等优点。（3）前缘迎风面应采用由底漆、弹性耐磨涂料和面漆组成的耐磨抗冲刷防护涂层系统。常用的有一道环氧聚酰胺清漆再加八道弹性聚氨酯磁漆和二道聚氨酯面漆的涂层系统。它具有良好的层间粘接性，优异的耐磨性和抗冲刷性；尤其是面漆具有良好的耐湿热性和耐大气性。（4）垂直面或其他有防静电要求的

19、表面应采用由底漆、抗静电涂料或抗静电弹性涂料组成的抗静电防护涂层系统。（5）油箱内壁应采用由底漆、抗静电耐油涂料组成的抗静电防护涂层系统。常用的有：先刷环氧聚酰胺清漆,然后加环氧聚硫导电涂料。它具有电性能稳定，常温高温耐油性好，层间结合力强等特性。（6）油箱外壁应采用由底漆、导电层和面漆组成的导电防护涂层系统。结束语通过对复合材料结构腐蚀环境的系统分析，并结合实际使用情况和相关试验结果，得出了以下结论。（1）复合材料在研制、生产、使用过程中，必须注重腐蚀环境的影响，尤其是湿热环境、冲击环境、腐蚀环境和抗老化环境等主要环境的影响。（2）复合材料在研制、生产、使用、维修过程中，除了考虑腐蚀环境的影

20、响外，还要加强控制环境介质对复合材料的腐蚀。（3）要控制腐蚀环境和环境介质对复合材料的腐蚀，必须注意两条原则：一是提高复合材料的耐蚀性；二是对复合材料构件使用防护涂层。为了探讨未来信息战条件下的装备保障问题，研究如何提高飞机快速机动保障能力，以及如何实现保障装备的综合化、标准化、通用化、小型化的途径与措施，航空维修工程专业委员会拟于 2 0 0 6 年第三季度召开“飞机保证装备与综合保障专题研讨会”。以下是会议征文内容和要求。一、征文内容1.未来战争条件下保障装备发展建设的思路与对策；2.保障装备与应急机动作战；3.飞机保障装备的综合化、标准化、通用化、小型化；4.飞机保障装备对综合保障的影响

21、；5.四站保障装备及保障车辆等装备的综合化、标准化、通用化、小型化；6.保障装备的优化问题；7.保障装备（含保障系统）与设计的标准化问题；8.站上抢修与保障装备；9.保障装备的管理；1 0.国内外保障装备的发展动态；1 1.机载设备测试性设计的理论和方法，与测试设备兼容性设计；1 2.国际自动测试技术的新发展及其标准化；1 3.测试性验证技术；1 4.模拟电路、数字电路与数模混合电路的测试方法；1 5.虚拟技术、远程测试技术与远程诊断技术；1 6.下一代飞机维修性、测试性和保障性设计。二、征文要求1.要理论联系实际，文字简练，重点突出，观点明确。全文不超过 6 0 0 0 字，文前附不超过 2

22、 0 0 字的论文摘要。投稿请交电子版（采用 Wo r d 文档、格式）和打印稿件 1 份。凡在全国性公开刊物或全国性学术会议上发表过的论文不在征集范围之内。2.请作者自留论文底稿，来稿一律不退。每篇文章后请附作者简介，包括姓名、职务、（职称）、工作业绩、单位详细通信地址（含邮政编码）及电话号码，以便联系。3.有密级的论文，请作者和单位保密部门自行处理，文责自负。各单位的技术主管部门，对本单位提交的论文给出技术评语和推荐意见，连同征文一并寄来，供评审论文时参考。4.应征论文请于 2 0 0 6 年 4 月 3 0 前寄到：北京 9 3 0 3 信箱学会办薛玲收（邮编：1 0 0 0 7 6）联系电话：0 1 0-6 6 7 1 3 3 5 0、6 7 9 6 6 9 0 8军线：0 2 0 1-7 1 3 3 5 0。中国航空学会航空维修工程专业委员会2 0 0 6 年元月 2 0 日“飞机保证装备与综合保障专题研讨会”征文通知工程与技术/复合材料专辑 E N G I N E E R I N G&T E C H N O L O G Y4 8