复合材料结构与修理

波音飞机复合材料修理目录第一章复合材料简介第二章施工安全和材料的管理第三章飞机复合材料结构设计第四章加工第五章修理的过程和典型结构修理第六章铝合金蜂窝夹层结构的胶接修理第七章检测第一章复合材料的简介复合材料的定义材料的形式纤维增强材料织物基体和环氧树脂体系粘接剂蜂窝及蜂窝夹芯结构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（基体）中。一般简介图1-1复合材料的组成材料的形式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。纤维增强材料一．玻璃纤维二．Kevlar纤维－－芳纶纤维三．碳/石墨四．硼纤维五．陶瓷纤维图1-2纤维增强材料的形式图1-3布边图1-4经纱的方向图1-5石墨纤维生产工序图1-6石墨纤维的代码织物的优点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.抗疲劳损伤图1-7织布图案图1-8预浸带材料图1-9预浸布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）。*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树脂体系粘接剂一．胶膜是涂在一层支持薄膜上的粘接剂二．糊状粘接剂由两种组分混合三．泡沫粘接剂是含泡沫剂的环氧树脂体系四．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图1-11蜂窝的拉伸过程图1-12蜂窝夹层结构图1-13芯格的形状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图2－1皮肤防护和安全眼镜施工安全图2-2呼吸器官的防护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。图2－3正确与不正确的工作环境对比材料管理一．存贮期通常情况下，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。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。图2-4封装包裹树脂系统的比例配制指南①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②扣除刻度的非零点部分以补偿混合容器的重量③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1/10g，避免小量调制。④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。⑤避免不意的外来影响。⑥不要超出量程。⑦称重时不要试图对秤做任何调整。图2-5隔栅式和秤第三章飞机复合材料结构设计复合材料的特性材料密度失效特性材料强度抗疲劳性复合材料的连接紧固件铺层的原则夹层结构典型特点树脂的固化体系腐蚀控制先进复合材料在飞机上的应用复合材料的特性一．比强度和比模量高二．具有可设计性三．抗疲劳性能好四．减振性能好五．高温性能好六．破损安全性好七．具有脆性材料的特性表3－1材料特性－－密度材料密度(Ib/in3)复合材料E玻璃(电性能部件如雷达罩)0.094S玻璃(结构部件)0.090碳0.063石墨0.071芳纶(Kevlar)0.052金属铝0.097铜0.321镁0.064钢0.283表3—2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#*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3-1破坏机制比较图3-2材料特性----强度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分贝的噪声图3-3复合材料的连接I图3-4复合材料的连接Ⅱ图3-5机械连接紧固件图3-6纤维方向要求铺层的原则一．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。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。图3-7铺层方向符号图3-8拉伸与压缩问题及解决方法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图3-9蜂窝夹层结构设计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737－300/400/500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。200－230℉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）。图3-10室温树脂的固化体系腐蚀控制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。图3-11腐蚀控制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）国内飞机上的复合材料应用情况国外民用飞机上的复合材料应用情况图3－12先进复合材料在波音737－300上的应用图3－13先进复合材料在波音757上的应用图3－14先进复合材料在波音767上的应用767方向舵767内装饰应用的复合材料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。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，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。图4-1高压水切割原理图4-2气动铣图4-3镂铣铣头及铣盘图4-4马刀锯图4-5手工打磨图4-6机械打磨图4-7孔边去毛刺图4-8限深钻图4-9锥形钻头裂开，不可接受可接受，合格图4－10复合材料钻孔示例图4-11限制器图4-12埋头锪孔面图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图4-17镗刀图4-18旋转打磨器图4-19孔锯图4-20典型边缘倒角第五章修理的过程和典型结构修理表面准备修理的类型修理顺序流程图修理方案选择工程图数据损伤区域的准备维修设备真空袋铺层程序材料350℉固化修理250℉固化修补典型结构修理轻微的夹芯破坏修理雷达罩修补守则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。许多情况下固化需要热源和压力源。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。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。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。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。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：一．打磨二．塑料喷丸处理三．表面研磨四．阶梯打磨图5－1阶梯打磨芯体准备图5－2去除损坏芯体及残留物制备蜂窝填补塞图5－3蜂窝填补塞的配合表5－1修理顺序流程图表5－2修理方案选择表5－3工程图数据图5－4损伤区域的准备维修设备热补仪图5－5HCS9000FLHCS9200B附件－真空泵附件二电热毯附件三热电偶附件四真空管真空表图5－5真空袋铺设程序图5－6真空袋步骤1图5－6真空袋步骤2图5－6真空袋步骤3图5－7典型复合材料修理的真空袋封装图5－8典型复合材料铺层修理表5－4材料一表5－4材料二表5－4材料三表5－4材料四表5－4材料五表5－4材料六350℉固化修理当铺设完毕并安装好真空袋后，抽气使达到22in汞柱的真空。以每分钟1℉到5℉的速度加热至355℉±10℉，在这个温度下固化，将温度保持在355℉下120+60/－0min。以最多5℉/min的速度冷却至125℉，减压取出零件。图5－9350℉固化修理的固化周期先进复合材料的250℉固化修补250℉的修补过程与前述350℉的维修过程相同，仅用250℉固化的材料代替350℉固化材料。当在350