复合材料体系及要求

第二章复合材料体系及要求先进复合材料体系修理用材料的选择材料储存、处理及使用先进复合材料体系1、纤维增强物起主要承载作用（复合材料力学性能主要取决于增强材料）2、基体将纤维粘接在一起；支持保护纤维；分配和传递载荷（承受外载时，主要以剪切变形的方式）3、预浸料4、胶粘剂5、填充剂6、蜂窝芯材7、辅助材料脱模剂、吸胶材料、透气材料、真空袋薄膜、密封胶条、隔离膜等增强材料的形式1、长丝/长纤维连续纤维：在一个构件中通常没有长丝的端头股/丝束/纱/束：由1000到1200根长丝并在一起用长丝束制成单向带和布2、单向带纱在树脂基体中沿着单一方向排列或纬向少于10%（承受单向载荷）形式：预浸等级不同表示单向带的铺层厚度不同单向带3、织布由纱、纤维或长丝织成的材料（承受多向载荷）形式：干布和预浸布经纱：沿纵向的长纱，大致平行于卷料的展开方向，一般经线方向设为零度。纬纱：垂直于经纱通常经纱的数量多于或等于纬纱；经向的材料强度大于纬向识别：1）间隔地插入其他颜色的示踪纱定义经纱，如插入黄色的kevlar经纱；2）在预浸料的塑料底膜上用红色示踪线表示经向；3）用沿着经向的菱形图案来确定经向（锐角方向表示经向）织布织布的编织方式平纹编织双丝/斜纹编织缎纹编织最常见形式：玻璃纤维120型，Kevlar120型，石墨纤维3K—70—PW型。编织紧，可防止湿气浸入，常用作蜂窝夹芯的面板。IWWF（interwovenwirefabric）=内交织线织布在碳纤维织布内织入磷青铜丝，以作为机身蒙皮的外层铺层（由于磷青铜丝的织入，增加了铺层的导电性，从而降低结构受雷击的可能性）单向带织布带的优点：(1)如果制造的部分均在带与织布的承力范围之内，带比布便宜。(2)其宽度较窄，能减少间隙和重叠。(3)在制造过程中，材料的浪费比布少。(4)带能形成光滑而严实的表面。(5)带比织布的强度和刚度高，能高出10％。带的缺点：(1)带是单向的，只能承受一个方向的载荷。(2)易产生边缘层间分离，因为没有纬纱来使单向的经纱固定在一起。织布的优点：(1)可承受多向载荷(2)比带抵抗纤维断裂和层间分离能力强(3)损伤容限高，对于修理工作比带好(4)编织中减少了丝束分离。几乎允许形成任意的外形，但随着产品外形的复杂会提高织物的成本(5)抗疲劳损伤纤维增强材料1、碳／石墨纤维空气中，几十至几百分钟以便更能承受碳化／石墨化的温度提高与基体树脂的粘接性碳／石墨纤维生产工序惰性气氛中，几至几十分钟惰性气氛中，几至几十秒惰性气氛：高纯氮、氩、氦M指的是石墨级纤维，模量高。30、40指的是拉伸模量300GPa、400GPa。S、G、J没有特别的含义，纤维表面上浆剂的类型。优点:-高强度、高刚度-比其它几乎所有常用的飞机材料轻-不会腐蚀等.缺点:-可能导致相邻的铝合金部件腐蚀（如果没有密封绝缘）-较脆，抗冲击性差-贵.2、玻璃纤维形式：带、织物、编织成的预成型件、缠绕用的长丝种类：E：电性能好，“电气玻璃”，用于有电磁场使用要求的雷达天线罩等S：高拉伸强度，用于有强度要求的结构部分C：耐化学性能好，用于防腐部分M：弹性模量较高L：含铅较多，用于电磁辐射的屏蔽D：用于介电制造：→制玻璃球→铂金坩埚熔融（加热到1200℃）→白金带有小孔的模板拉丝制成纤维，在完全凝固前拉伸（102、204、408孔）→涂浸润剂→并股成纱→纺织成布、毡或带粗纱30μm初级纱20μm中级纱10～20μm高级纱3～10μm浸润剂作用：使纤维柔顺，防止磨损。常用的有：石蜡乳液复合前须清除聚醋酸乙烯酯不必清除改性有机硅类不必清除优：拉伸强度高，断裂伸长率高较便宜不导电，可以用作不同材料之间的绝缘铺层可透过雷达波（可用于制作雷达罩）不腐蚀缺：拉伸弹性模量小3、Kevlar纤维——芳纶纤维Kevlar是美国杜邦Dupont的注册商标在许多次要结构中取代了玻璃纤维。切割麻烦，钻孔时一般钻头会被纤维缠住甚至拉断，切断的材料起毛Kevlar-29和Kevlar-129用作防弹产品，如防弹背心、美国警察和美国陆军用的头盔、军舰和车辆的防弹钢板。Kevlar-49和Kevlar-149用于航空航天，是承载能力很好的结构用材，高模量4、硼纤维通过蒸发把硼蒸气沉淀在很细的钨丝或碳丝上面黑色，剧毒价格高，加工困难，应用不多用复合材料修理金属飞机时，常用硼/环氧复合材料5、陶瓷纤维用于近2200℉左右的高温区：防火墙，发动机部件等。白色基体：一种将纤维粘接在一起的均匀材料复合材料的韧性和环境耐受能力（如耐温、吸湿等）主要取决于树脂热塑性树脂：能不断反复进行物理变化的材料，加热使它软化，冷却使它硬化。只要符合温度范围要求，不过冷，不过热，可以按需要重复多次。热固性树脂：通过热、催化剂、紫外线等进行化学反应的材料(和热塑性的物理变化不同)。一旦变硬，再多的热也不能使它变回液态。不可重复环氧树脂组成：树脂和催化剂(或称固化剂)性能：粘结性能、机械和抗疲劳性能、尺寸稳定性好，抗腐蚀，层间结合强度高，有良好的电学性能和低的吸湿性环氧树脂制造商将树脂浸润纤维到B-阶段（B-阶段是热固性树脂的中间固化阶段，介于未处理与完全处理之间），必须冷冻存贮（防止树脂固化）度量：重量。树脂和催化剂必须用以克作单位的天平精确测量。千万不要自行改变树脂与催化剂的比例液态的树脂用于浸润纤维织物，二者一起固化形成制件。富脂区：树脂用得太多的区域。易于断裂（缺少纤维支持）贫脂区：树脂用得太少的区域。较弱（存在空隙，且纤维没有固定在一起）树脂体系对温度要求很严，必须保持正确的固化温度：环氧树脂：室温～350℉（177OC）1）120OC：复合材料使用温度不高于80OC，力学性能较差2）180OC：使用温度130～150OC，力学性能较好聚酯树脂：室温～250℉（121OC)聚酰亚胺树脂(高温)：500～600℉（260～316OC）复合材料特性同固化温度的关系350℉：能提供很好的机械特性，用于主要受力件，如飞行控制表面。250℉：常被用于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。室温：较低特性，不常用。热固性树脂：本身强度不高，但与玻璃纤维、Kevlar纤维、碳纤维和硼纤维加强后会形成强度非常高且重量轻的结构材料热塑性树脂：耐热性和韧性好，但成型温度高，生产成本高，应用受限金属基体：用于450OC以下：铝基和镁基连续纤维+铝或合金元素少的铝合金、颗粒或晶须+高强度铝合金450OC～700OC：钛合金碳化硅纤维、碳化钛纤维、硼化钛颗粒+钛合金1000OC以上：镍基、钛基高温合金、金属间化合物（镍-铝、铁-铝等）预浸料用树脂基体在严格控制的条件下浸渍连续纤维或织布，形成树脂基体和增强体的组合物，是制造复合材料的中间材料（预先）运输和储存：低温（-18OC或-12OC）密封于聚乙烯塑料袋内单向预浸料/带：树脂浸渍单向长纤维或含少量（小于10%）纬向纤维的经向纤维而成，树脂含量通常35%—38%单层厚度：0.125mm或0.150mm织布预浸料：树脂浸渍织布而成（比单向预浸料厚）湿铺层：在工作现场，用树脂将干的纤维织布或纤维浸渍后制成的补片铺层。提供形式：卷材/片材kevlar和玻璃纤维材料（织物）石墨材料（带或织物）注：复杂形状必须用织物、绝大部分修理使用织物标记：预浸料制造商在材料卷轴的末端所作的记号，表明附近范围内有缺陷存在。从预浸料中切取修理层时，应避免这些缺陷。允许制造商在一卷材料上有一定数量的缺陷而用户不能拒收。树脂分为三阶段：A阶段——树脂处于流动性好、可涂抹且粘黏性良好B阶段——树脂处于半干状态且粘黏性良好C阶段——树脂处于固化状态规格：由宽度、树脂含量、单位面积纤维质量确定通用规格特点：树脂基体和纤维比例可调，便于进行铺层设计易制成空隙含量低的高品质复合材料运输和储存需低温价格较高预浸料制备方法：1、湿法（溶液浸渍法）将树脂基体各组分按规定的比例溶解于低沸点溶剂中，然后将纤维束式织物以规定速度通过溶液，浸上树脂基体然后去除溶剂，加热到B阶段待用。溶液浸渍法在预浸料的上下均放置离型纸，其中下离型纸随着预浸料的收卷存附其中2、干法a）热熔树脂法：将树脂体系在胶槽特定的温度下熔融,直接将纤维纱束或织物以一定的浸胶速度通过胶槽，然后挤压。b）膜胶压延法：在适合成膜的温度下将树脂涂覆在离型纸上制备成厚度适宜的胶膜。然后将纤维丝通过纱架束铺覆在两层胶膜或者一层胶膜的离型纸中,通过热压辊将树脂浸渍到纤维中。（更广泛）冷却后,在纤维上铺覆聚乙烯薄膜,收卷冷藏预浸料制备方法比较湿法优点：纤维易被树脂浸透；操作简便；设备造价较低。缺点：需要去除并回收溶剂；树脂体积含量不易控制。干法优点：效率高，树脂含量可精确控制（可制备低胶含量预浸料，省去排胶和吸胶材料）；没有溶剂，预浸料挥发少，可连续化生产。缺点：不适合浸渍厚纤维或织物；高粘度树脂难于浸渍。离型纸/分离纸：一种防止预浸料粘连，又可以保护预浸料不受污染的防粘纸，可为在其表面划线提供方便，还可防止单向预浸料横向开裂。特性：易同预浸料分离，不与树脂发生化学反应或污染树脂环境温度、湿度变化时，分离纸长宽保持不变，伸长率同纤维伸长率保持一致（以免预浸料起皱或变形）有足够致密度（防止水分进入预浸料）厚度和单位面积质量均匀（保证预浸料树脂含量精确控制）胶粘剂1、双组分：室温固化修理（主要）、热胶接固化修理（少数）特点：便于保存，不需冷冻，室温下储存期长现场配混可能造成混合不充分或重量不准确胶接强度和使用温度较低，耐久性差用于临时性修理（主要），永久性修理（小面积损伤、表面装饰性修理等）固化后，可加热至60～80OC处理（粘结强度和耐久性显著提高）2、胶膜状：涂在一层支持薄膜（涤纶、尼龙、玻璃纤维布）上的胶粘剂，属于B阶段环氧树脂胶用于蒙皮粘蜂窝、芯塞间、预浸料铺层间、预固化补片间的热胶接固化修理中温：固化温度120～130OC，使用温度80OC左右高温：固化温度170OC，使用温度130OC左右特点：使用方便，无需现场混合性能稳定厚度均匀力学性能和耐热性较好必须冷冻保存价格较贵3、泡沫胶粘剂：一种受热体积膨胀后再固化产生粘接作用、含泡沫剂的胶粘剂（环氧树脂体系）（膨胀率130%～500%）形式：糊状、膜状（发泡胶条）分类：中温固化、高温固化适用：蜂窝修理中替换芯体与原有芯体粘接、填充蜂窝孔格和带有间隙的两个制件间胶接保存：冷藏填充剂：在树脂中加入的材料，可以改变树脂的物理性能，如密度、强度、弹性等短纤维：由玻璃纤维、Kevlar或碳纤维切成的，用于外形修理和错位孔及冲击孔的修理。碎纤维：更小的磨碎纤维，用于小的表面缺陷、划伤、V形小刻痕及孔的修理。Cab—O—Sil：一种二氧化硅粉做的添加剂，用于控制粘性，并不提高树脂强度。处理这种材料时要带面罩。微珠：由玻璃或酚醛树脂做的微小球体。可降低树脂的密度和弹性。在蜂窝部分用于芯板的边缘填充和紧固件的填充以及孔的修理。蜂窝芯材金属：铝合金注：很少铝蜂窝同碳纤维面板组合（电偶腐蚀、热膨胀系数相差大导致高热应力）非金属：玻璃布（用于雷达罩、天线罩等要求电磁波穿透性好的夹层结构）Nomex（芳纶纸浸渍酚醛树脂固化后制成）（密度小）纸（因性能差飞机结构不用）等孔格形状：六角形（主要）、长方形（过拉伸）蜂窝芯材制造：拉伸法和波纹法波纹化——波峰涂胶——叠合——固化涂胶机（平行带状涂抹）——切割——叠合——切割——拉伸修补中常用工艺辅助材料成型工艺过程中，不进入制件，但必须使用的消耗性材料包括：脱模剂、吸胶材料、透气材料、真空袋薄膜、密封胶条、隔离膜等1、脱模剂：用作两个表面之间的界面，以防止两个表面相互粘接在一起，使制件和模具易于分离。1）脱模织物：一种织物层，在许多情况下用作分离层/隔离层，又称可剥保护层，它一般不允许树脂渗透或气泡渗透。当树脂固化后，去除可剥保护层，形成一个不需打磨就可胶接或油漆的表面。脱模灵234TFNP（TeflonFiberglassNon