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先進複合材料講義(六):複合材料修複及預浸料使用儲存的規範

作者:複合材料前沿

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熱壓成型

在熱壓成型過程中,在烤箱中加熱到高于熔體溫度(340-430°C,或645-805°F),迅速(1-10秒)送到成型模具,壓成型,并在壓力(700 - 7000千帕,或100 - 1000 psi)下固結和冷卻。如圖42所示,在生産中,壓成型模具通常是鋼或鋁結構的凸凹組合。但是,在原型制作過程中可以使用橡膠、木材、酚醛等材料。整套模具可以在整個成型-固結循環中保持在室溫下。但是,使用熱模(120-200°C,或250-390°F)可以控制冷卻速率(避免零件翹曲和控制半晶熱塑性預浸料的形态,如PEEK和聚苯硫醚),并延長成型視窗,促進更好的鋪層滑移。

先進複合材料講義(六):複合材料修複及預浸料使用儲存的規範

圖42:熱壓裝置

這種方法的主要缺點是,壓力機隻向一個方向施加壓力,是以,很難制造複雜形狀(例如,珠子,封閉角)的零件或支撐接近垂直的零件。因整套模具的溫度不需要與每個部分循環,快速成型時間在10分鐘至2小時之間的壓力機成型是可以實作的。

熱電偶(探針)

熱電偶( thermocouple簡稱TC)是一種用于精确測量溫度的熱電裝置。它可以連接配接到一個簡單的溫度讀數裝置,或連接配接到熱連結器,烤箱,或其他類型的控制器,以調節熱量。TC由一根導線或兩根不同金屬的導線組成,導線的一端連接配接在一起。加熱接頭産生電流,通過TC螢幕轉換為溫度讀數。選擇與當地溫度監測裝置(熱連接配接器、烘箱、高壓罐等)相容的電線類型(J或K)和連接配接器類型。TC線可連與不同類型的絕緣裝置;檢查制造商的産品資料表,以確定絕緣能承受最高的固化溫度。聚四氟乙烯(Teflon特氟龍)絕緣電線通常适合390°F(198.89℃)及以下固化;聚酰亞胺( Kapton卡布頓)絕緣電線應用于較高的溫度。

熱電偶布局

在整個修複過程中,放置熱電偶是獲得适當固化溫度的關鍵。一般來說,用于溫度控制的熱電偶應放置在盡可能靠近修補材料的地方,而不使其嵌入修補材料或在修補過程中産生壓痕。它們還應放置在适當的熱或冷的位置,以確定材料得到充分的固化,但不會暴露在可能降低材料結構性能的過高溫度下。熱電偶應放置在離需要監測的區域盡可能近的地方。使用熱電偶時應采取以下步驟:

•至少不低于三個熱電偶來監測一個加熱循環。

•如果黏接預固化更新檔,将熱電偶放置在更新檔中心附近。

•控制熱電偶可以位于低溫(200°F(93.33℃)或更低)共固化貼片的中心,隻要将其放置在薄金屬片的頂部,以防止熱電偶壓痕到貼片上。這可以允許更精确地控制貼片溫度。

•安裝在修理更新檔周圍的熱電偶應放置在距離膠粘線邊緣約0.5英寸的地方。

•将溢料帶放置在熱電偶尖端的下方和上方,以保護它們免受樹脂溢料的影響,并保護控制單元免受電源短路的影響。

•不要将熱電偶放在真空端口下,因為壓力可能會損壞引線,導緻錯誤讀數發生。

•不要将熱電偶電線與熱傳導毯電源線相鄰或交叉,以防止磁通量線導緻錯誤的溫度讀數。

•不要将任何控制熱電偶放置在熱毯的兩英寸重疊的修複,以防止控制器試圖補償較低的溫度。

•始終保持真空袋下熱電偶電線的松弛,以防止在真空應用時熱電偶被拉離監控區域。

修複區熱監測

為了實作最大程度的結構黏結複合材料修複,必須在推薦的溫度範圍内固化這些材料。如果不能在正确的溫度下固化,可能會産生薄弱的更新檔或粘接表面,并可能導緻在使用過程中使修複失敗。在安裝修理前應進行熱測量,以確定達到适當和均勻的溫度。熱測量确定了加熱和絕緣要求,以及修複區域的TC位置。熱勘測對于确定加熱方法(熱風子產品、熱燈、熱毯法和在修複區域存在散熱器<如子結構>的情況下的監測要求)特别有用。應對所有類型的加熱方法進行測試,以防止修複區域加熱不足、過度或不均勻。

修複區溫度變化

修複區域的溫度變化有多種原因。其中主要是材料的類型,材料的厚度,以及修複區域的底層結構。由于這些原因,了解待修複區域的結構組成是很重要的。存在于修複區中的子結構将熱量從修複區引導出去,導緻結構正上方的冷點。薄的表面很快就會受熱,很容易過熱。較厚的表面吸收熱量較慢,需要較長時間才能達到浸泡溫度。熱測量可以确定這些問題區域,并允許技術人員制定所需的熱量和絕緣設定,以均勻加熱修理區域。

熱測量

在熱測過程中,盡量确定修複區可能出現的熱區和冷區。在修補區域臨時貼一塊相同材料和厚度的更新檔、幾個熱電偶、加熱毯和一個真空袋。加熱該區域,在溫度穩定後,記錄熱電偶溫度。如果熱電偶的溫度與平均溫度相差超過10度,應添加絕緣材料。有長筋和肋條的區域表示溫度比更新檔中部低,因為它們充當了散熱器。在這些地方添加絕緣材料以提高溫度。如圖43所示

先進複合材料講義(六):複合材料修複及預浸料使用儲存的規範

圖43:熱測量圖例

散熱問題的解決方案

額外的絕緣可以放置在維修區域。這種絕緣也可以延伸到修理區域以外,以減少熱量被帶走。 通氣閥材料和玻璃纖維布工作良好,無論是在真空袋的頂部或在真空袋内或在結構的可接近的背面。在冷的地方多放些絕緣材料,在熱的地方少放些絕緣材料。如果可以進入修複區域的背面,可以在那裡放置額外的熱毯,使修複區域更均勻地加熱。

疊塗類型

濕疊法

在濕鋪層過程中,幹織物浸漬樹脂。在進行修複前将樹脂系統混合。把修補層鋪在一塊織物上,用樹脂浸漬在織物上。織物浸漬後,剪斷修補層,按正确的鋪層方向堆疊,用吸塵器吸袋。濕式鋪層修補常與玻璃纖維一起用于非結構應用。碳纖維和kevlar®幹織物也可以使用濕層樹脂系統。許多樹脂體系采用常溫濕鋪層固化,易于完成,材料可在常溫下長時間儲存。室溫濕鋪層的缺點是它不能恢複在制造過程中在250°F(121℃)或350°F(176.67℃)下固化的原始結構和部件的強度和耐久性。一些濕鋪層樹脂使用高溫固化,有改善性能。一般來說,濕鋪層材料的性能低于預浸料的性能。

環氧樹脂在使用前可能需要冷藏。這可以防止環氧樹脂的老化。容器上的标簽标明了每種部件的正确儲存溫度。大多數環氧樹脂的典型儲存溫度在40°F(4.4℃)到80°F(26.67℃)之間。一些樹脂系統要求存儲在40°F(4.4℃)以下。

預浸料

預浸料是在生産過程中浸漬樹脂的織物或膠帶。樹脂體系已經混合并處于B階段固化。将預浸料儲存在0°F(-17.78℃)以下的冷凍室中,以防止樹脂進一步固化。材料通常被放在一卷上,襯底材料被放在材料的一邊,這樣預浸料就不會粘在一起。該預浸料具有粘性,并在堆疊過程中容易粘附到其他層。你必須從冷凍室中取出預浸料,讓材料解凍,這可能需要8小時一整卷。将預浸料儲存在密封防潮袋中。在材料完全解凍之前不要打開這些袋子,以防止材料被水分污染。

在材料融化堆疊并從襯底材料上取下後,将其切成修補層,按正确的鋪層方向堆疊,并抽真空。堆疊時,别忘了去掉襯底材料。以較高的固化周期固化預浸料;最常用的溫度是250°F(121℃)和350°F(176.67℃)。熱壓罐、固化爐和熱粘結劑可用于固化預浸料。

如果零件是由幾層預浸料制成的,固結是必要的,因為大量的空氣會被困在每層預浸料之間。用有孔的釋放膜和透氣層覆寫預浸料,去除這些滞留的空氣,并應用真空袋。在室溫下真空10到15分鐘。通常情況下,将第一層固結膠合闆貼在工具面上,根據預浸料厚度群組件形狀,每隔3或5層重複此過程。

将預浸料、薄膜粘合劑和發泡粘合劑存放在冰櫃中,溫度低于0°F(-17.78℃)。如果這些材料需要運輸,請将它們放在裝滿幹冰的特殊容器中。冰櫃不可以是自動除霜型;自動除霜循環定期加熱冷凍機内部,可減少存儲壽命,消耗複合材料的允許出廠時間。冰櫃必須能夠保持0°F(-17.78℃)或以下的溫度;大多數家用冷凍室都達到了這一标準。大型冰櫃可用于大容量冷庫。如果使用量小,一個箱式冷凍室可能就足夠了。冷凍室用于儲存層壓和粘貼粘合劑,并應保持在40°F(4.4℃)附近。如圖44所示

未固化的預浸料有儲存和使用的時間限制。如圖45所示,預浸料在低溫下允許儲存的最長時間稱為儲存期,一般為6個月至1年。可對材料進行測試,并可由材料廠家延長貯存壽命。

先進複合材料講義(六):複合材料修複及預浸料使用儲存的規範

圖44:小型當機間貯存預浸料材料

先進複合材料講義(六):複合材料修複及預浸料使用儲存的規範

圖45:預浸料的貯存壽命

材料在室溫下固化之前所允許的最長時間稱為機械壽命。建議在室溫下完成鋪層和壓實的時間稱為操作壽命。操作壽命比機械壽命短。機械壽命是材料從冷凍室取出到材料傳回冷凍室這段時間内測量的。操作人員必須記錄進出冷凍室的時間。超過機械壽命的材料需要丢棄。

許多元修設施将材料切割成更小的套件,并将它們儲存在防潮袋中,從冷凍室中取出後解凍更快。這也削弱了大卷材料從冷凍室裡出來的時間。

所有冷凍的預浸料需要儲存在防潮袋内,以避免水分污染。所有預浸料應避免灰塵、油、蒸汽、煙和其他污染物。修複鋪層最好有一個潔淨室,但如果沒有潔淨室,應将預浸料儲存在袋子中或用塑膠覆寫。在開始鋪層之前,用分隔膜覆寫預浸料的無保護邊,并在鋪層修補層之前立即清潔被修補的區域。

預浸料對溫度敏感。過高的溫度會使材料開始固化,過低的溫度會使材料難以處理。對于在非常寒冷或非常炎熱的氣候下維修飛機,修理區域周圍應該有一個帳篷保護。在控制溫度的環境中準備預浸料修複層,并在使用前立即将其帶到修複區。

共固化

共固化是兩個部分同時固化的過程。兩部分之間的界面可能有,也可能沒有膠合層。共固化通常會導緻面闆表面品質較差,這可以通過在标準固化循環中使用共固化的二次堆焊材料或後續的填充均勻操作來防止。共同固化的表面也可能有較差的機械性能,需要使用較低的設計值。

典型的共固化應用是加強筋和蒙皮的同時固化。經常在加勁筋和蒙皮之間的界面上放置膠膜,以增加抗疲勞和抗剝離能力。共固化工藝的主要優點是粘合組分之間的良好貼合和保證表面清潔度。

二次粘接

二次粘接利用預固化複合材料零部件,用一層膠粘劑将兩個預固化複合材料零部件粘接在一起。蜂窩夾層元件通常采用二次粘結工藝,以確定最佳的結構性能。在蜂窩芯上共固化的層合闆可能有變形層,這些層已經滲入芯細胞。是以,抗壓剛度和強度可能分别降低多達10%和20%。

經過二次粘接的預固化層合闆通常在粘接表面有一層薄薄的尼龍或玻璃纖維膠層。雖然剝離層有時阻礙了預固化層壓闆的無損檢查,但它已被發現是在粘合前確定表面清潔的最有效的方法。剝去表皮層後,就得到了一個原始的界面。輕磨砂去除剝離層織物産生的多餘樹脂印痕,如果這些印痕斷裂,就會在粘接線上産生裂縫。

複合材料可以用于結構修複,恢複,或增強鋁,鋼和钛元件。結合複合材料增強劑有能力減緩或停止疲勞裂紋的擴充,替代由于腐蝕磨砂而損失的結構區域,并在結構上增強小和負邊緣區域。這種技術通常被用于金屬粘結和傳統飛機上複合材料粘結修複的結合。帶有環氧樹脂的硼預浸帶最常用于這種應用。

共粘接

在共粘接過程中,對其中一個零部件進行預固化,與之比對的部分與粘合劑同時進行固化。薄膜膠粘劑常用于提高剝離強度。

未完待續