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上海人和科學(xué)儀器有限公司

對碳纖維布進(jìn)行預(yù)粘結(jié)熱處理和除冰液污染的機(jī)械和非破壞性的研究

時間:2018-8-21 閱讀:2243
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1.介紹

復(fù)合材料因其良好的力學(xué)性能在航空航天、造船、汽車、建筑、體育器材及醫(yī)療器械等方面的應(yīng)用日益廣泛。加入碳纖維布(CFRP)的有效方法之一是使用粘結(jié)劑。我們分析了表面預(yù)粘結(jié)改性對碳纖維布粘結(jié)的影響。改性方法包括表面熱處理、除冰液表面污染等。

目前使用碳纖維布的材料是鉚接在一起的。替換鉚接為粘接,來尋求適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量保證技術(shù)。在飛機(jī)的生命周期中,有許多因素會危及到粘結(jié)的完整性。在制造階段粘結(jié)之前,對部件進(jìn)行不適當(dāng)?shù)那逑纯赡軙?dǎo)致很弱的粘結(jié),在維修過程中也會出現(xiàn)類似的危險(xiǎn)。如果要用膠粘貼片修補(bǔ)結(jié)構(gòu),那么粘結(jié)前的表面應(yīng)該要保持干凈。有必要進(jìn)行樁核粘結(jié)檢查,以確保粘結(jié)質(zhì)量。表面預(yù)粘結(jié)改性對斷裂韌度和粘附強(qiáng)度的影響備受關(guān)注。表面改性的目的是在粘結(jié)中引入缺陷,模擬了復(fù)合材料粘結(jié)修復(fù)的預(yù)粘結(jié)污染場景:除冰液的污染和飛機(jī)部件的熱降解。我們考慮了三組預(yù)粘結(jié)的改性。個改性是在粘結(jié)前的熱處理。結(jié)構(gòu)部件可能暴露在外部熱源、閃電沖擊或熱引擎廢氣中。碳纖維布的熱處理可能導(dǎo)致纖維和樹脂因界面降解、分層、形成裂縫以及聚合物基體的降解而產(chǎn)生脫粘。在有氧氣的環(huán)境中,就會發(fā)生熱氧化降解。預(yù)粘結(jié)熱處理對碳纖維布的斷裂韌度有一定的影響。第二種改性是用除冰液對樣品進(jìn)行預(yù)粘結(jié)污染處理。除冰液會影響飛機(jī)部件。除冰裝置中含有甲酸鉀,會沉積在碳纖維布的表面上。在飛機(jī)清洗過程中,可以將甲酸鉀運(yùn)送到準(zhǔn)備改性的區(qū)域,并污染它們,這可能會導(dǎo)致弱粘結(jié)。

在過去,各種方法被用來研究粘接。非線性孤波用于測試被釋放劑污染的粘結(jié)。在此之前,也曾嘗試采用EMI方法進(jìn)行粘結(jié)評估。用于CFRP粘接的EMI方法,主要是對潮濕污染、釋放劑污染、粘結(jié)劑的不當(dāng)固化溫度等問題進(jìn)行研究。

 

2. 材料準(zhǔn)備

8CFRP相互粘結(jié)(總厚度是4mm),然后被切成小試樣用于機(jī)械測試。其中,使用的粘結(jié)劑是FM300-2Cytec,美國),固化溫度是121 。制備了參比樣品(RE)和改性后的樣品。這些改性包括熱處理(TD)、除冰液污染(DI)。

CFRP放在熱風(fēng)循環(huán)烘箱中進(jìn)行熱處理。使用三個溫度等級:220TD1),260TD2)和280TD3),并在選定的溫度下保溫2 h。然后磨碎CFRP,并粘在未處理的CFRP上。在SAFEWAY KF除冰液中,浸漬涂布了CFRP,制成了除冰液對粘結(jié)劑的污染效果。防冰劑含有甲酸鉀,所以表面的鉀(K)含量被認(rèn)為是污染程度的一種測量方法。污染濃度依次為: 6.4±1.8 (DI1), 10.9±2.3 (DI2) 12.0±1.4 at. % K (DI3)

 

3. 離心方式測試附著力

離心測試是使用LUMiFrac附著力分析儀(圖1)進(jìn)行的。離心技術(shù)的試驗(yàn)原理是基于旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動中,離心力

 

其中,m是旋轉(zhuǎn)質(zhì)量,w旋轉(zhuǎn)速度,r是旋轉(zhuǎn)軸的距離。旋轉(zhuǎn)速度的增加會導(dǎo)致負(fù)載增加。如果負(fù)載超過了樣品的粘附強(qiáng)度,試驗(yàn)壓模塊就會在引導(dǎo)套筒內(nèi)向外移動。試驗(yàn)壓模的分離就也會被自動檢測到。使用SEPView測量軟件,可計(jì)算斷裂力和粘附強(qiáng)度。

連接過程如圖3所示。粘結(jié)劑用于帶有直接置換管道的壓型塊(a,引導(dǎo)套筒放置在樣品表面(b),壓型塊插入(c)并與樣品(d)粘結(jié)。

該儀器通過USB連接到電腦上。接口用于控制儀器(測試參數(shù)的傳輸)和結(jié)果的傳輸。當(dāng)前的轉(zhuǎn)子-轉(zhuǎn)速被不斷地傳送到電腦軟件。斷裂時刻的轉(zhuǎn)速和斷裂時間被保存到相關(guān)的樣品位置。

準(zhǔn)備好的樣品被插入到模塊中進(jìn)行裂縫檢測,然后放置在轉(zhuǎn)子上。之后,關(guān)閉轉(zhuǎn)子和離心機(jī)蓋。在圖4中顯示了帶有8個通道(測試位置)的LUMiFrac的轉(zhuǎn)子。

在啟動軟件后,選擇所用的壓型塊,并輸入與樣品位置相關(guān)的樣品編號。接下來選擇負(fù)載變化并增大。初始化數(shù)據(jù)記錄開始離心。測試完成后,記錄的數(shù)據(jù)被導(dǎo)出到Excel中。

 

4 結(jié)果

5描述了粘附強(qiáng)度(AS)的結(jié)果。采用該方法對單次改性(TDDI)的樣品進(jìn)行了研究。與參比樣品RE相比,TD1的平均粘附強(qiáng)度增加。在TD2TD3處理?xiàng)l件下,粘附強(qiáng)度下降。除冰液污染對DI1DI2的粘附強(qiáng)度有相似的負(fù)面影響。DI3的平均粘附強(qiáng)度較低。

 

由此可見,使用LUMiFrac附著力分析儀,可對碳纖維布進(jìn)行預(yù)粘結(jié)熱處理和除冰液污染的機(jī)械和非破壞性的研究,這對航空航天器的安全非常有指導(dǎo)意義。

 


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