复合材料损伤及其修复技术研究.doc

复合材料损伤及其修复技术研究【摘要】：复合材料是一种新材料，因为其许多特有的优点已经在航空航天、建筑桥梁等领域得到广泛应用，复合材料的损伤修复也逐渐成为研究项目中的热点。其中光修复技术是用得较多的一种，本研究以较常用的复合材料为试件，在简要介绍复合材料的基础上对光修复技术做了详细介绍，期望能为进一步研究复合材料的光修复技术奠定基础。【关键词】：复合材料；损伤；光修复引言复合材料无论是力学性能、损伤情况、失效方面都要比单一材料复杂很多。由于其基体的强度要比增强纤维的强度低很多，导致它抗冲击的性能较差，横向强度以及层间的剪切强度也比较低，当受到局部的冲击时，复合材料普遍会出现纤维断裂、凹痕、剥层、基体破裂等一些损伤现象。而且一旦发生损伤，损伤的区域会在周期性的应力作用下逐渐扩大，进一步影响到复合材料的继续使用。从上个世纪的80年代初，国外已经着手研究和解决复合材料的修复问题，先后投入了大量的人力、物力和资金。到目前为止，美国和欧洲的一些大公司对关于飞机复合材料损伤修理问题开展了较为广泛的研究，并且己经取得一定的成果，但仍然在不断的发展中。早在上个世纪80年代中期，欧美的许多大公司就在飞机的设计文件以及使用手册里面详细规定了复合材料的修复方法，比如美国波音公司的A320维护手册和F-16修理手册。近年来，国内航空航天系统的相关部门对这个问题的紧迫性和重要性已经有所认识，在复合材料的修复问题上也作了许多工作并取得了一些进展，相继成立了空中客车亚洲复合材料结构维修和中国东方航空公司空中客车复合材料结构修理专家系统等致力于研究复合材料修复的机构。但从总体上来看，重视程度依然不够、投资也不足，所以基本上没解决什么问题。对许多缺陷和损伤没有制定明确的修理方法，修理材料、工艺设备等也不够完善。因此，我们通过研究制定关于复合材料的修复手册，更加高效地解决有关复合材料修复的问题，使复合材料能够得到更加广泛的应用。1.复合材料的性能与特点复合材料具有很多良好的性能，复合材料代替铝合金结构，可大大降低飞行器的自重。复合材料最为突出的优势是比模量和比强度(即模量、强度和密度的比值)高。比模量和比强度是材料的承载能力相当重要的指标，如果比强度值越高，其零件的自重就会越小；比模量值越高，零件自身的刚性就会越大。表1是一些金属材料和复合材料的比刚度以及比强度的对照。表1常用材料的比强度和比刚度（单位：Gpa）材料名称材料比重拉伸强度弹性模量比强度比模量铝合金L652.80.46720.1726钛合金DTD4.50.931100.2124钢S977.80.992070.7327硼2.53.54201.40168Kevlar1.442.81301.9490Ⅰ碳纤维2.01.94000.95200Ⅱ碳纤维1.72.62001.52118E-玻璃2.542.6840.9833复合材料另一个突出特点是它的抗疲劳性很好，疲劳破坏是指材料由于变载荷的作用，产生裂缝并导致裂缝逐渐扩展而形成的低应力破坏。金属材料发生疲劳破坏时没有任何预兆，是突然发展的。但是纤维材料却不同，它的破坏一般是从纤维的最薄弱的环节展开的，然后逐渐扩展到纤维与基体的结合面上，正是这一界面能阻止裂纹的进一步扩展，因此，它的破坏是有明显预兆的。另外，纤维复合材料还具有很好的抗声振疲劳性能。出了以上突出有点，复合材料还具有吸能、减振、耐磨、绝缘、耐热和耐腐蚀等许多优点。这也是为什么复合材料能够在民用飞机和军用飞机上都得到极为广泛的应用。2.复合材料修复的要求2.1要求修复后可以恢复结构达到标准修补后，材料的刚度和强度要恢复到设计许可值；恢复结构的耐久性；恢复结构的使用功能：结构修补后重量增加最少；对于飞机控制面的修补，重量分布要满足气动平衡要求。美国联邦航空管理局(FAA)于1984年专门就复合材料飞机结构发出的答询通报AC-107中就修复问题明确规定：维修手册中提供的修复程序应通过分析和实验验证，证明该修复方法可以恢复结构达到适航标准。2.2要求可以在线修复修理时间要求尽量少，修补过程中使用的设备和工具要少。由于复合材料及其构件在使用过程中损伤或局部破坏不可避免，现役飞行器的外场快速修复矛盾日益突出：同样在生产过程中冷、热加工的不当操作导致的损伤将直接影响产品质量与经济效益，在线产品的快速修复技术也日趋重要。传统的修复方法如铆(螺)接、粘接、超声波焊接、电阻加热、感应加热虽各具特色，但都有不足之处，难以达到快速修复的目的。寻找适合于在线产品快速修复以及现役飞行器的外场快速修复方法，是复合材料在航空航天领域应用的迫切需要。3.光修复技术在复合材料的损伤修