1、复合材料复合材料基础知识基础知识培训培训 本次教学内容分为三个部分：本次教学内容分为三个部分：第一部分第一部分 复合材料的基本概念和复合材料的基本概念和 基础知识基础知识 第二部分第二部分 复合材料制造与维修的复合材料制造与维修的 相关知识相关知识 第三部分第三部分 复合材料的维修复合材料的维修第一章第一章 复合材料的定义复合材料的定义一、复合材料的定义 定义：将定义：将两种或两种以上两种或两种以上组织结构不同的物组织结构不同的物 质，质，自然地或人为地自然地或人为地构成构成性质不同性质不同的的 另一种另一种多相多相材料称之为复合材料。材料称之为复合材料。二、常见复合材料举例 自然形成的复合材
2、料：自然形成的复合材料：木材（各种树干）、竹子、各种植物的 茎等 人为加工的复合材料：人为加工的复合材料：泥巴墙：将泥土涂在芦苇编织的网格上 混凝土：石子、水泥、(钢筋)现代工业常用的先进的复合材料：现代工业常用的先进的复合材料：玻璃钢：玻璃纤维增强环氧树脂 芳纶纤维、硼纤维、碳纤维等增强树脂第二章第二章 复合材料的分类与简介复合材料的分类与简介 复合材料主要由两部分组成：增强体增强体+基体；基体；其分类方法较多，其中最常用的是按基体和增强体类型分，如：颗粒增强复合材料；夹层增强复合材料；纤维（连续纤维和短纤维）增强复合材 料；树脂基复合材料，金属基复合材料，陶瓷基复合材料，还有比较特殊的先进
3、碳基复合材料：碳基复合材料，表示方法为：C/C；一一、颗粒增强复合材料、颗粒增强复合材料 将各种形状的增强颗粒嵌镶在基体中构成 的多相材料。二、夹层复合材料二、夹层复合材料 1.夹层板复合材料，如三合板等。2.夹芯结构复合材料 夹芯结构复合材料由两部分组成：面板+芯材 面板：树脂基复合材料板、铝合金板、不锈钢板、钛合金板及高温合金板等。芯材：泡沫、波纹板、蜂窝芯等。蜂窝结构的作用 蜂窝结构其作用主要是减轻结构重量，提高 结构的抗弯刚度。蜂窝夹芯的材质及类型 蜂窝夹芯是夹层复合材料中最常用的夹芯结 构，形状有六角形、菱形、矩形等。按制造 材料不同，有铝蜂窝、芳纶纸蜂窝和玻璃布 蜂窝等。三、纤维增
4、强复合材料三、纤维增强复合材料 纤维增强复合材料所用纤维有玻璃纤维、碳 纤维（石墨纤维）、芳纶纤维、硼纤维等。1.纤维增强原理纤维增强原理 物质强度理论认为：物质强度理论认为：材料的强度取决于物质的分子结构结构 的完整性（杂质、位错、其它缺陷等）。2纤维的种类与性能简介纤维的种类与性能简介 碳纤维碳纤维 20世纪60年代,英国首先研制成功碳纤维，继而日本又以聚丙烯腈（PAN）为基础研制出PAN基碳纤维。飞机结构上主要采用聚丙烯腈基碳纤维，此类碳纤维从性能上可分为高强度型、超高强度型、高模量型等。下表给出了典型碳纤维的品种与性能。表1-1几种典型碳纤维性能数据 纤维类型纤维性能高强度型高弹性模量
5、高弹性模量高应变型密度（Kg/m3）17001800180019001900210017001800纤维直径(m)78788958拉伸弹性模量(GPa)220250340380520550240270抗拉强度(Gpa)2.53.52.22.41.81.94.04.7断裂延伸率(%)1.21.40.60.70.30.41.71.8 电阻率(/m)151891067线胀系数(10-6/)0.5 0.7 0.6 0.5 碳纤维的性能碳纤维的性能 目前飞机上使用的复合材料以碳纤维目前飞机上使用的复合材料以碳纤维/环氧树脂为代表，环氧树脂为代表，它具有比较高的比强度和比模量它具有比较高的比强度和比模量，
6、可使飞机的结构重可使飞机的结构重量大幅度下降。量大幅度下降。芳纶纤维（芳纶纤维（Aramid）该纤维是美国杜邦（DUPONT）化学公司1968年推出的一种高强度、高模量和低密度的有机纤维。主要品种有：KevLar 29、KevLar 129、KevLar 49、KevLar 149。（凯夫拉尔）前两种主要用作轮胎帘子线，后两种可用在飞机上。芳纶纤维的应用芳纶纤维的应用 由于芳纶纤维的一系列优点，自由于芳纶纤维的一系列优点，自70年代以来，年代以来，很多机种的玻璃纤维复合材料已由芳纶纤维复很多机种的玻璃纤维复合材料已由芳纶纤维复合材料所取代，尤其是芳纶纤维与碳纤维混杂合材料所取代，尤其是芳纶纤维
7、与碳纤维混杂后，可以优势互补，使芳纶纤维的抗压强度提后，可以优势互补，使芳纶纤维的抗压强度提高一倍，碳纤维的冲击韧性提高一倍。高一倍，碳纤维的冲击韧性提高一倍。玻璃纤维玻璃纤维 玻璃纤维是应用最早最广的一种纤维，早在二十世纪30年代就在复合材料中获得应用。玻璃纤维通常有两种形式，即长纤维和短纤维。这两种形式的纤维都可以用同一种方法制作。简单地说，其生产过程是将硅砂、石英、硼酸和其它成分（粘士、氟石等）干混后，经高温炉熔融，熔化后的液态玻璃通过漏丝板即形成玻璃纤维。玻璃纤维的性质玻璃纤维的性质 玻璃纤维弹性模量比较低，价格低廉。玻璃纤维最常用的有“E”型和“S”型，前者主要用于“电子仪表板”，后
8、者主要用于高强度结构。S玻纤比E玻纤相比，其抗压强度，抗拉强度，弹性模量略高，密度降低，更耐强酸，但成本较高。其它如“A”、“C”、“D”型玻璃纤维，因其强度太低不适合飞机结构使用。四、树脂基复合材料四、树脂基复合材料 在整个复合材料家族中，树脂基复合材料是使用最广、最多、最重要的一种，这其中又以纤维增强的树脂基复合材料最为突出。（纤维增强）树脂基复合材料的组成（纤维增强）树脂基复合材料的组成 组成：树脂+纤维 纤维在前面已经作了介绍，这里主要介绍基 体材料树脂。树脂基体的作用树脂基体的作用 常有人错误的认为，复合材料的性能主要由增强体纤维决定，与基体无关。实际上基体材料也是不可忽视的重要因素
9、。归纳起来树脂基体具有如下重要作用：对增强体（纤维）的支撑作用（固定纤维的分布和方向）；对增强体（纤维）的保护作用（防止环境的机械破坏和化学浸蚀，避免纤维自身摩擦）；影响断裂韧性；横向传递载荷的作用(已断纤维承受的载荷其它纤维);常用的树脂基体大致分热固性和热塑性两大类，航空上常用的有下列数种类型：热固性树脂 热塑性树脂 环氧树脂 聚乙烯 聚酯树脂 聚苯乙烯 酚醛树脂 聚丙烯 双马来酰 聚醚醚酮 亚胺树脂 聚醚酰亚胺 聚酰亚胺树脂 聚醚砜 聚苯硫醚 聚酰胺亚胺五、金属基复合材料五、金属基复合材料一）金属基复合材料的特点一）金属基复合材料的特点 1.与树脂基相比能在较高与树脂基相比能在较高 的温
10、度环境下工作的温度环境下工作 玻璃纤维/环氧树脂（玻璃钢）工作温度 60；先进树脂复合材料工作温度150 左右；耐高温树脂复合材料工作温度300 左右；铝、镁基复合材料工作温度400500；钛基复合材料工作温度700800。工作温度在400 以上，一般须用金属基复合材料。2.良好的综合性机械性能良好的综合性机械性能3.理化性能好理化性能好4.在相同的栽荷条件下，裂纹扩展速度远在相同的栽荷条件下，裂纹扩展速度远 低于相应金属。裂纹的逐步发展易发现，低于相应金属。裂纹的逐步发展易发现，不易发生突发性事故。不易发生突发性事故。5.与树脂基相比，其缺点主要是：与树脂基相比，其缺点主要是：生产成型工艺困
11、难；易形成脆性界面层；六、陶瓷基复合材料六、陶瓷基复合材料 1.陶瓷基复合材料的优缺点陶瓷基复合材料的优缺点 主要优点如下：主要优点如下：工作温度高，适合高温环境工作（碳纤维增工作温度高，适合高温环境工作（碳纤维增 强的陶瓷基复合材料工作温度可达强的陶瓷基复合材料工作温度可达 10001200）；）；好的抗压强度；好的抗压强度；优良的高温抗氧化性能；优良的高温抗氧化性能；高温下优良的尺寸稳定性。高温下优良的尺寸稳定性。主要缺点如下：主要缺点如下：抗拉强度较低；抗拉强度较低；较脆，常温和高温下冲击韧性偏低；较脆，常温和高温下冲击韧性偏低；不能进行常规紧固连接；不能进行常规紧固连接；机械加工困难。
12、机械加工困难。l为此，工程人员往往借助大型炉子进行整体成型，避免紧固连接，加工成近似的最终成形件或最终形状，避免或减少机械加工。七、碳七、碳/碳（碳（C/C）基复合材料基复合材料 所谓碳/碳复合材料，就是用碳纤维增强基体碳的复合材料。该材料是当今能承受温度最高的材料，同时具有很好的高温强 度和尺寸稳定性。在极高的温度下，不仅能保持，甚至还能 提高结构的性能。归纳起来碳/碳复合材料主要有下列特点与优点：l极高的耐温性（可达35005000oF）（19302760）。l高温下3500oF（1930）强度实际有增加，而一般金属和其它复合材料都将遭到破坏。l强度和刚度高。l形状不随温度变化而变化，高温
13、下尺寸稳定性好。l抗烧蚀，烧蚀质量好，烧蚀中能保持结构特性。l良好的机械特性和良好的耐热冲击性。l碳纤维用目前的二维（平面）或三维（空间）编织技术可得到优异的增强材料。碳碳/碳复合材料制造工艺过程碳复合材料制造工艺过程碳/碳复合材料制造工艺过程可归纳如下：有机纤维编织预成形件 高温碳化（石墨化）固态热解浸渍压实 液态热解浸渍 热处理 气态热解机加工密封详见下列工艺流程方框图：A固化后的二维、三维增强预成形件 热固树脂 热塑树脂碳氢化合物蒸汽 固态热解 液态热解气态热解 浸渍 浸渍 机械加工 碳化 热处理 热处理 热处理 碳/碳复合材料一到四次一到三次一到四次第一部分教材内容到此结束谢谢！l第一
14、章第一章 复合材料的组成复合材料的组成l一、复合材料的基础成分与形式一、复合材料的基础成分与形式l 复合材料的基础成分主要有：树脂、纤维、粘接复合材料的基础成分主要有：树脂、纤维、粘接剂（胶粘剂）、蜂窝芯等。剂（胶粘剂）、蜂窝芯等。l 1、基体、基体l 定义：基体是将复合材料中的增强体（纤维）定义：基体是将复合材料中的增强体（纤维）粘接并固定在一起的均匀材料（树脂粘接并固定在一起的均匀材料（树脂）。）。l 两大类：热塑性树脂；热固性树脂。目前飞机两大类：热塑性树脂；热固性树脂。目前飞机上主要使用热固性环氧树脂体系。上主要使用热固性环氧树脂体系。2、增强体材料、增强体材料（1）玻璃纤维增强材料）
15、玻璃纤维增强材料 玻璃纤维增强材料有多种形式：长丝、带、织物和玻璃纤维增强材料有多种形式：长丝、带、织物和预制件等。玻璃纤维也有多种型号：预制件等。玻璃纤维也有多种型号：E型型有电磁场使用要求的玻璃纤维，主要用于有电磁场使用要求的玻璃纤维，主要用于雷达天线罩等。雷达天线罩等。C型型有好的防腐性能，用于防腐部分。有好的防腐性能，用于防腐部分。S型型强度性能好，用于有强度要求的结构部件。强度性能好，用于有强度要求的结构部件。E型和型和S型强度相似，但成本低，故波音飞机大部分型强度相似，但成本低，故波音飞机大部分使用使用E型玻璃纤维。此外，还有型玻璃纤维。此外，还有M型、型、L型玻璃纤维等。型玻璃纤
16、维等。（2）KEVLAR纤维纤维芳纶纤维芳纶纤维 KEVLARKEVLAR纤维是芳纶纤维的注册商标。有很高的纤维是芳纶纤维的注册商标。有很高的 拉伸强度和抗冲击能力，但拉伸模量低。拉伸强度和抗冲击能力，但拉伸模量低。KEVLARKEVLAR纤维纤维重量轻、强度大、韧性好，但抗压强度低，吸水性强，重量轻、强度大、韧性好，但抗压强度低，吸水性强，可吸收相当自身重量的可吸收相当自身重量的8%8%的水份。的水份。KEVLARKEVLAR纤维有两种类型：纤维有两种类型：KEVLAR49KEVLAR49为高刚度的、高强度的。为高刚度的、高强度的。KEVLAR29KEVLAR29为低刚度的，很轻，密度略大于
17、铝的为低刚度的，很轻，密度略大于铝的1/21/2。（3）碳）碳/石墨纤维石墨纤维 第一部分已有较祥细的介绍，这里不再重复。请注第一部分已有较祥细的介绍，这里不再重复。请注意一点，碳纤维是欧洲人的叫法，石墨纤维是美国人意一点，碳纤维是欧洲人的叫法，石墨纤维是美国人的叫法。严格讲两者在密度上还是有些区别的。的叫法。严格讲两者在密度上还是有些区别的。（4）陶瓷纤维）陶瓷纤维 陶瓷纤维是白色的，主要用于约陶瓷纤维是白色的，主要用于约22000F左右的高温左右的高温区如防火墙、发动机高温部件等。区如防火墙、发动机高温部件等。（5）硼纤维（略）硼纤维（略）3、维修或制造复合材料的组份材料、维修或制造复合材
18、料的组份材料（1）丝束）丝束 长丝也叫长丝也叫长纤维长纤维，是一根根的很长的纤维，是一根根的很长的纤维，也叫也叫单纤维丝单纤维丝，通常还称为，通常还称为缕缕。由一定数量的单纤维丝结成束的称之为束或由一定数量的单纤维丝结成束的称之为束或股（纱）。束通常用于碳纤维，股（纱）通常用股（纱）。束通常用于碳纤维，股（纱）通常用于玻璃纤维和芳纶纤维，股中包含的单纤维丝的于玻璃纤维和芳纶纤维，股中包含的单纤维丝的数目要比束中包含的多。单向带和织物一般是由数目要比束中包含的多。单向带和织物一般是由纤维束或股制成。束中包含纤维束或股制成。束中包含1000根单丝的用根单丝的用1K表示，表示，2000根的用根的用2
19、K表示等。表示等。（2）单向带（胶带）单向带（胶带）单向带由束或股（纱）在树脂基体中沿单一方向单向带由束或股（纱）在树脂基体中沿单一方向排列而成。排列而成。（3）织物）织物 织物是由纤维束（股）按一定的方式编织而成，织物是由纤维束（股）按一定的方式编织而成，纤维束有经线方向和纬线方向（也叫填充方向）之分。纤维束有经线方向和纬线方向（也叫填充方向）之分。经线方向是沿织物的纵向，即织物卷轴的展开方向。与经线方向是沿织物的纵向，即织物卷轴的展开方向。与经线相交（垂直）的方向叫纬线方向（也叫填充方向）经线相交（垂直）的方向叫纬线方向（也叫填充方向）经线方向和纬线方向的识别：经线方向和纬线方向的识别：织
20、物卷轴的展开方向为经线方向；织物卷轴的展开方向为经线方向；在织物中插入某种颜色的示踪线定义为经线，如插在织物中插入某种颜色的示踪线定义为经线，如插 入黄色的入黄色的KEVLAR经线；经线；在织物预浸料的塑料底膜上用红色示踪线表示经线在织物预浸料的塑料底膜上用红色示踪线表示经线 方向；方向；在塑料底膜上用菱形图案确定经向，菱形的锐角方在塑料底膜上用菱形图案确定经向，菱形的锐角方 向表示经向。向表示经向。经向的判断与识别在复合材料维修过程中非常重要。经向的判断与识别在复合材料维修过程中非常重要。4）布边）布边 布边也叫编织边，其作用是防止织物边缘布边也叫编织边，其作用是防止织物边缘丝束的松散。布边
21、的编织结构与布内不同，强丝束的松散。布边的编织结构与布内不同，强度等性能也有区别，故在制造或修理前应将布度等性能也有区别，故在制造或修理前应将布边去除。边去除。（5）粘接剂（胶粘剂）粘接剂（胶粘剂）粘接剂有多种形式，如薄膜状、糊状、泡粘接剂有多种形式，如薄膜状、糊状、泡沫状等。沫状等。胶膜胶膜 胶膜是涂在一层支持薄膜（网状涤纶、尼龙、玻璃纤胶膜是涂在一层支持薄膜（网状涤纶、尼龙、玻璃纤维布）上的胶粘剂，属维布）上的胶粘剂，属“B阶段阶段”环氧树脂胶。环氧树脂胶。主要优点：主要优点：使用方便，不需要混合的设备，性能稳定，使用方便，不需要混合的设备，性能稳定，厚度均匀。厚度均匀。主要缺点：主要缺点
22、：必须冷冻保存，加温加压固化，价格较贵。必须冷冻保存，加温加压固化，价格较贵。糊状粘接剂糊状粘接剂 胶体和固化剂均为糊状的粘接剂可室温或加热固化，胶体和固化剂均为糊状的粘接剂可室温或加热固化，保存期长且不需冷藏。须注意的是，使用前仓促配制，保存期长且不需冷藏。须注意的是，使用前仓促配制，有导致人为错误可能，如混合不均匀、重量不准确等。有导致人为错误可能，如混合不均匀、重量不准确等。泡沫粘接剂泡沫粘接剂 泡沫粘接剂是含泡沫剂的环氧树脂体系。固泡沫粘接剂是含泡沫剂的环氧树脂体系。固化时泡沫剂会膨胀，主要用于蜂窝搭接区域的化时泡沫剂会膨胀，主要用于蜂窝搭接区域的边缘填充和粘接修理。泡沫剂的膨胀比在边
23、缘填充和粘接修理。泡沫剂的膨胀比在1.35.0之间。之间。泡沫粘接剂有糊状和膜状两种，膜状即我泡沫粘接剂有糊状和膜状两种，膜状即我们常说的们常说的发泡胶条。发泡胶条。发泡胶条需冷藏保存，以发泡胶条需冷藏保存，以防从防从B阶段开始固化。阶段开始固化。波音一般使用波音一般使用2500 F和和3500 F固化的发泡胶。固化的发泡胶。填充剂及类型填充剂及类型 填充剂是在混合后的树脂中加入的材料，用以改变树填充剂是在混合后的树脂中加入的材料，用以改变树脂胶的性能，如密度、强度、弹性、粘性、导电性等。脂胶的性能，如密度、强度、弹性、粘性、导电性等。这对于蜂窝修理和防止脱开很有作用。常用的填充剂这对于蜂窝修
24、理和防止脱开很有作用。常用的填充剂有：有：短纤维短纤维：它是由玻璃纤维、：它是由玻璃纤维、KEVLAR或碳纤维切割或碳纤维切割 而成，用于外形修理、错位孔及冲击孔的修理。而成，用于外形修理、错位孔及冲击孔的修理。碎纤维碎纤维：碎纤维是更小的磨碎纤维，用于小的表面：碎纤维是更小的磨碎纤维，用于小的表面 缺陷、划伤、缺陷、划伤、V形小刻痕及孔的修理。形小刻痕及孔的修理。微珠微珠：它是由玻璃和酚醛树脂做的微小的球体。加：它是由玻璃和酚醛树脂做的微小的球体。加入树脂中可降低树脂的密度和弹性，可用于蜂窝芯边入树脂中可降低树脂的密度和弹性，可用于蜂窝芯边缘的填充、紧固件的填充和孔的修理。缘的填充、紧固件的
25、填充和孔的修理。6）芯体材料）芯体材料 夹层结构包括两部分，即芯体和蒙皮。芯体支撑夹层结构包括两部分，即芯体和蒙皮。芯体支撑蒙皮防止翘曲并承担平面剪切载荷，芯体必须具有高的蒙皮防止翘曲并承担平面剪切载荷，芯体必须具有高的抗剪强度和抗压刚度。芯体有蜂窝和泡沫两种，波音主抗剪强度和抗压刚度。芯体有蜂窝和泡沫两种，波音主要使用蜂窝芯体。要使用蜂窝芯体。（7）预制件）预制件 定义：用预浸的或干燥的纤维或单向带编织在一定形定义：用预浸的或干燥的纤维或单向带编织在一定形状的阳模上（如管状阳模）所得到的复合材料半成品。状的阳模上（如管状阳模）所得到的复合材料半成品。工艺上一般采用长丝缠绕的方法。工艺上一般采
26、用长丝缠绕的方法。此工艺主要用于生产过程，与修理工作关系不大。此工艺主要用于生产过程，与修理工作关系不大。二、复合材料制造或维修中的工艺辅助材料二、复合材料制造或维修中的工艺辅助材料 复合材料制造或维修中用到的辅助材料很多，但它复合材料制造或维修中用到的辅助材料很多，但它们都不会成为被修理部件的一部分。们都不会成为被修理部件的一部分。常用的工艺辅助材料有：常用的工艺辅助材料有：有孔分离膜有孔分离膜 真空袋真空袋无孔分离膜无孔分离膜 真空袋封严胶带真空袋封严胶带吸胶布吸胶布 记号笔和铅笔记号笔和铅笔均压板均压板 液态脱膜剂液态脱膜剂透气布透气布 脱膜织物脱膜织物第二章第二章 材料的管理材料的管理
27、通常情况，复合材料制造和修理过程中一些材料，通常情况，复合材料制造和修理过程中一些材料，如预浸织布、预浸带、树脂、胶粘剂等都应在规定的如预浸织布、预浸带、树脂、胶粘剂等都应在规定的温度范围内存贮，存贮和使用都应有一定的时间限制。温度范围内存贮，存贮和使用都应有一定的时间限制。一、冷藏保管一、冷藏保管前面已提到，预浸织布、预浸带、树脂、胶粘剂等前面已提到，预浸织布、预浸带、树脂、胶粘剂等材料中的树脂都处在材料中的树脂都处在“阶段阶段”，室温保管会加速树，室温保管会加速树脂的固化进程，发生胶连，失去使用的价值，必须存脂的固化进程，发生胶连，失去使用的价值，必须存放在带有温控设备的冷藏箱中低温保存（
28、如放在带有温控设备的冷藏箱中低温保存（如00 F 18）。）。材料在运输过程中的短期存放，一般采用干材料在运输过程中的短期存放，一般采用干冰存放在隔热容器中。波音规范（如）冰存放在隔热容器中。波音规范（如）给出了每种材料的存贮温度要求。给出了每种材料的存贮温度要求。二、时间限制与寿命二、时间限制与寿命处在处在“B阶段阶段”的材料在存放和使用上都有一定的时间的材料在存放和使用上都有一定的时间限制。限制。请注意下面几个概念：请注意下面几个概念：存放寿命存放寿命一种材料在低温下存放所允许的最长时间。一种材料在低温下存放所允许的最长时间。机械寿命机械寿命在室温下（离开冰箱）到材料开始在室温下（离开冰箱
29、）到材料开始 固化前这段最长时间为机械寿命。固化前这段最长时间为机械寿命。处理寿命处理寿命室温下完成铺层和加压的推荐时间室温下完成铺层和加压的推荐时间 为处理寿命。处理寿命短于机械寿命。为处理寿命。处理寿命短于机械寿命。外露时间外露时间指一卷给定的材料处于室温条件下指一卷给定的材料处于室温条件下 所有的累积小时数。所有的累积小时数。请注意下列几点：请注意下列几点：（1）材料从冰箱取出时，应及时封装在气密袋中；）材料从冰箱取出时，应及时封装在气密袋中；（2）材料在室温下慢慢升温，袋外会产生冷凝水，必须）材料在室温下慢慢升温，袋外会产生冷凝水，必须 等水气消失后，方可打开包装，切割材料；等水气消失
30、后，方可打开包装，切割材料；（3）在材料切割操作之后，立即记录材料的外露时间，）在材料切割操作之后，立即记录材料的外露时间，并将材料装进密封的塑料袋中，送回冰箱存贮；并将材料装进密封的塑料袋中，送回冰箱存贮；（4）材料的外露时间记录应随材料走；）材料的外露时间记录应随材料走；（5）如果冷凝水未干，就打开材料包装，会使材料沾染）如果冷凝水未干，就打开材料包装，会使材料沾染 上水汽，造成材料固化后多孔疏松，结构强度下上水汽，造成材料固化后多孔疏松，结构强度下 降。降。第三章第三章 设施和设备设施和设备一、车间设备和工具一、车间设备和工具（1）手持工具）手持工具 在复合材料修理中，手持工具是最普通最
31、常见的。在复合材料修理中，手持工具是最普通最常见的。除手持工具外，还有台式工具，如带锯、带式砂磨机、除手持工具外，还有台式工具，如带锯、带式砂磨机、台钻等。台钻等。（2）气动工具）气动工具 在碳纤维复合材料部件上不能使用电动工具，因为在碳纤维复合材料部件上不能使用电动工具，因为碳是导电的，加工时的粉尘易造成电动工具的短路。碳是导电的，加工时的粉尘易造成电动工具的短路。车间内如使用电动工具都应选用封闭型的。车间内如使用电动工具都应选用封闭型的。（3）吸尘设备）吸尘设备 车间必须配备真空吸尘系统，用来吸集粉尘、车间必须配备真空吸尘系统，用来吸集粉尘、纤维丝和修理中产生的其它废料。粉尘和纤维纤维丝和
32、修理中产生的其它废料。粉尘和纤维丝虽然无毒但能刺激呼吸道。碳纤维废料最好丝虽然无毒但能刺激呼吸道。碳纤维废料最好埋在地下。带废料收集的工作台、抽风打磨隔埋在地下。带废料收集的工作台、抽风打磨隔间是最好的吸尘设施。间是最好的吸尘设施。（4）切割工具）切割工具 复合材料切割的基本原则是：高速，低进给。复合材料切割的基本原则是：高速，低进给。碳纤维复材切割刀具碳纤维复材切割刀具 碳纤维复材的修整和切割主要使用碳纤维复材的修整和切割主要使用金刚砂金刚砂刀刀具，而不用具，而不用高速钢高速钢刀具，因碳纤维复材的硬度刀具，因碳纤维复材的硬度很高，高速钢刀具磨损很快。很高，高速钢刀具磨损很快。打磨一般使用打磨
33、一般使用氧化铝或碳化硅氧化铝或碳化硅砂纸或砂布，砂纸或砂布，碳化硅比氧化铝耐磨，工作时间长。碳化硅比氧化铝耐磨，工作时间长。铣刀刀头可由硬质碳化物制做。铣刀刀头可由硬质碳化物制做。玻璃纤维复材切割工具玻璃纤维复材切割工具 玻璃纤维硬度也很高，高速钢刀具不适合，玻璃纤维硬度也很高，高速钢刀具不适合，与碳纤维使用刀具相同。与碳纤维使用刀具相同。Aramid纤维复材切割工具纤维复材切割工具 Aramid纤维复材不象碳纤维和玻璃纤维那纤维复材不象碳纤维和玻璃纤维那样硬，可用高速钢刀具。但要注意：样硬，可用高速钢刀具。但要注意：Aramid纤维复材的切割边会有松散的纤维露出来，造纤维复材的切割边会有松散
34、的纤维露出来，造成不良后果。为克服这一毛病：成不良后果。为克服这一毛病：一一 要将部件固定好，后用要将部件固定好，后用剪切的动作剪切的动作做切做切割；割；二二 要在部件下面垫一块支撑板（可用塑料要在部件下面垫一块支撑板（可用塑料 板），切板），切 割时和支撑板一起切割割时和支撑板一起切割;三三 刀具要锋利。刀具要锋利。Aramid纤维最隹的切割方式是：纤维最隹的切割方式是：先将纤维绷先将纤维绷紧，后剪切。紧，后剪切。（5）钻）钻 钻孔的总原则是：钻孔的总原则是：高速度，低进给。即转速要高速度，低进给。即转速要 快，压力要轻。快，压力要轻。碳纤维复合材料碳纤维复合材料 碳纤维复合材料很硬，碳纤维
35、复合材料很硬，高速钢钻头高速钢钻头磨损快，磨损快，最后导致孔的尺寸偏小，所以还是选用特殊的最后导致孔的尺寸偏小，所以还是选用特殊的碳化物钻头碳化物钻头。玻璃纤维纤维复合材料玻璃纤维纤维复合材料 与碳纤维复合材料钻头相同。与碳纤维复合材料钻头相同。Aramid纤维复合材料纤维复合材料 可用高速钢钻头或特殊的可用高速钢钻头或特殊的 镰式镰式Klenk钻头。钻头。该钻头可先将纤维拉紧，后再剪该钻头可先将纤维拉紧，后再剪切切割，钻出的孔比标准钻头好得多。切切割，钻出的孔比标准钻头好得多。（6）加热设备设施）加热设备设施 复合材料的修理一般都需要一个升温的固化周期，复合材料的修理一般都需要一个升温的固化
36、周期，这就需要一套加热装置和控温系统。常用的加热设备有这就需要一套加热装置和控温系统。常用的加热设备有热压罐、烘箱、电热毯等，控温系统有计算机程序控制热压罐、烘箱、电热毯等，控温系统有计算机程序控制器、计算机预先程序控制器及手工控制。器、计算机预先程序控制器及手工控制。热压罐热压罐 （略）（略）烘箱烘箱 电热毯电热毯 电热毯是一种很灵活的加热器。它是由两层硅胶夹电热毯是一种很灵活的加热器。它是由两层硅胶夹一层金属电阻加热元件构成。其输出功率以每平方英寸一层金属电阻加热元件构成。其输出功率以每平方英寸上的瓦特数计算。每平方英寸输出上的瓦特数计算。每平方英寸输出5瓦功率的电热毯对于瓦功率的电热毯对
37、于修理复合材料就绰绰有余。修理复合材料就绰绰有余。电热毯控制器电热毯控制器（计算机程序控制器）（计算机程序控制器）最常见的加热控制方式是由计算机控制的电最常见的加热控制方式是由计算机控制的电热毯，其控制温度范围在热毯，其控制温度范围在100FC 以内。以内。既热补仪。既热补仪。加热灯和热空气加热灯和热空气 加热灯：加热灯：加热灯只用于低温固化修理，不适用于高加热灯只用于低温固化修理，不适用于高 温固化修理；温固化修理；加热灯到修理部位的距离决定修理部位的加热灯到修理部位的距离决定修理部位的 温度，温度，因此必须有一个可调节的支架来因此必须有一个可调节的支架来 调节灯到修理部位的距离；调节灯到修
38、理部位的距离；热空气系统：热空气系统：热空气系统可用于小型固化修理或修热空气系统可用于小型固化修理或修理区域干燥。理区域干燥。系统中也应有控制热空气和修理部位系统中也应有控制热空气和修理部位温度的方法。温度的方法。第二章第二章 复合材料防腐设计复合材料防腐设计1.腐蚀类型腐蚀类型（1）树脂基体的腐蚀树脂基体的腐蚀 树脂基体的腐蚀分物理腐蚀和化学腐蚀两大类。树脂基体的腐蚀分物理腐蚀和化学腐蚀两大类。物理腐蚀指腐蚀介质经扩散或被吸收进入树脂内物理腐蚀指腐蚀介质经扩散或被吸收进入树脂内部，导致聚合物的性能发生改变（如吸收水分的溶部，导致聚合物的性能发生改变（如吸收水分的溶胀）。化学腐蚀是指腐蚀介质与
39、树脂基体发生化学反应胀）。化学腐蚀是指腐蚀介质与树脂基体发生化学反应引起的变质现象。引起的变质现象。（2）界面腐蚀）界面腐蚀 界面主要是指树脂和纤维的界面、铺层之间开胶分界面主要是指树脂和纤维的界面、铺层之间开胶分层的界面、胶粘接头开胶的界面等。层的界面、胶粘接头开胶的界面等。界面腐蚀既有物理腐蚀也有化学腐蚀。如，水分引界面腐蚀既有物理腐蚀也有化学腐蚀。如，水分引起的溶胀，水分在温度作用下的热胀冷缩；酸、碱等腐起的溶胀，水分在温度作用下的热胀冷缩；酸、碱等腐蚀介质的化学浸蚀等。蚀介质的化学浸蚀等。2.防腐设计防腐设计(略略)二、二、复合材料与金属间的电偶腐蚀复合材料与金属间的电偶腐蚀1.电偶腐
40、蚀的定义电偶腐蚀的定义 在腐蚀电池中，电位较低的金属成为电池在腐蚀电池中，电位较低的金属成为电池的阳极而遭到腐蚀的现象叫电偶腐蚀。的阳极而遭到腐蚀的现象叫电偶腐蚀。碳纤维碳纤维中的碳在金属电位分类表中，属电位较正的材中的碳在金属电位分类表中，属电位较正的材料，显示贵金属的特性。一般金属与其接触，料，显示贵金属的特性。一般金属与其接触，金属往往因电位偏低成为腐蚀电池的阳极而被金属往往因电位偏低成为腐蚀电池的阳极而被腐蚀。飞机上的铝合金常常因电偶腐蚀而遭到腐蚀。飞机上的铝合金常常因电偶腐蚀而遭到破坏。破坏。2.防止电偶腐蚀的措施防止电偶腐蚀的措施（1）最大限度地防止或减少腐蚀介质的聚集。因腐蚀介）
41、最大限度地防止或减少腐蚀介质的聚集。因腐蚀介质是引起电偶腐蚀的必要条件。质是引起电偶腐蚀的必要条件。（2）根据电偶腐蚀的原理，不同材料之间电位差是电偶）根据电偶腐蚀的原理，不同材料之间电位差是电偶腐蚀的根本原因，电位差越大电偶腐蚀越严重。同类腐蚀的根本原因，电位差越大电偶腐蚀越严重。同类材料之间一般不发生电偶腐蚀（即使发生也是很轻微材料之间一般不发生电偶腐蚀（即使发生也是很轻微的）。这样，为防止碳纤维复合材料与金属之间发生的）。这样，为防止碳纤维复合材料与金属之间发生电偶腐蚀，我们应尽量选用与碳在同一类的金属，如电偶腐蚀，我们应尽量选用与碳在同一类的金属，如不锈钢、钛及钛合金等与其接触。不锈钢
42、、钛及钛合金等与其接触。（3）如碳纤维复合材料必须与金属铝装配在一起，则必）如碳纤维复合材料必须与金属铝装配在一起，则必 须采取隔离密封措施。须采取隔离密封措施。如在碳纤维复合材料表面共固化一层玻璃纤维铺如在碳纤维复合材料表面共固化一层玻璃纤维铺 层，起到绝缘作用。层，起到绝缘作用。（铝的电位（铝的电位0.75；石墨为；石墨为0.1其差为其差为0.85）（4）为防止碳纤维层板与铝蜂窝之间发生电偶腐蚀，）为防止碳纤维层板与铝蜂窝之间发生电偶腐蚀，应使用非金属材料蜂窝，如玻璃纤维蜂窝等。应使用非金属材料蜂窝，如玻璃纤维蜂窝等。第三章第三章 复合材料结构的疲劳强度复合材料结构的疲劳强度第一节第一节
43、复合材料的疲劳特性复合材料的疲劳特性一、疲劳性能优于金属一、疲劳性能优于金属 对于具有高强度、高模量、低密度的先进复合材对于具有高强度、高模量、低密度的先进复合材料，如芳纶、硼纤维、碳纤维复合材料，它们的纤维对料，如芳纶、硼纤维、碳纤维复合材料，它们的纤维对疲劳不敏感，这就是先进复合材料具有良好抗疲劳性能疲劳不敏感，这就是先进复合材料具有良好抗疲劳性能的原因。除的原因。除E玻璃玻璃/环氧环氧比铝的疲劳性能差外，其比铝的疲劳性能差外，其它复合材料的抗疲劳性能一般都比铝合金好。它复合材料的抗疲劳性能一般都比铝合金好。二、疲劳损伤的特点二、疲劳损伤的特点 复合材料疲劳损伤的形式是多种多样的，有脱胶、
44、复合材料疲劳损伤的形式是多种多样的，有脱胶、分层、基体龟裂和纤维断裂等。复合材料可能是以一分层、基体龟裂和纤维断裂等。复合材料可能是以一种损伤形式为主，也可能是几种损伤形式联全出现。种损伤形式为主，也可能是几种损伤形式联全出现。三、疲劳损伤对强度的影响三、疲劳损伤对强度的影响 树脂基复合材料最初损伤是在基体上出现垂直于载树脂基复合材料最初损伤是在基体上出现垂直于载 荷方向的裂纹，随着循环加载次数的增加，基体中的裂荷方向的裂纹，随着循环加载次数的增加，基体中的裂 纹也增加。但这种纹也增加。但这种初始损伤初始损伤对复合材料的强度没有明显对复合材料的强度没有明显 影响，因为复合材料是纤维承受主要载荷
45、。直到纤维开影响，因为复合材料是纤维承受主要载荷。直到纤维开 始断裂，其强度才缓慢降低。始断裂，其强度才缓慢降低。四、疲劳损伤对刚度的影响四、疲劳损伤对刚度的影响 一般金属材料在裂纹较短时，随着裂纹扩展刚度变一般金属材料在裂纹较短时，随着裂纹扩展刚度变化很小。但复合材料不同，在循环加载后不久，刚度就化很小。但复合材料不同，在循环加载后不久，刚度就开始下降，这种下降一直持续到构件破坏。所以有人认开始下降，这种下降一直持续到构件破坏。所以有人认为，复合材料应以刚度损失作为疲劳损伤的主要指标。为，复合材料应以刚度损失作为疲劳损伤的主要指标。五、复合材料层合板的拉五、复合材料层合板的拉拉疲劳寿命高于压
46、拉疲劳寿命高于压 压和拉压和拉压疲劳寿命。这是因为压缩载荷会压疲劳寿命。这是因为压缩载荷会 造成层合板的分层和屈曲。造成层合板的分层和屈曲。第二节第二节 影响复合材料疲劳强度的因素影响复合材料疲劳强度的因素一、基体材料一、基体材料 不同基体材料抗疲劳性能不同。不同基体材料抗疲劳性能不同。二、增强材料二、增强材料 1.不同增强材料抗疲劳性能不同。不同增强材料抗疲劳性能不同。2.适当增加增强材料的含量，可提高其疲劳强度。适当增加增强材料的含量，可提高其疲劳强度。3.疲劳强度与基体和增强纤维之间的结合力有关。结合疲劳强度与基体和增强纤维之间的结合力有关。结合力好，疲劳强度高。力好，疲劳强度高。三、铺
47、层三、铺层 1.铺层方向（纤维方向）铺层方向（纤维方向）铺层方向对复合材料疲劳强度影响很大。铺层方向对复合材料疲劳强度影响很大。2.铺层顺序铺层顺序 不同的铺层顺序对复合材料的疲劳强度也有影响。不同的铺层顺序对复合材料的疲劳强度也有影响。四、载荷类型四、载荷类型 载荷类型不同，复合材料表现的疲劳性能也不同。载荷类型不同，复合材料表现的疲劳性能也不同。五、环境因素五、环境因素 1.温度和湿度是环境因素中对复合材料力学性能影响温度和湿度是环境因素中对复合材料力学性能影响 最明显的因素。但对于以纤维破坏为主要形式的层最明显的因素。但对于以纤维破坏为主要形式的层 压板来说，温度和湿度对疲劳强度的影响便
48、不明显。压板来说，温度和湿度对疲劳强度的影响便不明显。2.干、湿度对不同铺层层合板的疲劳强度影响不同。干、湿度对不同铺层层合板的疲劳强度影响不同。3.不同树脂基体的复合材料，其疲劳强度受温、湿度不同树脂基体的复合材料，其疲劳强度受温、湿度 的影响也不同。的影响也不同。六、切口六、切口 大多数复合材料层合板疲劳试验数据表明：切口大多数复合材料层合板疲劳试验数据表明：切口（包括圆孔）所引起的疲劳强度降低是不明显的。（包括圆孔）所引起的疲劳强度降低是不明显的。l第四章第四章 复合材料结构的损伤复合材料结构的损伤 复合材料损伤的主要类型有：基体树脂裂纹、复合材料损伤的主要类型有：基体树脂裂纹、界面分层
49、、纤维断裂、脱胶等。这些损伤很少界面分层、纤维断裂、脱胶等。这些损伤很少单独存在，一般都以某种组合的形式存在。无单独存在，一般都以某种组合的形式存在。无论哪种组合都会导致材料疲劳强度和刚度的下论哪种组合都会导致材料疲劳强度和刚度的下降。降。一、基体树脂裂纹一、基体树脂裂纹 复合材料层合板在拉伸和交变载荷作用下，我们首复合材料层合板在拉伸和交变载荷作用下，我们首先能在先能在偏轴层偏轴层内看到基体裂纹。最早出现裂纹的是内看到基体裂纹。最早出现裂纹的是900铺铺层，而后才是其它铺层。一般来说，相对轴向载荷方向层，而后才是其它铺层。一般来说，相对轴向载荷方向的角度越小，越不容易形成基体树脂裂纹。的角度
50、越小，越不容易形成基体树脂裂纹。在交变载荷作用下，随着循环次数的增加，偏轴层在交变载荷作用下，随着循环次数的增加，偏轴层内的裂纹数也在增加，但当裂纹间的距离达到某一值时，内的裂纹数也在增加，但当裂纹间的距离达到某一值时，裂纹数基本就不再增加了。裂纹数基本就不再增加了。二、层间分层二、层间分层（1）层间分层的原因）层间分层的原因 在面内轴向载荷作用下，沿着复合材料构件边缘会在面内轴向载荷作用下，沿着复合材料构件边缘会产生层间产生层间拉应力或压应力拉应力或压应力（垂直层合板平面方向）。如（垂直层合板平面方向）。如果外载荷（静载荷）引起的层间应力是拉应力，且超过果外载荷（静载荷）引起的层间应力是拉应
