基于激光表面处理的民机复合材料结构胶结修理研究

发布时间：2017-09-05 14:14

  本文关键词：基于激光表面处理的民机复合材料结构胶结修理研究

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【摘要】：复合材料结构在航空领域得到了广泛应用,其在整个寿命过程中也不可避免地遭受各种类型损伤。为保持民用飞机的结构完整性,结合具体损伤类型及大小,对受损复合材料结构在修理范围内进行维修并保证其持续适航要求,是经济可行的方式。复合材料维修方式以胶结修理为主,而胶结修理前,将损伤去除后应对维修母体表面进行处理,以改善胶结维修效果。工程上广泛采用手工或气动打磨方式对维修母体表面进行处理,存在低效高耗、环境不友好以及表面性能不稳定等不足之处。因此,探索新的表面预处理技术,既能获得稳定、可控、可重复的表面微观物理化学性能以利于胶结维修效果,又显著减少维修实施过程中人为因素的影响及对维修人员健康的负责影响。激光是一种受激辐射的光放大,广泛应用于切割、焊接、刻蚀、定位、表面处理等领域。在民机复合材料维修领域,波音、空客公司及德国、奥地利等几家研究机构近几年也在开展激光表面处理技术应用于复合材料维修的理论研究与工程应用探索。论文以某型民用飞机上使用的碳纤维／环氧树脂复合材料为研究对象,采用波长355nm的紫外激光微纳加工设备,对胶结维修母体进行不同参数的激光表面处理。对激光表面处理后的母体表面微观物理化学特征进行了表征分析,并采用单搭接试样力学性能测试对胶结维修的效果进行了对比试验与验证,并从微观角度建立母体表面微观物理化学特征与胶结维修效果的内在关联。论文的主要研究内容如下：(1)激光表面处理后复合材料母体表面微观物理化学性能研究研究激光表面处理后,母体表面微观结构(微观形貌、粗糙度)、物理特征(接触角与表面自由能)、化学特征(化学元素与官能团浓度)的变化及其稳定性,并与机械打磨方式进行对比。(2)维修母体表面微观物理化学特征与胶结强度的内在关联研究根据界面胶结的机械嵌锁理论、静电吸附理论、化学键理论等界面粘连附理论,定性分析激光表面处理后表面微观特征对胶结维修界面粘附效果改善的内在机理,建立表面微观特征与维修界面胶结强度的内在关联,并与传统机械打磨方式进行对比。(3)单搭接试样力学性能测试及维修效果验证对单搭接试样搭接部位表面进行激光表面处理,采用真空袋固化成形,对单搭接试样进行力学性能测试及维修效果验证。研究结果表明,对复合材料进行激光表面处理后,相对于原始表面及机械打磨表面,母体表面粗糙度Ra值明显增加,微观形貌更为均匀,且稳定可控；双液接触角试验表明,激光处理后表面自由能增加至78.01 mJ/m2；表面Ols/Cls增加至31%,活性官能团比例也明显高于原始表面及机械打磨表面。根据界面粘附理论,以上表面微观物理化学特征的变化将有助于胶结维修界面粘附及维修效果的改善。单搭接力学试验结果证实,相对于机械打磨方式,激光处理后单搭接试样力学性能明显提高,且离散系数更小。论文研究成果证实了激光表面处理技术应用于民机复合材料维修领域的可行性,为激光表面处理技术的工程应用提供了理论基础与技术支持。
【关键词】：民机复合材料 激光表面处理 胶结修理 微观特征 力学验证
【学位授予单位】：中国民用航空飞行学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V267
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第一章 绪论13-22
• 1.1 选题目的及意义13-16
• 1.2 国内外研究现状16-19
• 1.2.1 国外研究现状16-18
• 1.2.2 国内研究现状18-19
• 1.3 主要研究内容19-20
• 1.4 研究路线20-22
• 第二章 材料与试验22-33
• 2.1 试验材料及层合板加工22
• 2.2 激光表面处理22-24
• 2.2.1 激光表面处理原理及设备23-24
• 2.2.2 激光表面处理过程24
• 2.3 激光表面处理后母体表面微观特征分析24-33
• 2.3.1 试样样品制备24-25
• 2.3.2 扫描电子显微镜(SEM)25-26
• 2.3.3 激光共聚焦显微镜(LCSM)26-27
• 2.3.4 傅立叶红外光谱仪(ATR-FTIR)27-28
• 2.3.5 X射线光电子能谱测试仪28
• 2.3.6 接触角测量及表面自由能计算28-33
• 第三章 试验结果分析33-47
• 3.1 表面微观形貌测试结果分析33-39
• 3.1.1 SEM微观形貌测试结果分析33-36
• 3.1.2 激光共聚焦扫描显微镜测试结果分析36-39
• 3.2 表面化学特征变化分析39-43
• 3.2.1 XPS测试结果分析39-42
• 3.2.2 红外光谱(ATR-FTIR)测试结果分析42-43
• 3.3 表面物理特征变化分析43-45
• 3.3.1 表面接触角测试43-44
• 3.3.2 表面自由能计算分析44-45
• 3.4 表面微观特征与维修界面胶结强度的内在关联分析45-47
• 第四章 单搭接力学测试验证47-56
• 4.1 试样制备及试验方法47-50
• 4.1.1 试样材料47
• 4.1.2 试样结构及类型47-48
• 4.1.3 试样制备48-49
• 4.1.4 试验设备及方法49-50
• 4.2 失效强度分析50-53
• 4.3 破坏模式分析53-55
• 4.4 本章小结55-56
• 第五章 结论及展望56-58
• 5.1 结论56-57
• 5.2 展望57-58
• 参考文献58-62
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果62-63
• 致谢63

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本文编号：798462