硼/环氧复合材料补片修复含中心裂纹铝合金厚板研究

论文摘要

复合材料补片胶接修复技术是一项先进的结构损伤件快速修复技术,已成功应用于军民用飞机铝合金薄板结构件的修复。然而针对铝合金厚板的修复,国外尚处在实验室研究阶段,缺乏必要的实验数据,尤其缺乏有关铝合金厚板修复的疲劳性能实验数据。与碳/环氧复合材料相比,硼/环氧复合材料具有高模量和较大的热膨胀系数等特点,更适于损伤铝合金厚板的修复。我国关于硼/环氧复合材料及其修复铝合金厚板的研究则更少。本文研制出了满足胶接修复用的硼/环氧复合材料补片,研究了硼/环氧复合材料的树脂基体性能、纤维与基体间的界面性能和复合材料力学性能,确定其树脂基体配方和复合材料制备工艺;考察残余热应力、铝合金板厚度、补片材料种类、补片铺层和几何参数及修复工艺等对修复效果的影响,重点考察了试件的热应力、准静态拉伸性能和疲劳性能。采用液体丁腈橡胶（LNBR）改性环氧树脂E-51,考察了其热学、力学和固化反应动力学性能;采用接触角法和改进的单纤维拔出试验方法研究了纤维与基体间的界面性能,同时考察了硼纤维表面处理方法和环氧树脂体系对界面剪切强度的影响;在此基础上,制备出了硼/环氧复合材料,考察了硼/环氧复合材料的力学性能和拉伸破坏模式。结果表明,硼纤维表面采用沸腾乙醇处理、环氧树脂体系为E-51 / 10 wt% LNBR / DDM（DDM为二胺基二苯基甲烷）制备的单向硼/环氧复合材料的力学性能较好,其力学性能为:拉伸强度为1257MPa,拉伸模量为187GPa,断裂延伸率为0.80%;弯曲强度为1606MPa,弯曲模量为187GPa;复合材料层间剪切强度为77.5MPa。分析了厚度为5.20mm和10.20mm两种LC52CS铝合金板的断裂韧度,并分析了这两种铝合金板的应力状态。室温下,5.20mm和10.20mm两种厚度LC52CS铝合金板的断裂韧度KC分别为45.2MPa·m1/2和42.7MPa·m1/2。理论分析表明,厚度为5.20mm铝合金板中占主导地位的是平面应力断裂韧度,而厚度为10.20mm铝合金板则是平面应变断裂韧度占主导地位。采用三维有限元模型分析了铝合金厚板修复试件的应力强度因子,考察了残余热应力、铝合金板厚度、补片材料种类和补片参数对修复效果的影响。结果表明,采用硼/环氧补片胶接修复后,铝合金板裂纹尖端应力强度因子显著降低,但其值随铝合金板厚度增大而增大;修复试件的残余热应力降低了修复效果;硼/环氧补片的修复效果好于碳/环氧补片;存在较佳的补片长度、宽度和厚度。分析了铝合金厚板单面修复试件的残余热应力/热应变。结果表明,修复试件中心弯曲挠度随铝合金板厚度增大而减小;修复试件铝合金未修复表面裂纹尖端附近的残余热应力/热应变大于其它区域的残余热应力/热应变,且随铝合金板厚度增大而增大;单向硼/环氧补片单面修复试件的热变形匹配性好于单向碳/环氧补片单面修复试件。分析了铝合金厚板修复试件的准静态拉伸性能。结果表明,相同尺寸的补片,修复试件的承载能力保留率η和承载能力恢复率χ均随铝合金板厚度增大而减小;厚度为10.20mm铝合金板单面修复试件的最大拉伸载荷是完好试件的85.80%,η值比厚度为1.76mm铝合金板单面修复试件的小8.05%,而χ值则只小3.71%;修复试件的最大拉伸载荷提高量随铝合金板厚度增大而增大;修复区域的等效刚度Estiff随铝合金板厚度增大而增大,且均大于相同尺寸完好试件的刚度;临界裂纹中心张开位移δc增大量随铝合金板厚度增大而减小;单向硼/环氧补片单面修复试件的修复效果稍好于单向碳/环氧补片。结果还表明,在本文研究条件下,采用磷酸阳极化表面处理工艺、单向铺层和双面修复等修复方式能较大地提高单向载荷作用下铝合金厚板修复试件的承载能力;采用共固化修复,补片长度为100mm、全宽度和预浸料层数为10层时,单向硼/环氧补片单面修复厚度为5.20mm铝合金板的修复效果较好。研究了铝合金厚板修复试件的疲劳性能。结果表明,在初始裂纹长度为12mm、最大应力为80MPa和应力比为0.1条件下,单向硼/环氧补片单面修复厚度为1.76mm、5.20mm和10.20mm三种铝合金板试件的疲劳寿命分别是未修复试件的22.30倍、12.84倍和8.40倍;单向硼/环氧补片单面修复后,铝合金板的裂纹扩展速率比修复前的裂纹扩展速率小一个数量级,即复合材料补片胶接修复能大大延缓铝合金板疲劳裂纹扩展,且修复试件和未修复试件的裂纹扩展速率均随铝合金板厚度增大而增大;单面修复试件的归一化裂纹长度差Δa随铝合金板厚度增大而增大,说明补片对铝合金板未修复表面裂纹的限制作用随铝合金板厚度增大而减弱;单向硼/环氧补片单面修复试件的疲劳寿命高于单向碳/环氧补片单面修复试件的疲劳寿命。本文同时研究了疲劳破坏模式对修复效果的影响。结果表明,修复试件疲劳破坏由胶粘剂层界面脱粘控制时（厚度为1.76mm铝合金板单面修复试件）,无论铝合金板初始裂纹长度有多大（甚至裂纹完全贯穿铝合金板宽度）,复合材料补片单面修复均能大幅度提高其准静态拉伸和疲劳性能;单面修复试件的最大拉伸载荷能恢复到完好试件的90%左右（铝合金板断裂副修复后也能恢复到完好试件的60%以上）,疲劳寿命（最大应力为80MPa,应力比为0.1）能达到初始裂纹长度为12mm铝合金板的21倍以上;当修复试件疲劳破坏由铝合金板裂纹扩展控制时（厚度为5.20mm和10.20mm铝合金板单面修复试件）,修复试件的准静态拉伸和疲劳性能均随初始裂纹长度增大而降低。本文还采用Paris公式预测了铝合金厚板单面修复试件的疲劳寿命。结果表明,由试验数据拟合得到了不同厚度铝合金板的Paris公式材料常数C和m,材料常数随铝合金板厚度变化而变化;Paris公式能较好地预测疲劳破坏由铝合金板裂纹扩展控制的修复试件疲劳寿命,而对由胶粘剂层界面脱粘控制的修复试件不再适用,建议采用界面脱粘速率与应变能释放率幅值关系式预测其疲劳寿命。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 复合材料补片胶接修复铝合金厚板技术研究
• 1.1.1 铝合金厚板对先进修复技术的现实需求
• 1.1.2 损伤铝合金厚板复合材料补片胶接修复
• 1.2 复合材料补片胶接修复损伤金属结构件的回顾
• 1.2.1 复合材料补片胶接修复技术的发展概况
• 1.2.2 复合材料补片胶接修复技术的应用
• 1.2.3 复合材料补片胶接修复技术的特点
• 1.3 复合材料补片的材料体系研究
• 1.3.1 基体材料
• 1.3.2 纤维增强材料
• 1.3.3 硼/环氧复合材料
• 1.4 本文选题依据及研究内容
• 第二章 硼/环氧复合材料补片的制备及性能研究
• 2.1 试验原材料及性能研究方法
• 2.1.1 主要原材料及测试设备
• 2.1.2 硼/环氧复合材料界面性能研究方法
• 2.1.3 环氧树脂及复合材料性能测试
• 2.2 硼/环氧复合材料的树脂基体性能
• 2.2.1 LNBR 与环氧树脂的反应性
• 2.2.2 LNBR 改性环氧树脂的热学性能
• 2.2.3 LNBR 改性环氧树脂的力学性能
• 2.2.4 LNBR 改性环氧树脂固化反应动力学
• 2.3 硼/环氧复合材料的界面性能
• 2.3.1 硼纤维与环氧树脂的润湿性研究
• 2.3.2 单根硼纤维拔出试验的有限元分析
• 2.3.3 硼/环氧复合材料界面剪切强度试验研究
• 2.4 硼/环氧复合材料补片的制备及其力学性能
• 2.4.1 硼/环氧复合材料的制备
• 2.4.2 单向硼/环氧补片的拉伸破坏模式
• 2.4.3 硼/环氧补片的力学性能
• 2.5 本章小结
• 第三章 硼/环氧补片修复铝合金厚板结构设计
• 3.1 修复用铝合金板种类及其断裂韧度
• 3.1.1 修复用铝合金板的种类及性能
• 3.1.2 LC52CS 铝合金断裂韧度测试及分析
• 3.2 复合材料补片胶接修复铝合金厚板的有限元分析
• 3.2.1 三维有限元单元的选择
• 3.2.2 网格划分及模型验证
• 3.3 硼/环氧补片胶接修复铝合金厚板的应力强度因子
• 3.3.1 铝合金板厚度对修复试件应力强度因子的影响
• 3.3.2 补片材料种类对修复试件应力强度因子的影响
• 3.3.3 修复工艺参数对修复试件应力强度因子的影响
• 3.3.4 补片参数对修复试件应力强度因子的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 硼/环氧补片修复铝合金厚板工艺研究
• 4.1 复合材料补片胶接修复工艺
• 4.1.1 主要原材料
• 4.1.2 含中心裂纹铝合金试件的制备
• 4.1.3 铝合金板表面处理工艺
• 4.1.4 复合材料补片的制备
• 4.1.5 铝合金厚板修复试件的制备
• 4.2 修复工艺参数对铝合金厚板修复效果的影响
• 4.2.1 修复效果的主要评价参数
• 4.2.2 铝合金板表面处理工艺的影响
• 4.2.3 共固化和预固化修复方式的影响
• 4.2.4 初始裂纹长度的影响
• 4.2.5 单双面修复的影响
• 4.2.6 补片端部楔形的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 硼/环氧补片修复铝合金厚板残余热应力和准静态拉伸性能研究
• 5.1 修复试件热应变和准静态拉伸性能的测试
• 5.1.1 应力释放温度的测量
• 5.1.2 残余热应变的测量
• 5.1.3 单面修复试件中心弯曲挠度的测量
• 5.1.4 修复试件准静态拉伸性能的测试
• 5.2 铝合金板厚度对修复试件残余热应力和准静态拉伸性能的影响
• 5.2.1 残余热应力
• 5.2.2 准静态拉伸性能
• 5.3 补片材料种类对修复试件残余热应力和准静态拉伸性能的影响
• 5.3.1 残余热应力
• 5.3.2 准静态拉伸性能
• 5.4 补片参数对修复试件准静态拉伸性能的影响
• 5.4.1 补片宽度的影响
• 5.4.2 补片长度的影响
• 5.4.3 补片厚度的影响
• 5.4.4 补片铺层方式的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 硼/环氧补片修复铝合金厚板疲劳性能研究
• 6.1 复合材料补片胶接修复铝合金板的疲劳性能分析
• 6.1.1 修复试件疲劳性能的测试
• 6.1.2 疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子幅值的关系
• 6.1.3 修复试件疲劳寿命的预测
• 6.2 铝合金厚板单面修复试件的疲劳性能
• 6.2.1 含中心裂纹铝合金板修复前后的疲劳性能
• 6.2.2 铝合金板的材料常数及修复试件疲劳寿命预测
• 6.3 修复参数对铝合金厚板修复试件疲劳性能的影响
• 6.3.1 单双面修复的影响
• 6.3.2 补片长度的影响
• 6.3.3 补片厚度的影响
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.1.1 硼/环氧复合材料补片制备及性能研究
• 7.1.2 硼/环氧补片胶接修复含中心裂纹铝合金厚板性能研究
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的学术成果
• 附录A 断裂韧度公式（3.3）最小二乘法拟合
• 附录B 某型战机损伤蒙皮复合材料补片胶接修复