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《中国民用航空飞行学院》 2017年
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民机复合材料胶接维修界面结合机理研究

赖跃  
【摘要】:民机复合材料结构在使用过程中,不可避免的会出现大量损伤,其中有的损伤已超出了飞机结构损伤容限。为了恢复受损结构的结构完整与功能,确保飞机安全运行,需要对这些超出损伤容限的结构进行合理的修理或替换。胶接修理以其增重小、耐腐蚀、耗时短等优点成为复合材料结构修理的重要手段。但是,由于胶接过程伴随着复杂的物理化学作用,对胶接性能的影响因素众多,使胶接强度和效果离散较大。胶接过程的物理化学作用涉及到众多胶接理论,各理论的关键问题即是对胶接界面的认识,基于胶接理论的分析研究可以有效地指导胶接维修的设计与工艺。基于以上问题,论文对不同表面微观性能进行试验表征,并结合宏观-微观力学验证,对界面结合机理在胶接强度上的贡献以及表面维修工艺与维修效果之间的内在联系进行研究。胶接理论主要包括机械嵌锁理论、吸附理论、化学键理论。论文基于这三种理论,通过分析和试验的方法对胶接维修界面结合机理进行研究。首先,为了尽可能地分解各种胶接作用,论文制备了四种不同表面性能的母体试样:100目打磨样(A)、100目打磨+惰性剂样(B)、抛光样(C)、抛光+惰性剂样(D)。然后,分别采用激光共聚焦显微镜、接触角测量仪、X射线光电子能谱仪对A、B、C、D表面微观性能进行表征,获得了包括表面微观形貌、粗糙度、表面自由能、表面活性官能团浓度等微观信息。接着采用万能试验机对胶接界面的宏观力学性能进行测试。最后,采用纳米压痕仪对胶接界面微区进行测试,从微观力学方面对界面结合机理进行解释。结合微观表征与力学试验结果,探索基于界面结合机理对胶接强度的贡献。胶接界面结合强度主要来自于三种作用,即机械嵌锁作用(X)、吸附作用(Y)、化学键作用(Z)。结合微观表征与力学试验验证,结果表明:相对于A表面,C表面粗糙度大大减小,而B、D表面形貌以及粗糙度变化不大。A表面自由能明显高于C表面,而B、D表面自由能极低。C表面的活性官能团含量较多,A表面活性官能团含量较少,而B、D表面活性官能团含量最少。根据胶接理论可知,A表面同时具备X、Y、Z,B表面只具备Y,C表面只具备Z,D表面同时失去了X、Y、Z。宏观力学验证结果表明,胶接强度由大到小排列依次是:ACBD,A、B、C、D表面对应的断口破坏模式分别为:混合破坏、胶黏剂的内聚破坏、被黏物的内聚破坏、界面破坏,宏观力学验证结果与表面微观试验结果相符。微观力学验证结果表明,界面微区力学性能较差(模量、硬度明显低于其他区域),这与D表面的断裂破坏模式-界面破坏模式特性一致。综合以上内容,可得以下结论:(1)机械嵌锁机理方面:在一定范围内增大维修表面粗糙度,可以使机械嵌锁作用明显增强,使最终胶接强度增大。(2)吸附机理方面:吸附作用对胶接强度的贡献较大,提高维修表面自由能,可以使最终胶接强度增大。(3)化学键机理方面:化学键作用对胶接强度的贡献最大,提高胶接面的活性官能团浓度可以使胶接强度显著增大。
【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】:2017
【分类号】:V267

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