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炭/炭復(fù)合材料的再生修復(fù)
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| 發(fā)布時間：
2022/2/22 |
炭，炭復(fù)合材料的再生修復(fù)
1、概述
c/c復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域主要為剎車制動材料，是高性能軍機和大中型民航飛機普遍使用的關(guān)鍵器材和磨損最快的部件之一，它重量輕、使用壽命長并且剎車平穩(wěn)，然而其制備工藝復(fù)雜、周期長且成本高，目前只有美國、英國、法國和中國等國家能夠生產(chǎn)，因此對使用壽命已到的舊炭盤進行修復(fù)利用也是十分必要的。由于炭盤材料由炭纖維和熱解炭組成，它們屬于過渡態(tài)炭，具有亂層六方結(jié)構(gòu)，其特點是耐腐蝕，抗熱疲勞性能非常好。如果抗氧化效果好，作為摩擦元件的炭盤在經(jīng)歷高溫多次反復(fù)剎車后，失效形式主要是厚度方向的磨損，材料的整體結(jié)構(gòu)和性能保持完好，因此對于已經(jīng)多次使用過的炭盤，進行再生修復(fù)利用是可行的。
c/c復(fù)合材料構(gòu)件再生修復(fù)方法主要有兩種：機械連接修復(fù)和膠接修復(fù)。
機械連接修復(fù)是將到壽的炭盤加工到原厚度的1/2或1/3，非摩擦面涂刷氧化防護涂層，重新鉚接在一起，恢復(fù)到原厚度尺寸。這種修復(fù)方法的主要優(yōu)點是操作簡便，不需要冷藏和加熱設(shè)備，對連接件表面處理的要求不高，快速；其缺點是在修復(fù)過程中連接孑L周邊引入了應(yīng)力集中，并且增加了構(gòu)件重量。
膠接修復(fù)是將到壽的炭盤加工到原厚度的1/2或1/3，非摩擦面涂刷氧化防護涂層，采用高溫黏接再生修復(fù)方法使其恢復(fù)到原厚度尺寸的一種方法。與機械修復(fù)方法相比，該方法對原結(jié)構(gòu)不鉆孔，不形成新的應(yīng)力集中源，從而消除了產(chǎn)生新的孔邊裂紋的可能，改善了應(yīng)力集中和承載情況，提高結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能和損傷容限能力，基本不增重。因此，目前主要采用膠接修復(fù)工藝對c/c復(fù)合材料剎車盤進行再生利用。
膠接修復(fù)對修復(fù)膠黏劑的要求：耐高溫、抗熱沖擊性能好、高溫粘接強度高及與c/c復(fù)合材料的相容性好。根據(jù)這些要求以及相似相容原理，選擇結(jié)構(gòu)性質(zhì)與炭相似的物質(zhì)，或在高溫下能與炭反應(yīng)形成相應(yīng)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的物質(zhì)作為膠黏劑主要成分，進行優(yōu)化組合。
2、高溫膠黏劑崩備技術(shù)
目前已研制出的耐熱膠黏劑品種繁多，特點各異，按化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為有機高分子膠黏劑和無機高分子膠黏劑。有機高分子膠黏劑主要有酚醛類、環(huán)氧類、有機硅類及雜環(huán)高分子類膠黏劑。無機膠黏劑主要有磷酸鹽、硅酸鹽、陶瓷膠及金屬膠等。
2.1有機高分子類膠黏劑
有機高分子類膠黏劑具有優(yōu)異的粘接性能，但其缺點是耐熱性及耐老化性能較差。
(1)環(huán)氧膠黏劑
環(huán)氧膠黏劑主要由環(huán)氧樹脂、固化劑、增韌劑、填料、稀釋劑、促進劑和偶聯(lián)劑等組成，其具有粘接強度高、綜合性能良好、使用工藝簡便等優(yōu)點，主要有以下幾種體系：
?、侔北巾抗袒w系。以氨苯砜(4，4一二氨基二苯砜)為固化劑，主體樹脂為多元酚和多元酚胺的縮水甘油醚。此類樹脂的特點是官能度高，流動性很好。
?、谒狒袒w系。該體系的主體樹脂是耐熱脂環(huán)族環(huán)氧樹脂，所用的固化劑為不溶于普通有機溶劑的芳香族二酐，苯酮四酸二酐、二苯醚四酸二酐及同系物。該體系綜合性能良好，但主要缺點是較脆，使用時固化劑的黏度及分散度不易控制。
?、郗h(huán)氧一酚醛膠黏劑。該體系是由作為骨架材料的高分子量雙酚A型環(huán)氧樹脂及作為交聯(lián)劑的低分子量酚醛樹脂組成。酚醛既可用堿催化劑酚醛樹脂，分子量為350--450。又可用酸催化劑酚醛樹脂，分子量為500～650。該系列膠黏劑的優(yōu)點是性能較全面，耐高溫、耐熱老化，此外還具有優(yōu)異的高溫持久及耐蠕變性能，主要缺點是較脆。
(2)有機硅膠黏劑
有機硅膠黏劑是以聚有機硅氧烷及其改性體為主要原料的耐熱膠黏劑，配方中除聚有機硅氧烷樹脂之外還有填料、固化催化劑、防老劑、偶聯(lián)劑和溶劑等。填料是其重要組成部分之一，合理地選擇填料可提高有機硅膠黏劑的耐溫性、調(diào)節(jié)熱膨脹系數(shù)和降低固化溫度。常用的固化劑有醋酸鉀、三乙醇胺及各種金屬的胺類絡(luò)合物等，加入少量催化劑可降低固化溫度。有機硅膠黏劑可在-60～300℃溫度下長期使用，短時使用溫度可達3 50～500℃，瞬間使用溫度可達800～1000℃。
(3)雜環(huán)聚合物膠黏劑
雜環(huán)高分子膠黏劑是由芳香族胺與芳香族酸縮聚而成，在現(xiàn)有的耐熱膠黏劑中，雜環(huán)高分子膠黏劑的性能最為優(yōu)異。這類膠黏劑的耐高溫及耐低溫性能良好，抗蠕變性能高，可在-273～260℃長期使用，短時使用溫度可達500℃，瞬間使用溫度可達1000"C。其主要缺點是固化條件太苛刻，需要在高溫(280-315℃)和高壓(0.5～1.4MPa)下長時間(5-10h)加熱才能充分固化。
2.2無機類膠黏劑
有機高分子類膠黏劑具有優(yōu)異的粘接性能，但其耐熱性及耐老化性能有限，當(dāng)使用溫度高于500℃時，有機膠黏劑就很難達到這一要求。而無機膠黏劑的優(yōu)點就是耐熱性高，可在500～1800℃使用，缺點是內(nèi)聚強度低，粘接性能差，比較脆，耐水性較低，目前國內(nèi)外常用的無機耐熱膠黏劑有以下幾種類型。
(1)磷酸鹽膠黏劑
磷酸鹽膠黏劑是由磷酸多聚磷酸胺、酸式磷酸鹽、金屬氫氧化物和金屬氧化物(銦、鋁、鈦、鋅等)組成，有時還加入氮化物及硼化物等作填料，膠黏劑的主要性能由配方中的磷酸鹽與氫氧化物的配比所決定，使用溫度可達1000℃。
(2)硅酸鹽膠黏劑
硅酸鹽類膠黏劑一般以堿金屬硅酸鹽為黏料，加入氧化物(如氧化硅、氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、氧化鐵等)、固化劑和填料等配制而成，能耐800～3000"C的高溫。
(3)陶瓷膠黏劑
將氧化鎂、氧化鋅、氧化鋯和三氧化二鋁等在高溫下(800-1000℃)熔融成熔料，熔料驟然冷卻后粉碎，研細成粉末，加入30％的水及0.5％～1％的水溶性高分子材料作增稠劑以及各種填料配制而成。此類膠的燒結(jié)溫度為540～1000"C，最高使用溫度可達3000℃。
(4)金屬膠黏劑
由低熔合金(如汞、鎵和銦等或其混合物)與難熔金屬粉末(如銅、鎢等)構(gòu)成。常溫下混合物經(jīng)充分混合后由于金屬間的化學(xué)反應(yīng)及固體溶液的形成可制備出高熔點的膠層。該類膠黏劑的特點是常溫或100℃以下“固化”，電導(dǎo)率和粘接強度高，使用工藝簡便，缺點是成本高。最高使用溫度可達1000℃。
2.3 高溫膠黏劑的制備
膠黏劑的組分主要以聚合物為主料、無機物為填料。聚合物主料對膠黏劑的性能影響很大。聚合物的改性方法一般分為物理改性和化學(xué)改性，其中物理改性中的互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)(IPN)理論D06～11z]是一種聚合物共混改性新途徑，應(yīng)用于一些有機聚合物的均勻共混工藝中?；ゴ┚酆衔锞W(wǎng)絡(luò)是由兩種根本不相容的聚合物，其摩爾分子結(jié)構(gòu)有50％-80％的差異，當(dāng)相異分子內(nèi)部具有相類似的范德華分子斥力半徑時，在一定溫度和pH值條件下，能以分子尺寸(或分子規(guī)模)連續(xù)或半連續(xù)的相分離，并各自向?qū)Ψ较嗷ゴ┰胶图m結(jié)的一種樹脂網(wǎng)絡(luò)組織形態(tài)。互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)的制備一般分為三種方法：分步聚合法(SIPN)，同步聚合法(SIN)和乳液聚合法(LIPN)。
炭纖維復(fù)合材料鋼
(1)分步聚合法
先將單體I聚合，并將其置于含交聯(lián)劑和催化荊的單體Ⅱ中，使I溶脹，然后使玨聚合并交聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖7所示。
 
圖7分步法制備IPN示意圖
(2)同步聚合法
將合成兩種聚合物網(wǎng)絡(luò)的單體或線性低聚物以及催化劑和引發(fā)劑混合，通過各自不同類型的聚合反應(yīng)形成各自的網(wǎng)絡(luò)鏈或線型大分子。同步法制備IPN的反應(yīng)示意圖如圖8所示。
 
圖8 同步法制備IPN的反應(yīng)示意圖
以相當(dāng)?shù)乃俾蕘砜刂苾煞N聚合反應(yīng)是很困難的。常用的方法是熱聚合和光聚合，兩種方法都不適宜制備大尺寸的IPN樣品，因為熱聚合中很難維持均一的瀑度，而光聚合中光不能均勻地穿透較厚的樣品。由于聚合體系前端在反應(yīng)初始幾秒鐘可以達到近200℃的高溫，而在此高溫下，兩種反應(yīng)的速率接近相等，鏈增長較為均勻。該方法與傳統(tǒng)聚合方法相比，有降低能耗、減少副產(chǎn)物和產(chǎn)物形態(tài)單一的優(yōu)點。
(3)乳液聚合法
先將一種聚合物乳液作為交聯(lián)的種源加入到另一種單體中，同時加入交聯(lián)荊和活化劑，通過乳液聚合而制得IPN，如圖9所示。
目前許多科學(xué)家都試圖使不相容的聚合物能夠很好地相容，現(xiàn)在相對新穎的一個方法就是形成互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)。
 
圖9乳液法制備IPN示意圖
3炭/炭復(fù)合材料的修復(fù)技術(shù)
炭盤再生利用有以下幾種：
?、僭趧x車裝置中加炭材料墊片，厚度一般不超過15mm；
?、诙弦恍蘩?，將使用到磨損壽命的炭盤加工成半盤，2個半盤經(jīng)處理后再銜接在一起，其尺寸與原新盤相同；
?、廴弦恍蘩?，采用粘接的方法，將3片薄盤粘接在一起以達到原新盤尺寸；
?、軣崞胶饫碚摼S修，其特點是新產(chǎn)品有兩種狀態(tài)，在使用一個循環(huán)后，用新盤代替舊盤中較薄的部分(這部分炭盤報廢)，恢復(fù)總尺寸繼續(xù)使用，下一個循環(huán)再用新盤替換另一部分舊盤后繼續(xù)使用，并如此循環(huán)使用；
⑤用CVD工藝進行尺寸恢復(fù)，這種方式尚處于研究階段，沒有在飛機上實際使用。
第①種維修方式已用在空中客車A300/A310/A320飛機上，在國際上僅美國限制這種方式的應(yīng)用。第②種方式使用在空中客車A300/A310/A320，波音 B767、MDl 1和SAAB340飛機上。第③種方式使用在空中客車A321/A330/A340飛機上。我國已經(jīng)成功研發(fā)出炭盤三合一深度再生技術(shù)(如圖3.60所示)以及高溫膠黏劑和與之相匹配的氧化防護涂層制備，所再生修復(fù)的復(fù)合材料在經(jīng)歷從室溫到1700℃高溫后仍均具有高的層間剪切強度，斷裂層出現(xiàn)在復(fù)合材料本體內(nèi)而不在粘接層上，在經(jīng)過由1100℃一室溫100次熱循環(huán)后，其粘接強度仍達到11MPa，該膠黏劑具有好的粘接和抗熱震性能。
 
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