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树脂基复合材料表面修整工艺材料性能研究

更新时间:2016-07-05

复合材料具有高强、高韧、耐高温、耐腐蚀、耐磨损等一系列优异性能,其研究深度和应用广度已成为衡量航空设计、制造产业先进与否的重要标志之一。目前,各军民型号项目均使用了大量复合材料部件,如飞机蒙皮、武器弹仓等均为复材制件[1-4]。波音 787型客机使用的复合材料占主体材料的 50%左右,考虑到复合材料密度仅为1.6 g/m3,除机翼、尾翼前缘(防鸟撞)、发动机挂架(防高温)为金属外,全机主要结构均采用复合材料,包括机翼、机身、垂尾、发房、地板梁、部分舱门、整流罩、起落架后撑杆、发动机机匣、叶片等部位[5-7]。复合材料的耐久性直接影响相关部件的功能及使用寿命,也是影响飞行安全的重要因素。上述飞机复合材料部件均需应用涂层进行表面防护,涂层的喷涂质量对其装饰性、功能性及耐久性有重要影响。

复合材料表面涂层的喷涂质量由多个因素决定,如增强材料的类型、树脂的选择、生产方法和固化参数等,常见的缺陷有针孔、表面下陷、起皱、纹理、橘皮、粗糙等,现有复合材料制造工艺技术无法完全消除这些缺陷[8]。喷漆后,复合材料表面缺陷被放大,不仅影响零件的外观质量,而且还会进一步影响飞机的气动外形和后期整机的隐身效果。为了改善这些缺陷,现场采用的临时补救措施是增加漆层厚度,但普通漆层的流淌性和渗透性差,无法有效改善和消除表面缺陷,反而加大了后期使用、飞行过程中防护性漆层掉落的可能性。

为了克服因复合材料本身缺陷带来的产品质量问题,最大限度地消除复合材料表面缺陷,需对复材表面缺陷进行处理,通过表面修整及封孔技术,为后续表面防护材料底漆和面漆的施工提供一个良好的基体状态[9-10]。国外飞机复合材料表面缺陷的修整及针孔的填充问题主要通过表面修整剂来解决[11-13]。Akzol Nobel和 PPG-DeSoto是全球最大的两家航空涂料供应商,其生产的材料表面修整剂已广泛应用在复合材料制件(如天线罩等)表面,国内各大主机厂也都在使用上述公司的相关产品,作为民品飞机复合材料表面防护涂层施工中重要的工艺材料,主要应用情况如表1所示。在波音项目中,787碳纤维复合材料壁板(碳纤维)采用 8W5封孔剂对表面针孔缺陷进行封孔处理[14-15]。表面修整剂用于飞机复合材料制件表面针孔、凹坑等缺陷的填充修整,可为后续表面防护材料底漆和面漆的施工提供一个良好的基体平台。针对复合材料表面缺陷的不同情况,如局部针孔、微小凹坑、较大面积表面缺陷等问题,可分别或配套采用针孔填充剂、表面修整剂或封孔剂等工艺材料进行喷漆前的表面处理,以提升表面状态,保证漆膜性能。表面修整材料与涂层系统配套示意见图1。

表1 表面修整剂应用现状 Tab.1 Application status of surfacer

Application Boeing 737/777 Airbus A320/A380 Boeing 787 Application site Material trademark Radome and other composite parts PPG-DeSoto(CA8610A/CA8610B)Akzo Nobel(8W5/50C)Carbon fiber composite parts and radome Radome and other composite parts Akzo Nobel(8W5/50C)

图1 表面修整材料与涂层系统配套示意图 Fig.1 Schematic of surfacing materials and coating system

1 试验

1.1 复合材料试样表面修整工艺

分别采用表面修整剂、针孔填充剂和封孔剂三种工艺材料,对玻璃纤维增强树脂及复合材料进行表面修整。其中,表面修整剂(Surfacer)由树脂和填料构成,黏度可调整,可采用喷涂或刮涂的施工方式。单组分针孔填充剂(Filler)采用快干型单组分材料制成,呈半透明状,具有一定的黏度和流动性,采用刮涂施工方式。喷涂型封孔剂基料由环氧树脂构成。三种工艺材料的特点及施工要求见表2。

以上通过两种方法对南方某市某日电动汽车充电负荷进行预测,根据预测的结果,计算了绝对误差、平均绝对误差、相对误差、平均相对误差等数据。由这些指标可以发现,基于BP神经网络算法和指数平滑法的滚动预测精度要高于BP神经网络算法的电动汽车充电负荷的日预测。

表2 三种工艺材料的特点及使用要求 Tab.2 Features and application requirements of process materials

Process materials Features Application Filler Quick-drying and airdried, one-component, good wettability,easy to fill the pinhole, good compatibility with composite material, resin or coating material.Rub filler into a small area,dry 30 min and wipe off excess.Surfacer Two-component polyurethane resin, easy to sand after drying,applied to aluminum and composite, filling the shallow crater or depression(d>0.25 mm) or ponhole(d<0.25 mm)Spray or rub to form a film, fill the depression,airdried or accelerate drying(60 ℃, 6 h) to cure sufficiently to sand.Sealing Agent Two component, epoxy resin base, two-component polyurethane resin, easy to sand after drying, applied to composite to fill crater or ponhol.Spray, dry to form a film, airdried or accelerate drying(60 ℃, 6 h) to cure sufficiently to sand.

1)涂层工艺性能试验。对表面修整剂和喷涂型封孔剂两种成膜型表面修整工艺材料的施工性能、干燥固化时间进行测试,并检查涂层外观,测定两种表面修整材料的打磨性。

图2 工艺材料施工工艺步骤 Fig.2 Construction process steps of process materials: a) application process of filler and surfacer, b) application process of filler and sealant

1.2 性能测试

上述材料均为实验室自行制备。工艺试验中,将可形成膜层的表面修整剂和喷涂型封孔剂分别在碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料上进行涂装、固化,打磨平整后,喷涂配套底面漆涂层系统。选用玻璃纤维增强环氧复合材料试样,A组使用针孔填充剂和表面修整剂进行表面修整,B组采用喷涂型封孔剂和针孔填充剂进行表面修整,具体修整工艺路线如图2所示。

2)根据图 2工艺步骤,在复合材料试板待喷漆表面应用“表面修整剂+针孔填充剂”和“喷涂型封孔剂+针孔填充剂”,随后喷涂底漆,并进行力学性能测试。依据 GB/T 5210—2006《色漆和清漆 拉开法附着力试验》,采用深圳三思纵横橡胶拉伸试验机,对表面修整工艺处理后的喷涂底漆涂层的附着力进行测定。依据 GB/T 9286—1998《色漆和清漆 漆膜的划格试验》,对涂层的划格附着力进行测试,底材为玻璃纤维增强复合材料,底漆为H06-0371通用防护底漆,划格间距为2 mm。

传统封孔清漆为环氧清漆,因固化收缩及表面张力等原因,无法对针孔实现修复,实际使用时,需对底材表面反复喷涂固化,耗时费力。表面修整剂和喷涂型封孔剂在工艺上均可实现常温干燥和60 ℃加速干燥,操作灵活,节约工时,便于现场修整工艺的实施。另外,配合使用针孔填充剂,可有效修复针孔缺陷,使底材表面满足喷涂要求,利于获得更好的喷涂外观。

会上,以“杀菌剂”“除草剂”“杀虫剂”和“作物健康”四大产品系列为主线,产品线经理分别向来宾展示了公司的主打产品以及即将上市的新产品。

2 结果及分析

2.1 表面修整工艺材料工艺性能

试验结果表明,表面修整剂和喷涂型封孔剂均可以在常温和加热条件下干燥,达到可打磨状态。采用气动打磨机在施涂了表面修整工艺材料的复合材料表面进行打磨,两种工艺材料的工艺性能良好,易于打磨,且表面平整。两种表面修正材料的可打磨干燥时间见表3。

表3 表面修整工艺材料的干燥条件 Tab.3 Drying conditions of process materials

Material type Air drying Accelerating drying Surfacer 48 h 60 ℃,4 h Sealing agent of spray type 48 h 60 ℃,6 h

3)涂层系统相容性试验。将经工艺材料处理后的复合材料试板进行涂漆固化,并进行涂层相容性试验,即耐水性和耐油性测试。按照GB/T 1733—1993《漆膜耐水性测试方法》和GB/T 9274—1988《色漆和清漆 耐液体介质的测定》,在(23±2) ℃条件下,分别将涂漆试板在去离子水、4109润滑油、15号液压油、RP-3喷气燃料和RP-5号喷气燃料中浸泡24 h。上述介质浸泡试验后,观察涂层外观,并进行附着力测试。

划格附着力测试:在经表面修整工艺材料处理后的试板上喷涂 TB06-9锌黄丙烯酸聚氨酯底漆和H06-0371通用防护底漆,划格测试为 1级,拉开附着力均大于16 MPa(见表4和表5)。在经喷涂型封孔剂处理后的试板上喷涂TB06-9锌黄丙烯酸聚氨酯底漆和H06-0371通用防护底漆,划格测试为1级,拉开附着力均大于15 MPa(见表6和表7),试柱直径为20 mm,试柱面积为314.1593 mm2

4)与国外同类型产品进行对比。将表面修整剂和针孔填充剂与 Akzo Nobel的表面修整剂 8W5与28C1进行对比,分别应用在玻璃纤维增强复合材料试板待喷漆表面,对比工艺性能和修复效果。

2.2 表面修整工艺材料对涂层力学性能的影响

清漆厚度为(30±2) μm,表面修整工艺材料的厚度为(30±5) μm(打磨处理前),H06-0371 通用防护底漆厚度为(20±2) μm,TB06-9锌黄丙烯酸聚氨酯底漆的厚度为(20±2) μm。

《山月》是一个柔美的乐章,由带再现的单二部曲式结构构成,引子1小节,旋律以八度形式出现,加左手分解和选伴奏,立刻就带人走进了一种从容,典雅的状态。A段由两个乐句构成,共8小节,由b羽五声调式构成的a段在a1乐段转进B徵五声调式,巧妙的运用了同主音不同调式的方法,形成了小调与大调的鲜明的色彩对比。B段由两个乐句构成,展开于A段,调式调性与A段相同,由b羽转到B徵五声调式,运用了大量的6连音,生动形象的表现出好似唯美夜色中潺潺的河流,又好似恬静月光下连绵的山峦这一让人沉醉的意境。结尾4小节,与主题相同,使乐曲完整的在这个梦境中结束。

试验结果表明,纤维增强复合材料底材在喷漆前喷涂表面修整工艺材料,经固化打磨至平整不透底,喷涂底漆,底漆与底材的附着力未下降。表面修整剂和喷涂型封孔剂在底材表面固化成膜后,填补针孔凹坑等缺陷,经打磨去除多余修整材料,在保证表面平整的同时,尽量减少底材表面的残留,即图1防护涂层系统中①的厚度受底材表面状况和打磨过程的影响。因此,使用针孔填充剂、表面修整剂或喷涂型封孔剂可对纤维增强复合材料底材的待喷漆表面进行表面修整,对漆膜与底材的结合力无影响。

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表4 应用Surfacer的H06-0371通用防护底漆拉开附着力 Tab.4 Pull-off adhesion of common protective primer H06-0371 with surfacer applied

Serial number strength/MPa Failure mode Graphical repre-sentation Fracture

表5 应用Surfacer的TB06-9锌黄丙烯酸聚氨酯底漆拉开附着力 Tab.5 Pull-off adhesion of zinc yellow acrylic polyurethane primer TB06-9 with surfacer applied

Serial number strength/MPa Failure mode Graphical representation Fracture Sample 1 20.2804 80% cohesive failure,20%joint failure Sample 2 22.2622 Cohesive failure Sample 3 16.7439 Joint failure Sample 4 21.8249 70% cohesive failure,30%joint failure Sample 5 18.5617 Cohesive failure

表6 应用喷涂型封孔剂的H06-0371通用防护底漆拉开附着力 Tab.6 Pull-off adhesion of common protective primer H06-0371 with spraying sealant applied

Serial number strength/MPa Failure mode Graphical representation Fracture Sample 1 15.1857 Joint failure Sample 2 15.3789 Joint failure 50%cohesive failure, 50%joint failure Sample 4 19.6546 Joint failure Sample 5 15.7090 Joint failure Sample 3 19.0121

表7 应用喷涂型封孔剂的TB06-9锌黄丙烯酸聚氨酯底漆拉开附着力 Tab.7 Pull-off adhesion of zinc yellow acrylic polyurethane primer TB06-9 with spraying sealant applied

Serial number strength/MPaFailure mode Graphical representation Fracture Sample 1 16.6904 Joint failure 60%cohesive failure, 40%joint failure Sample 3 18.1916 Joint failure Sample 2 17.6765 65%cohesive failure, 35%joint failure Sample 5 15.9191 Joint failure Sample 4 15.8828

2.3 表面修整工艺材料对涂层相容性的影响

试验结果表明,经表面修整材料处理的复合材料试板喷涂底漆后,在(23±2) ℃水中浸泡24 h后,外观无变化,划格附着力测试为1级,与未进行表面修整喷漆的试样相比,性能无下降。在4109润滑油、15号液压油、RP-3喷气燃料和RP-5号喷气燃料中分别浸泡24 h后,涂层划格附着力为1级,与未经修整材料处理的试样相比,性能无下降。

2.4 与国外同类材料对比情况

将修整剂+针孔填充剂、喷涂型封孔剂+针孔填充剂分别应用于纤维增强复合材料待涂漆表面,并分别与 8W5+28C1配合使用情况进行对比。试验结果表明,表面修整剂和针孔填充剂配合使用对局部针孔和凹坑的修复效果明显,喷涂型封孔剂和针孔填充剂配合使用对较大面积的凹坑有明显的修复作用,修复效果可达到国外同类材料的水平,工艺性能良好,易于打磨平整并去除打磨碎屑。

3 结论

1)针孔填充剂、表面修整剂和喷涂型封孔剂都可用于复合材料或底漆表面缺陷的修整,可有效降低复合材料表面针孔、凹坑等缺陷对涂装外观的影响。

2)针孔填充剂和表面修整剂与国外同类材料相比,性能相当,可应用于待涂装表面修复局部针孔及凹坑等缺陷。针孔填充剂和喷涂型封孔剂可配套使用,以代替传统清漆型封孔剂,其工艺性良好,易于打磨。

这恰恰从另一个角度,说明杂文的基本“特征”,就是内容的无所不包,手法的无所不用,形式的无所不有。然而,“杂之义广,无所不包”的杂文创作,在杂文与美文、杂文与作文、杂文与时文之间,确实存在着诸多模糊认识。我们的责任,就是要划清杂文家创作的界限,引领杂文读者在欣赏杂文过程中,逐步养成独立思考的习惯。

3)三种工艺材料与底面漆的相容性良好,采用拉开法测得漆层的结合力大于15 MPa,对涂层的力学性能及耐介质性能无不良影响,可配套用于复合材料涂装前的表面修整,提升涂装表面状态。

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艾秋实,王唯,朱丽
《表面技术》 2018年第5期
《表面技术》2018年第5期文献

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