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        復(fù)合材料表面密封劑與抗靜電涂料在燃油中穩(wěn)定性研究

        2010-08-31 06:50:34歐秋仁嵇培軍
        合成材料老化與應(yīng)用 2010年2期
        關(guān)鍵詞:密封劑抗靜電剝離強(qiáng)度

        歐秋仁,嵇培軍,趙 亮,武 玲,曹 輝

        (1航天特種材料及工藝技術(shù)研究所,北京,100074;2中國(guó)航天科工集團(tuán)科技工程中心,北京,100074)

        復(fù)合材料表面密封劑與抗靜電涂料在燃油中穩(wěn)定性研究

        歐秋仁1,嵇培軍1,趙 亮1,武 玲1,曹 輝2

        (1航天特種材料及工藝技術(shù)研究所,北京,100074;2中國(guó)航天科工集團(tuán)科技工程中心,北京,100074)

        研究了復(fù)合材料表面上HM108B4密封劑和H06-1020HD抗靜電涂層材料在航空煤油中的質(zhì)量變化、密封劑的180°剝離強(qiáng)度和破壞模式。研究結(jié)果表明:隨著時(shí)間的延長(zhǎng),HM108B4密封劑/復(fù)合材料和抗靜電涂層/密封劑/復(fù)合材料在航空煤油中質(zhì)量變化率均先下降后上升,最后趨于穩(wěn)定,抗靜電涂層/密封劑/復(fù)合材料在煤油中質(zhì)量變化率小于密封劑/復(fù)合材料。未浸油老化和60±2℃浸油老化7天密封劑/抗靜電涂層試樣的180°剝離強(qiáng)度分別為10.9KN/m和11.1KN/m,試樣的破壞模式為內(nèi)聚破壞。

        密封劑;抗靜電涂層;穩(wěn)定性;剝離強(qiáng)度

        復(fù)合材料比強(qiáng)度、比模量高的特點(diǎn)使其在航空航天領(lǐng)域受到了廣泛應(yīng)用,應(yīng)用部位由最開(kāi)始的次承力結(jié)構(gòu)到主承力結(jié)構(gòu)如機(jī)翼、中央翼盒等[1-3]。飛機(jī)機(jī)翼抗扭盒段因具有較大空間而常用作機(jī)翼油箱[4],復(fù)合材料油箱在密封性能、導(dǎo)電性能上與金屬油箱相比均較差,因此,需在復(fù)合材料表面涂上密封劑和抗靜電涂層保證復(fù)合材料油箱的密封和抗靜電性能。

        復(fù)合材料中的高分子材料與航空煤油接觸時(shí),由于高分子材料會(huì)受到航空煤油物理和化學(xué)作用,引起材料的溶脹以及重量和界面結(jié)合強(qiáng)度等變化[5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)密封劑在煤油中的老化研究主要采用短期加速老化方法[6,7],而對(duì)密封劑在煤油中長(zhǎng)期老化研究較少。本實(shí)驗(yàn)研究了復(fù)合材料表面HM108B4密封劑和H06-1020H.D環(huán)氧抗靜電涂料在燃油中的穩(wěn)定性和密封劑和抗靜電涂層的相容性,對(duì)復(fù)合材料在長(zhǎng)期儲(chǔ)油狀態(tài)下的密封和抗靜電應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 實(shí)驗(yàn)材料

        復(fù)合材料試樣:T700/HD03復(fù)合材料平板;HM108B4密封劑:北京航空材料研究院;H06-1020H.D環(huán)氧抗靜電涂料:北京航空材料研究院;煤油:RP-3航空煤油。

        1.2 試樣制備

        1.2.1 耐油性試樣制備

        將HM108B4密封劑按比例混合均勻,單面均勻刮涂在50×50mm的復(fù)合材料試樣上,厚度(0.5±0.2)mm,達(dá)到硫化期后在(70±1)℃放置24h。

        將試樣均分成兩組,其中一組用于密封劑/復(fù)合材料的耐油性實(shí)驗(yàn),在另一組的密封劑表面均勻涂刷抗靜電涂層,厚度為0.3mm,70±1℃下固化8h,制成抗靜電涂層/密封劑/復(fù)合材料試樣,用于耐油性實(shí)驗(yàn)。

        1.2.2 涂層相容性試樣制備

        在130×75mm碳纖維復(fù)合材料試樣上均勻涂上抗靜電涂層,固化后刮涂密封劑,刮涂面積為100×75mm,厚度3±0.2mm,然后在密封劑表面貼上帆布,硫化后進(jìn)行180°剝離強(qiáng)度試驗(yàn)。其中1#試樣抗靜電涂層表面未用BC-1粘接底涂處理;2#試樣抗靜電涂層表面用BC-1粘接底涂處理;3#試樣抗靜電涂層表面用BC-1粘接底涂處理,室溫下浸泡7天;4#試樣60±2℃環(huán)境下于RP-3航空煤油中浸泡7天。

        1.3 測(cè)試方法

        1.3.1 質(zhì)量變化率

        1.3.2 180°剝離強(qiáng)度

        試驗(yàn)方法參照HB5249-93進(jìn)行。

        1.3.3 形貌觀察

        在試樣表面噴金處理,采用日立S-4800掃描電鏡進(jìn)行形貌觀察。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 密封劑/復(fù)合材料和抗靜電涂層/密封劑/復(fù)合材料的耐油性分析

        密封劑/復(fù)合材料與抗靜電涂層/密封劑/復(fù)合材料浸油過(guò)程中質(zhì)量隨時(shí)間的變化如圖1所示。密封劑/復(fù)合材料在浸油過(guò)程中呈現(xiàn)出先下降后增加的變化趨勢(shì),質(zhì)量變化率隨時(shí)間的變化曲線可分成兩階段:第一階段浸油初期的快速質(zhì)量損失,最大質(zhì)量損失變化率為-0.45%,主要是由于密封劑中增塑劑鄰苯二甲酸二丁酯溶解于煤油。第二階段質(zhì)量變化率的較快回升和隨后的平臺(tái)區(qū),質(zhì)量最大變化率為0.125%,隨后到達(dá)平臺(tái)區(qū),到達(dá)平臺(tái)期后質(zhì)量變化率幾乎不隨時(shí)間變化,此階段質(zhì)量變化率的增加主要來(lái)自兩方面,其一為煤油分子填充增塑劑孔隙并溶脹密封劑基體,其二是復(fù)合材料自身的吸油,對(duì)此階段質(zhì)量變化率的增加也有一定的貢獻(xiàn)。

        圖1 兩種試樣在RP-3中的質(zhì)量變化率與時(shí)間關(guān)系Fig.1 Weight change rate with time of the samples

        抗靜電涂層/密封劑/復(fù)合材料在航空煤油中質(zhì)量變化率呈現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢(shì)。最大質(zhì)量變化率為-0.25%,隨后質(zhì)量變化率隨時(shí)間也成近似直線增加,但增加速率明顯小于HD03/HM108密封劑的增加速率,最后試樣重量變化率穩(wěn)定在-0.075%,第一階段和第二階段最大質(zhì)量變化率均小于密封劑/復(fù)合材料對(duì)應(yīng)的數(shù)值,表明抗靜電涂層在煤油中具有更高的穩(wěn)定性,保護(hù)了內(nèi)表面的密封劑材料。這是因?yàn)榭轨o電涂層為熱固性環(huán)氧樹(shù)脂,固化后不溶解于煤油,在密封劑表面涂上抗靜電涂層后隔離了煤油與密封劑的直接接觸,減少了鄰苯二甲酸二丁酯在煤油中的溶解,也減少了煤油向密封劑擴(kuò)散。

        2.2 耐油性試樣SEM分析

        試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)密封劑/復(fù)合材料試樣浸油166天后局部表面發(fā)粘,T700/HD03/HM108密封劑/抗靜電涂層外觀沒(méi)有明顯變化,為進(jìn)一步研究RP-3對(duì)兩者的影響,用掃描電鏡(SEM)進(jìn)行觀察如圖2(a)和(b)所示,失效密封劑表面出現(xiàn)明顯凹坑且伴隨有小裂紋,未失效密封劑表面無(wú)明顯凹坑,但存在大量裂紋,對(duì)比兩者可以預(yù)見(jiàn),隨著時(shí)間的延長(zhǎng),裂紋長(zhǎng)度、寬度進(jìn)一步擴(kuò)展,裂紋密度進(jìn)一步增大,最后發(fā)展形成表面凹坑,從而導(dǎo)致密封劑的失效。

        圖2 耐油性試樣表面形貌Fig.2 Surface morphology of the oil resistance samples

        如圖2(c)所示,抗靜電涂層表面存在大量微裂紋,這是由于密封劑為聚硫橡膠彈性體,抗靜電涂層為環(huán)氧樹(shù)脂摻混金屬顆粒,環(huán)氧樹(shù)脂脆性較大,當(dāng)其涂刷在密封劑表面時(shí),因兩者膨脹系數(shù)不匹配,受煤油溶脹后體積變化不一致等造成了表面微裂紋的產(chǎn)生。綜合比較兩種試樣在航空煤油中重量變化率與表面形貌,可發(fā)現(xiàn)在密封劑表面上的抗靜電涂層能對(duì)密封劑起到一定的保護(hù)作用。

        2.3 密封劑與抗靜電涂層相容性分析

        密封劑與抗靜電涂層180°剝離強(qiáng)度與破壞模式見(jiàn)表1,由2#、3#與1#試樣對(duì)比可知,用BC-1粘接底涂后剝離強(qiáng)度由1.29KN/m提高到10.9KN/m,破壞模式由100%界面破壞變成100%內(nèi)聚破壞。由2#與3#試樣比較可知,室溫下浸油7天后RP-3對(duì)剝離強(qiáng)度沒(méi)有影響,浸油前后剝離強(qiáng)度均為10.9KN/m,破壞模式仍為100%內(nèi)聚破壞。

        4#與2#和3#試樣相比較,可發(fā)現(xiàn)60±2℃下4#試樣浸油老化7天后剝離強(qiáng)度略有上升,由10.9KN/m上升到11.1KN/m,破壞模式仍為100%內(nèi)聚破壞,這主要由于60±2℃環(huán)境使密封劑進(jìn)一步硫化,交聯(lián)密度增大,提高了剝離強(qiáng)度,60℃下燃油老化對(duì)密封劑的破壞形式和強(qiáng)度影響較小。

        表1 試樣的180°剝離強(qiáng)度及破壞模式Table 1 180°tensile strength and failure model of the samples

        試樣的180°剝離破壞表面如圖3和圖4所示,1#試樣破壞發(fā)生在密封劑與抗靜電涂層界面上,失效表面平整光滑,2#、3#和4#試樣失效發(fā)生在密封劑一側(cè),失效表面為密封劑的鋸齒形剝離,表明密封劑與抗靜電涂層的結(jié)合強(qiáng)度大于密封劑的內(nèi)聚強(qiáng)度,即兩者具有良好的相容性。

        圖3 1#試樣的破壞表面形貌Fig.3 Failure morphology of 1#sample

        圖4 2#、3#和4#試樣的破壞表面形貌Fig.4 Failure morphology of 2#、3#and4#samples

        3 結(jié)論

        1)密封劑/復(fù)合材料與抗靜電涂層/密封劑/復(fù)合材料在RP-3燃油中質(zhì)量隨著時(shí)間的變化均為先減小后上升,最后趨于平衡。

        2)密封劑/復(fù)合材料失重階段與增重階段最大質(zhì)量變化率分別為-0.45%和0.125%,抗靜電涂層/密封劑/復(fù)合材料相應(yīng)值為-0.25%和-0.075%,抗靜電涂層對(duì)密封劑具有一定的保護(hù)作用。

        3)密封劑材料在RP-3中呈現(xiàn)裂紋較大,RP-3燃油容易浸入,引起密封劑的溶脹;抗靜電涂層表面呈現(xiàn)裂紋細(xì)小,可阻止燃油進(jìn)一步深入浸入抗靜電涂層下面的密封劑,因此起到一定保護(hù)作用。

        4)BC-1粘接底涂材料可以提高密封劑和抗靜電涂層之間的粘接力;在RP-3燃油和60±2℃下老化7天對(duì)試樣的180°剝離強(qiáng)度影響較小,破壞模式為100%內(nèi)聚破壞。

        [1]蘇云洪,劉秀娟,楊永志.復(fù)合材料在航空航天中的應(yīng)用[J].工程與試驗(yàn),2008(4):36-38.

        [2]陳紹杰.大型飛機(jī)與復(fù)合材料[J].航空制造技術(shù),2008,(15):32-37.

        [3]陳紹杰.復(fù)合材料技術(shù)與大型飛機(jī)[J].航空學(xué)報(bào),2008,29(3):605-610.

        [4]中國(guó)航空研究院.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].航空工業(yè)出版社,2001:210.

        [5]吳松華,益小蘇,秦蓬波,等.聚硫密封劑在航空煤油中的老化機(jī)理[J].航空材料學(xué)報(bào),2007,27(6):79-82.

        [6]R W Rooser,J A Parker.Chemical Research ProjectsOffice:Fuel Tank Sealants Review,A-mesresearch center,MoffettField,Calif.94035,1974.11.

        [7]Q/6S 1227-95,HM108室溫硫化密封劑,中國(guó)航空工業(yè)總公司第六二一研究所標(biāo)準(zhǔn).

        Studies on the Stability of Sealant and Anti-static Coating on Composites Surface in the Fuel

        OU Qiu-ren1,J I Pei-jun1,ZHAO Liang1,WU Ling1,CAO Hui2
        (1 Research Institute of Special Aerospace Materials and Technology,Beijing 100074,China;2 Sci-tech Engineering Center of China Aerospace Science and Industry Corporation,Beijing 100074,China)

        The weight change of both HM108B4sealant and HM108B4sealant brushed with anti-static coating of H06-1020H.D on the composites with time,the 180°peel strength and the failure model of sealant were studied in this paper.The results showed that their weight ro with the increase of time are descending initially,then ascending to a plateau.The 180°peel strength of sealant with anti-static coating/composites at om temperature and in fuel aged at60±2℃for 7 days are 10.9KN/m and 11.1KN/m,respectively.The failure model of sealant and anti-static coating in the air and the fuel are 100%internal failure.

        sealant;anti-static coating;stability;peel strength

        TQ 050.4+3

        2010-01-11

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