吹樹脂顆粒法除漆對復合材料性能的影響

陳云鵬 孫濤 陳雁骉

摘要：復合材料的性能特點使其表面漆層除漆困難。本文介紹了一種吹樹脂顆粒法（PMB）除漆技術，論述了其工作原理和工藝流程。選用T700和EW240復合材料作為樣件，通過檢測除漆前后的外觀形貌、分層脫粘、層間剪切強度、彎曲強度等性能，分析該除漆技術對復合材料性能的影響。結果表明，采用PMB技術進行復合材料除漆，未對復合材料性能產生不利影響，除漆效果達到預定要求。

關鍵詞：PMB;復合材料;除漆

0引言

隨著復合材料技術水平的發展，復合材料產品在航空航天領域的應用日益廣泛。由于復合材料具有比剛度和比強度高、密度小、耐腐蝕、耐疲勞等優點，在飛機機體材料中的應用量逐步增加，復合材料制件已成為飛機零件的主要組成部分^[1]。因此，復合材料的修理技術研究是飛機修理技術研究的一項重要課題，其中一個關鍵課題就是復合材料表面除漆技術的研究。

由于化學脫漆劑容易導致復合材料產生滲透、溶脹、分層等問題，因此不允許將化學脫漆劑應用于復合材料表面除漆。目前，復合材料表面除漆采用的主要方式是手工打磨。該方式的缺點一是工作效率低，勞動強度大;二是漆層去除不均勻，質量很難保證;三是容易導致復合材料表面纖維的損傷。因此，迫切需要尋找一種取代傳統手工打磨方式，高度智能化、自動化的復合材料除漆技術，以適應復合材料零件修理產業化需求。

國外在20世紀末開發了吹樹脂顆粒法（Plastic Media Blasting，簡稱PMB）除漆技術，通過噴涂樹脂介質顆粒對復合材料表面進行除漆，取得了良好的效果。本研究選取兩種飛機常用的復合材料T700和EW240作為試驗樣件，通過PMB技術進行表面除漆，并檢測除漆前后樣件相關性能的變化，以論證該除漆法對復合材料性能的影響。

1 PMB除漆技術

1.1工藝原理

PMB技術是一種快速、安全、有效、環保的溫和干式噴砂除漆技術，是利用高速噴射的氣體，裹挾特殊的固體樹脂介質顆粒，在短時間內不斷沖擊涂層表面，通過半柔半剛的機械碰撞、摩擦、切削，反復作用于涂層，使其硬度不斷降低，附著力減弱，最終使涂層逐漸粉碎并從基材表面脫落。該技術是以代替化學和手工打磨方法為目的而研發的新型除漆技術，PMB工藝的最大優點在于所選介質的硬度介于基材和漆層硬度之間，在準確的參數（壓力、流量角度、速度、停留時間）控制下，能實現除漆以及基材無損傷的雙重效果。PMB技術可以快速無損傷地清除鋁、鎂、鈦、銅、鋼等飛機常用金屬表面的底漆和面漆，同時也可以應用于化學除漆和手工打磨無法處理或需謹慎對待的碳纖維、玻璃纖維、凱芙拉、諾梅克斯等層壓、夾層、蜂窩結構復合材料表面的涂層清除。在對噴射參數進行精密控制的條件下，PMB技術可以達到分層除漆的效果，即根據需求除去制定的面漆、中間漆，保留底漆等。PMB技術是環保型的除漆技術，除漆過程不產生有害物質，對于大氣、水源、土壤等環境不產生危害，實現自動化除漆后，不影響操作人員的身體健康。除漆產生的廢棄物為樹脂介質和涂層碎屑，可通過填埋、焚燒或用于建筑材料的方式進行處理。該技術已經在歐美等發達國家航空領域得到廣泛應用，美國將PMB技術與機器人自動化技術融合的進程開始于1992年，在猶他州希爾空軍基地建造了機器人除漆系統（RPSC）對F-16戰機進行除漆，RPSC是世界上第一個完全自動化的飛機脫漆PMB系統。其他應用如美國西科斯基飛機公司應用該技術進行直升機表面除漆^[2]。

1.2除漆設備

PMB除漆設備采用“機器人自動化飛機除漆系統”，該系統分為執行系統和控制系統兩部分。執行系統包括噴砂設備、機器臂、運行軌道、噴砂房體及除塵分離系統等，控制系統包括機械臂終端控制、噴砂設備自動控制、視覺判別系統、防碰撞系統等。控制系統的專用軟件包括機器人控制系統、PMB設備控制系統及其他集成控制系統等。上述系統集成在一個軟件平臺，形成系統綜合控制軟件，用于PMB除漆智能技術的運行控制、數據分析存儲等。

1.3工藝流程

PMB除漆的工藝流程為：復合材料表面防護一設計機械臂運行軌跡一設定噴射參數一除漆系統運行一表面清潔。

1）表面防護：采用貼合良好的防沖擊膠帶對復合材料非除漆面進行防護。

2）設計機械臂運行軌跡：根據復合材料表面形狀，設計機械臂運行軌跡，以保證噴嘴按照工藝要求運行。

3）設定噴射參數：根據復合材料表面涂層的厚度及特點，設定噴射樹脂顆粒的參數，包括樹脂粒度、噴嘴壓力、噴射角度、噴射距離等。

4）除漆系統運行：啟動除漆系統，開始除漆作業，直至除漆完成。

5）表面清潔：采用吸塵器或其他等效設備對復合材料表面進行清潔，清除殘留的粉塵和磨料，在噴漆前還應采用溶劑進行擦洗，避免殘留物質影響噴漆質量。

2工藝試驗

2.1試驗方案

選擇飛機常用的T700和EW240兩種復合材料，開展樣件原始性能及PMB除漆后的性能對比檢測，分析PMB除漆技術對復合材料性能的影響。具體項目包括外觀性能影響、內部分層性能影響和力學性能影響等相關試驗項目，檢測標準及判定依據按照復合材料技術標準執行。本試驗項目僅涵蓋復合材料的部分性能，試驗項目根據PMB技術可能產生的影響進行適當選擇，不對復合材料的纖維體積含量、樹脂質量含量、孔隙率和夾雜物等因制造產生的性能進行試驗檢測。本試驗方案僅對PMB技術對復合材料損傷進行評估，不對復合材料自身的性能進行試驗評價。具體試驗流程如圖1所示。

2.2樣件制備

樣件分別采用T700/5428和EW240/5222復合材料制作。層間剪切強度試樣尺寸為：長度20±1mm，寬度10±0.2mm，厚度2±0.2mm，數量為每種1 0件。T700/5428彎曲強度試樣尺寸為：長度80±Imm，寬度12.5±0.5mm，厚度2±0.2mm，數量為10件。EW240/5222彎曲強度試樣尺寸為：長度80±2mm，寬度15±0.2mm，厚度3～4mm，數量為10件。

對其中一半試樣進行噴漆，具體噴漆要求為：清漆一層+專用底漆一層+通用底漆兩層+面漆兩層，涂層總厚度在100～150μm。按照工藝要求進行涂層固化。

2.3工藝參數

PMB系統除漆的工藝參數：樹脂顆粒的粒度為30～60目;噴嘴壓力為25～40psi;噴射角度為300～600;噴射距離為300～600mm;介質流量為114kg/h;除漆時間：直至漆層完全去除。

具體試驗項目及要求見表1。

3結果與討論

3.1外觀檢查

對所有樣件進行外觀檢查，對噴漆除漆后的樣件進行再次檢查，對比除漆前后的外觀形貌。檢查方法為采用20倍電子放大鏡檢查，檢查結果表明：在采用設定的PMB參數進行除漆后，復合材料表面未出現纖維損傷及結構變形等現象，EW240樣件表面殘留微量的漆層，T700樣件表面漆層完全清除，如圖2、圖3所示。

3.2分層脫粘檢查

選用FCC-D復合材料超聲探傷儀對復合材料樣件進行超聲檢測，選用5MHzFJ-1的水囊探頭，超聲探傷儀與探頭配用時，檢驗系統的靈敏度余量應大于6dB;盲區應小于0.12mm。

對樣件在PMB除漆前后均進行超聲檢測，樣件均未發現分層脫粘現象。

3.3層間剪切強度檢查

采用短梁法測定復合材料樣件的層間剪切強度，具體方法見JC/T 773-2010《纖維增強塑料短梁法測定層間剪切強度》，試驗示意圖如圖4所示。

層間剪切強度試樣的長度l=20±1mm，寬度b=10±0.2mm，厚度h=2±0.2mm。按照公式（1）計算層間剪切強度。

其中，TM為層間剪切強度，單位MPa;F為最大載荷，單位N;b為試樣寬度，單位一.h為試樣厚度，單位一。

對T700、EW240樣件進行除漆前后層間剪切強度的對比試驗，每種復合材料樣件選用5件進行原始剪切強度檢測，剩余5件進行噴漆除漆后剪切強度檢測。檢查方法按照JC/T 773-2010標準要求進行檢測。具體檢測結果如圖5、圖6所示。

為正確評估復合材料的力學性能，對試驗數據進行統計分析，具體試驗數據包括性能的平均值、標準差和離散系數，相應公式為^[3]：

其中，x為層間剪切強度平均值;n為試樣數量;S_n-1為樣本標準差;x_i為層間剪切強度值;CV為性能離散系數（%）。

從上述檢測結果來看，T700試樣在PMB除漆前后層間剪切強度的變化較大，除漆前層間剪切強度值的離散性較小，除漆后強度值的離散性較大。除漆后的性能離散系數約為9.84%，而除漆前的性能離散系數約為3.14%。但并未呈現趨勢性的性能下降現象，部分數值還呈現了增長。從平均值計算，除漆前后的層間剪切強度均值降低了3.94MPa，降幅約4.44%。

EW240試樣在PMB除漆前后層間剪切強度的變化較小，強度值的離散性較小，除漆前的性能離散系數約為1.64%，除漆后的性能離散系數約為4.45%。從平均值計算，除漆前后的層間剪切強度均值上升了0.2MPa，升幅約0.35%。

綜合檢測結果表明，PMB除漆對復合材料層間剪切強度的影響未呈現明顯的因果關系，即未導致復合材料的層間剪切強度下降。

3.4彎曲強度檢查

對復合材料樣件進行彎曲強度性能檢測，T700/5428彎曲強度試樣長度為80±1mm，寬度為12.5±0.5mm，厚度為2±0.2mm。EW240/5222彎曲強度試樣長度為80±2mm，寬度為15±0.2mm，厚度為3～4mm。按照下列公式計算彎曲強度。

其中，σ_f為彎曲強度，單位MPa;P為最大載荷，單位N;L為跨距，單位mm;b為試樣寬度，單位mm;h為試樣厚度，單位mm。

對T700、EW240樣件進行除漆前后彎曲強度對比試驗，每種復合材料樣件選用5件進行原始彎曲強度檢測，剩余5件進行噴漆除漆后彎曲強度檢測。T700樣件按照GB/T 3356-1999標準進行檢測，EW240樣件按照GB/T 1449標準進行檢測。具體檢測結果如圖7、圖8所示。

通過試驗數據可以看出，T700材料和EW240材料采用PMB工藝后彎曲強度變化也不大，其中T700材料的彎曲強度均值增加84.84MPa，增幅約5.9%;EW240材料的彎曲強度均值略增7.14MPa，增幅約1%。T700材料除漆前的彎曲強度性能離散系數約為9.94%，除漆后的性能離散系數約為6.11%;EW240材料除漆前的彎曲強度性能離散系數約為4.17%，除漆后的性能離散系數約為2.95%。

4結論

選取兩種復合材料T700和EW240進行表面涂層PMB除漆試驗，經過檢測分析，結論如下：

1）采用PMB技術除漆后，復合材料的外觀未產生不良影響，未發現分層脫粘現象。

2）采用PMB技術除漆后，復合材料的層間剪切強度未呈現明顯下降趨勢。

3）采用PMB技術除漆后，復合材料的彎曲強度略有提升。

參考文獻

[1]中國航空工業集團公司復合材料技術中心.航空復合材料技術[M].北京：航空工業出版社，2013.

[2]杰姆-伯杰/陳琳.褪漆溶劑的代用問題[J].航空工程與維修，2001（3）.

[3]白光輝.先進復合材料力學性能測試標準圖解[M].北京：化學工業出版社，2015.