碳纤维/聚醚醚酮复合除胶工具的研制

Development of CF/PEEK Composite Sealant Removal Tool

摘要

航空密封胶的打磨去除必须采用塑料除胶工具，目前常用的聚甲醛（POM）工具强度不足，除胶效率低，寿命短，为此研制一种碳纤维/聚醚醚酮（CF/PEEK）复合除胶工具，以提高作业效率和使用寿命。测试了不同碳纤维含量和组成的PEEK复合除胶工具的除胶性能，并和POM工具对比，发现CF质量分数为30%的工具初始除胶力比POM工具降低15.3%，经过15次除胶作业后其除胶力相比初始状态仅增加9.3%。文章研究了刃角对工具除胶性能的影响。随着刃角增大，工具初始除胶力增加；刃角在30°~40°时，工具在15次除胶作业的除胶力变化较为稳定。文章研究了不同切入速率对除胶性能的影响。随着切入速率增加，工具初始除胶力增加。加入聚四氟乙烯（PTFE）和石墨的复合工具可降低高切入速率下的除胶力，但使用寿命会缩短。文章研究了CF的取向对工具除胶性能的影响。CF取向和刃口垂直时，工具经过多次除胶后除胶力变化较小，说明其更加耐用。

Abstract

Plastic sealant removal tools must be used to polish and remove aviation sealant. Currently, the commonly used polyformaldehyde (POM) toolsare of insufficient strength, low sealant-removing efficiency and short life. Therefore, a carbon fiber/polyether ether ketone (CF/PEEK) composite sealant removal tool was developed to improve working efficiency as well as service life. The sealant removal performance of PEEK composite sealant removal tool with different carbon fiber content and composition was tested, and compared with POM tool. It was found that the initial sealant removal force of the tool with a CF mass fraction of 30% was reduced by 15.3% compared with POM tool, and after 15 times of sealant removal operation, the sealant removal force only increased by 9.3% compared with the initial state. The effect of the blade angle on the sealant removal performance of the tool was studied in the paper. With the increase of the blade angle, the initial sealant removal force of the tool increased. When the blade angle was 30°~40°, the sealant removal force change of the tool was more stable in 15 times of sealant removal operation. The effect of different cut-in rates on the sealant removal performance was tested in the paper. The initial sealant removal force of the tool increased as the increase of the cut-in rate. Composite tools with polytetrafluoroethylene (PTFE) and graphite could reduce the removal force at high cut-in rate, but the service life could be shortened. The effect of CF orientation on the sealant removal performance of the tool was studied in the paper. When the CF orientation and the blade edge were vertical, the sealant removal force of the tool changed little after multiple operations, indicating that it is more durable.

Graphical abstract

关键词

碳纤维 / 聚醚醚酮 / 除胶工具 / 复合材料 / 航空密封胶

Key words

CF / PEEK / Sealant removal tool / Composites / Aviation sealant

航空飞机上有很多零部件或区域采用密封胶进行密封^[1-3]，当飞机出现故障需要维修时，为了检查或更换损坏的零部件，则必须先除去原有的密封胶。除胶方法一般有两种：一是机械打磨法，即采用除胶工具物理破坏密封胶层^[4]；二是化学去除法，即选用化学药品或溶剂软化或溶解密封胶，使其能被轻松剥离或自行脱落^[5]。后者除胶效率较高且对基材造成破坏的风险较低，但存在化学试剂气味大、易燃易爆风险高、与密封胶作用时间长等缺点，因此实际除胶作业中，仍然以机械打磨法为主。

为了降低损坏基材的风险，机械打磨使用的除胶工具为塑料或非金属工具，目前常用的材质是聚甲醛(POM)。但在实践中发现，POM工具强度不足，会导致除胶费时费力；同时，其寿命较短，需要经常更换打磨，作业效率低。聚醚醚酮(PEEK)是一种高性能特种工程塑料，引入碳纤维(CF)制得的改性复合材料碳纤维/聚醚醚酮(CF/PEEK)可进一步提高其强度^[6-8]、抗冲击性^[9-10]、耐磨性^[11-13]、热稳定性^[14-15]等。本文以CF/PEEK替代传统POM材料来制备除胶工具，探究材料组成、工具形状以及除胶作业的工艺参数对除胶性能的影响，旨在为开发高效低损的飞行器除胶工具提供指导。

1 实验部分

1.1 主要原料

POM，SABITAL™ 90GV10，沙特基础工业公司(SABIC)；CF/PEEK，770CA10、770CA20、770CA30，CF质量分数依次为10%、20%和30%，吉林省中研高分子材料股份有限公司；耐磨PEEK，770FC30，由聚四氟乙烯(PTFE)、石墨和CF改性得到的复合PEEK材料，吉林省中研高分子材料股份有限公司；航空密封胶，P/S 890，美国PPG工业公司。

1.2 仪器与设备

数控机床，VMC300，广东育菁装备有限公司；板材挤出线，GWS105，南通金韦尔智能装备有限公司；万能力学试验机，KL-WL-03S，广东省容光工业技术有限公司；电动推拉力计，ZP-500，深圳市艾力固仪器有限公司；布氏硬度计，XHB-3000Z，上海尚材试验机有限公司；邵氏硬度计，LX-D-1，温州韦度电子有限公司；光学显微镜，GX40MRT，宁波舜宇仪器有限公司；自动金相试样磨抛机，YMPZ-2，上海光密仪器有限公司。

1.3 样品制备

1.3.1 除胶工具样品的制备

将原料预先置于160 ℃烘烤24 h以充分除去水分和易挥发物质，随后投入板材挤出线，设置加工温度为350~370 ℃，螺杆转速16~20 r/min，挤出，经空气冷却后得到对应的塑料板材。利用数控机床机械切削塑料板材，图1为除胶工具的形状和尺寸，其中长(l)、宽(w)、高(h)分别固定为65、19、4 mm，刃口角度(α)为可变参数。

由不同型号原料制作而成的除胶工具分别标识如下：由POM 90GV10制备的样品记为GV-10；由CF/PEEK 770CA10、770CA20、770CA30制备的样品依次记为CA-10、CA-20、CA-30；由耐磨PEEK 770FC30制备的样品记为FC-30。

1.3.2 测试用密封胶样品的制备

将航空密封胶均匀涂覆在2024-T3铝合金基材的表面，在温度为25 ℃、相对湿度为50%的条件下固化14 d后得到测试用密封胶样品，胶层厚度固定为5 mm。

1.4 性能测试与表征

拉伸强度测试：参考GB/T 1040.2—2022，利用数控机床机械切削对应原料挤出的塑料板材，制成1B型哑铃型样条，利用万能力学试验机测试各个哑铃型样条的拉伸强度，拉伸速率固定为50 mm/min。

硬度测试：利用数控机床机械切削对应原料挤出的塑料板材，制成长、宽、高依次为20、20、10 mm的小样块。利用布氏硬度计参考GB/T 231.1—2018进行布氏硬度测试，其中试验球直径为2.5 mm，试验力为1.839 kN；参考GB/T 2411—2008进行邵氏硬度测试，利用邵氏硬度计测试各样块的邵氏硬度，测试时间为15 s。

除胶力测试：将除胶工具样品固定在电动推拉力计上，与测试用密封胶样品平行。操控除胶工具以固定速率铲入密封胶层，即为完成一次除胶操作，记录该过程中的最大推力为除胶力。用同一个工具样品在新的密封胶上进行同样的除胶操作，考察不同除胶次数下除胶力的变化。图2为除胶力测试。

除胶工具刃口显微形貌测试：采用夹具固定好除胶工具，利用光学显微镜表征工具刃口的侧面形貌，采用LED白光光源，放大倍数200倍。

CF排布显微形貌测试：采用环氧树脂包埋胶对样品进行冷镶嵌，70 ℃下充分固化24 h后取出冷却至室温。利用自动金相试样磨抛机，依次用200#、600#、1 200#、2 000#的水砂纸进行打磨，最后用金刚石抛光粉进行抛光。利用光学显微镜观测样品表面形貌，采用LED白光光源，放大倍数400倍。

2 结果与讨论

2.1 除胶工具用原料性能

表1为除胶工具用原料的力学性能。从表1可以看出，CF/PEEK的拉伸强度明显高于POM，其布氏硬度和邵氏硬度也略高于POM，这说明CF/PEEK比POM具有更优良的机械强度和刚性。此外，各原料的布氏硬度均远低于2024-T3铝合金的硬度^[16]。因此，选用这些原料制备的除胶工具基本不会对铝合金基材造成机械损坏。

2.2 材料对除胶性能的影响

除胶过程中，除胶工具随着移动距离的变化，其所受到的阻力也发生变化。图3为除胶作业中GV-10的受力随移动距离的变化。从图3可以看出，以GV-10为例，除胶工具接触到密封胶后，其受力迅速增加；当工具铲入胶层，密封胶表层被破坏，其形变应力释放使曲线出现一个小峰；随着工具逐步前移深入，密封胶沿着工具斜面被铲起，由此产生额外的摩擦阻力，使其受力缓慢持续增加，并维持在一个稳定的状态；当胶块被穿破后，力值快速减小，除胶作业结束。将该过程曲线中的阻力峰值定义为除胶力。

除胶力反映工具在除胶过程中所需力的大小。除胶力越小，表示除胶作业越轻松，除胶效率越高。另外，在实际工作中，除胶工具并不是一次性消耗品，而是在经过多次除胶后才会回收更换。因此，需要考察同一个除胶工具样品经过多次除胶作业的除胶力的变化。图4为不同材料制成的除胶工具15次除胶作业的除胶力，工具样品的刃口角度(α)固定为30°，切入速率固定为1.15 mm/s。从图4可以看出，GV-10和CA-10样品在经过15次除胶作业过程中，其除胶力均呈显著增长趋势，其中GV-10的初始除胶力和15次除胶后的除胶力均最大，作业后的除胶力相比初始状态增加32.6%。而对于CF/PEEK材料，随着CF质量分数的增大，初始除胶力下降，除胶力的增长速度也有所减缓，说明CF的加入有利于维持工具刃口的锋利度。其中，CA-30的初始除胶力相比GV-10降低15.3%，经过15次除胶作业后其除胶力仅比初始状态增大9.3%。再对比CA-30和FC-30，尽管二者均含有30%的CF，但FC-30中还加入了PTFE和石墨，其增强机理属于弥散增强，PTFE承受载荷的能力较低导致材料整体刚性有所下降^[17-18]，因此除胶表现不如CA-30。

利用光学显微镜观察上述测试样品的初始刃口以及经过15次除胶作业后的刃口形态。图5为GV-10和CA-30样品除胶前后的刃口形态。从图5可以看出，GV-10的刃口呈现接近90°的弯曲变形；CA-30的刃口也出现轻微弯折，但整体仍然能维持刀刃形态，说明其刚度高于GV-10。结合图4可知，工具刃口弯曲形变是导致除胶力增加的主要原因。此外，CA-30刚度更大，刃口抵抗形变能力更强，除胶力增长速度较慢。

2.3 刃角对除胶性能的影响

以CA-30为研究对象，考察α对其除胶力的影响。图6为不同α的CA-30在15次除胶作业过程中的除胶力。从图6可以看出，当α为15°时，刃口比较锋利，表现为初始的除胶力较小，但由于刃口本身较薄，强度和刚性不足，在经过数次除胶作业后，除胶力呈现增长的趋势；当α增加至30°时，初始除胶力有少量增加，但其刚性也得到明显改善，在经过15次除胶作业后除胶力基本没有太大的变化，此时再继续增加α，作业后的除胶力变化基本趋于稳定，说明该刃角下的刃口强度至少能满足15次除胶作业要求；由于工具的初始除胶力随着α的增大而增大，当α增加至60°以后，除胶力迅速增大，除胶力太高，难以满足实际除胶作业要求。因此，α在30°~45°范围内能较好地兼顾低除胶力和工具耐用性。

2.4 切入速率对除胶性能的影响

切入速率是指除胶工具切入密封胶层的移动速率，不仅会影响除胶效率，也是开发气动除胶工具的重要参考指标。固定α为30°，分别测试CA-30和FC-30在不同切入速率的除胶力。图7为CA-30和FC-30在不同切入速率下的除胶力。

从图7可以看出，在较低的切入速率下，如切入速率为1.15 mm/s时，CA-30的除胶力低于FC-30。随着切入速率增加，CA-30的除胶力也随之增大。FC-30的除胶力也随着切入速率增加而增加，但增长速度明显低于CA-30。这是因为当切入速率增加时，密封胶的应变速率也增加，除胶工具和密封胶之间的摩擦阻力随之增加，从而导致除胶力上升。FC-30的配方组分中含有PTFE、石墨等润滑材料，减少了摩擦阻力对除胶力的影响^[19]，所以尽管其除胶力也有所增长，但增加幅度低于CA-30。

在较高的切入速率(5.16 mm/s)下，分别考察CA-30和FC-30经过15次除胶作业的除胶力变化。图8为高切入速率下CA-30和FC-30在15次除胶作业过程中的除胶力。从图8可以看出，CA-30的初始除胶力较高，但多次除胶作业后，除胶力较为稳定；FC-30初始除胶力较低，但多次除胶后，除胶力呈现上升趋势。这表明前者适合“低速重载”的除胶应用场景，比如用于清除厚度和面积较大的胶块，以延长刀具的使用寿命；后者更适合“高速轻载”的应用场景，比如清除薄层胶片或者狭长胶条，可尽量提高切入速度，提高作业效率。

2.5 工具切削方向对除胶性能的影响

除胶工具通过机械切削连续挤出的塑料板材制得。在复合材料板材挤出过程中，其中的CF会随着挤出方向排布取向。以CA-30为研究对象，分别沿着CF排布方向(MD)以及与垂直方向(TD)切削得到两种不同切削方向的除胶工具。图9为两种切削方向下CF在刃口处的取向。

分别测试两种切削方向下的CA-30在15次除胶作业过程中的除胶力。图10为两种切削方向下的CA-30在15次除胶作业过程中的除胶力。从图10可以看出，MD方向和TD方向的CA-30在初始除胶力方面没有太大的差异，但随着除胶次数的增加，TD方向的工具除胶力有轻微增加的趋势。纤维的取向会影响复合材料的极限载荷^[20-22]。在MD方向下，工具的受力方向与CF的轴向一致，大部分应力由CF承担，纤维受到的是压缩应力；而在TD方向下，工具受力方向沿CF的径向传导，大部分应力由树脂基体承担，CF不能起到有效的增强作用，树脂基体受到的是剪切应力。碳纤维本身的抗压强度和弯曲模量均大于树脂的抗剪切强度，所以MD方向抵抗形变的效果优于TD方向，表现为具有更长的使用寿命。

3 结论

相比传统POM工具，CF/PEEK制成的除胶工具具有更低的除胶力和更长的使用寿命。CF质量分数为30%的工具，其初始除胶力比POM工具低15.3%，经过15次除胶作业，其除胶力相比初始状态仅增加9.3%，而POM工具15次除胶作业后的除胶力相比初始状态则增加32.6%。除胶工具经过多次除胶后除胶力上升是由于刃口发生弯曲形变。工具刃角在30°~45°范围内有较低的除胶力和较长的寿命。CF/PEEK中加入润滑材料制成的工具可以降低高切入速率下的除胶力，但工具耐用性会下降。沿MD切削制成的工具具有更长的使用寿命。

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