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碳纖維增強聚合物復合材料如何延壽？—修復結構損傷

2016-02-19 16:33:19 作者：任攀來源：

自1959 年日本的Shindo A 教授首次采用美國聚丙烯腈（PAN）制造出碳纖維，到大谷教授使用一般化工產品（瀝青）成功制造出碳纖維，碳纖維便通過碳化和石墨化加工，率先集中應用于火箭噴嘴。隨著日本、美國以及歐洲國家制備技術的發展，碳纖維性能大幅度提升，成本大幅度降低，碳纖維主要作為增強材料的復合材料，迅速廣泛應用于航天航空、軍事裝備、建筑業以及高端體育器具產業等領域。

伴隨著復合材料的廣泛使用，人們發現復合材料表面受到沖擊后，極易出現表面凹坑、分層以及劃傷等損傷，這就引起了人們對于使用碳纖維材料修復表面損傷的關注。與機械連接極易造成的應力集中、機構增重以及氣動性的改變相比，碳纖維復合材料修復損傷多使用膠結方法，其具有效率高、應力分布均勻、修復效果好以及系統增重小的特點，還具有設備簡易、生產率較高以及成本較低的特點，滿足現階段修理技術的變革，碳纖維復合材料修復損傷將擁有更為寬廣的研究和應用前景。

一、碳纖維復合材料修復損傷的應用現狀

碳纖維復合材料修復表面損傷在較多的領域都有應用，包括航空航天、武器裝備及遠洋船舶等。本文主要選取飛機表面損傷的維修進行介紹。

1 、國內的應用現狀

我國專家近些年通過深入地研究和探索，形成了《復合材料結構修復指南》。這個較為系統的手冊僅適用于軍用飛行器，對于民用飛行器的維修研究極為欠缺，特別是在碳纖維復合材料表面修復領域，缺少諸如理論的總結、實踐工作量的積累以及修復后的考核試用等方面的內容。國內部分學者已經深刻意識到問題的嚴重性，并已經開始了相關的大量研究。2002 年，陳紹杰首次詳細介紹了FAA 的咨詢通告AC20-107A 的內容，提出復合材料修復飛機的標準化需求以及適航準則。2010 年，鄒田春對民機復合材料修理適航審定現狀進行了較為全面的分析。2011 年，梁艷勤對使用復合材料修復民用飛機的容限和適航審定進行了研究，為碳纖維復合材料修復飛機損傷提供了實踐指導。

飛機的表面損傷及修復形式主要包括層壓板極易出現的表面凹坑、劃傷、穿透等。孫凱等使用熱補的方法分別對單面面板損傷、面板和芯子損傷以及貫穿損傷的蜂窩夾層結構的表面進行修復，并對挖補修理的強度進行試驗分析，結果表明強度均能恢復到新品的87%以上，再次發生損傷的部位絕大部分出現在損傷修補的邊緣。王曉澎采用與預浸料修補不同的濕法修補，對采用雙組分樹脂的修復步驟進行介紹。

國內學者對于飛行器表面修理中固化技術有也較多進展。陳明華等使用熱補和微波兩種固化方式，對碳纖維/環氧樹脂復合材料進行固化，通過對固化后樣品進行的分析，得到微波固化的復合材料性能較優，固化時間較大幅度減少。許陸文成功開發出修復時間僅有20~24 s的便攜式碳纖維/環氧樹脂復合材料的修復設備，通過測試發現，修復件的性能基本達到原件水平。

2 、國外現狀分析

航空領域國外對于碳纖維修復損傷的研究開展較早。20 世紀70 年代初期，澳大利亞研究人員Alan Baker博士就使用碳纖維復合材料對金屬飛機損傷修復進行了探索，并首次運用在飛機結構件的維修。現階段，國外對于碳纖維復合材料修復飛行器損傷主要采用膠結修復的方式，截止2010 年，北約國家使用碳纖維復合材料修復結構損傷已超過萬例。相對于國內絕大多數飛行器“無手冊”指導工藝的現狀，國外在修復上雖然也存在較多難題，但已經編寫出使用碳纖維復合材料修復損傷的手冊，它們既可以作為運輸類飛機適航標準，也可作為通用飛機修復指導手冊，包括美國聯邦航空規章第25 部（Airworthiness standard: transportcategoryairplanes，FAR25）、第23 部（Airworthinessstandard: Normal utility，acrobatic，and commuter categoryairplanes，FAR23）、第21 部（Airworthiness standard:Certification procedures for products and parts，FAR21），這三部手冊主要介紹碳纖維復合材料修復損傷中需要注意的技術要求、工藝標準以及安全性要求，如氣動彈性穩定性、結構保護、材料選擇等與適航緊密相連的內容。

2009 年9 月，FAA 頒布了復合材料結構審定通告AC20-107B，明確提出了碳纖維復合材料結構飛機的修理后適航要求，并初次提出積木式實驗驗證方法。

二、碳纖維復合材料修復表面損傷的應用前景

近年來，碳纖維復合材料修復表面損傷應用已經從傳統的房屋加固向航空航天、高速鐵路及遠洋船舶等高新科技領域延伸。使用碳纖維復合材料對遠洋船舶的大型蒸汽管道表面進行原位固化修復，徹底實現不減動力、不停機和不停船就完成了對高溫高壓蒸汽管道進行修復。下面將結合碳纖維復合材料修復表面損傷的現狀，總結未來碳纖維復合材料在修復表面損傷的新應用前景。

1、航空航天領域

現階段，航空航天裝備中碳纖維復合材料的用量逐漸增大，其表面修復必須要考慮修復材料自身的性能、修復材料與被修復表面的界面結合性能以及修復工藝方法可行性。碳纖維復合材料自身密度低，修復后的結構增重較少，對于需要對稱平衡的結構（如輕型飛機的襟翼），可以較大地降低非對稱情況發生；其自身熱膨脹系數低、高溫力學性能穩定，現階段最適合對在真空和高溫的環境下工作的航空航天裝備進行維修；其具有較高的比剛度及比強度，使得修復后的結構性能恢復率較高，不僅可以恢復到可用程度，還可能達到甚至超過新品的性能指標；其固化前的形狀可控，特別適合對于結構復雜和精密的航空航天設備進行修復；其修復過程不同于簡單的機械修復，后者可能在待修復表面進行機械處理，造成待修復件的二次損傷，而碳纖維復合材料修復表面損傷僅對表面進行粘接修復，不破壞原有的性能；其修復工藝中溫度等參數完全可控，通過對參數的控制，得到修復人員所需性能的修復貼片。

綜上所述，碳纖維復合材料表面修復方法適合對航空航天裝備的表面進行修復。下階段碳纖維復合材料修復表面損傷的方法重點應尋求工藝的突破，通過使用真空導入的工藝，對待修復表面進行迅速修復，既可以降低對難長期存儲、成本較高以及加工難度高的預浸料的依賴，還可以在黏度較小的基體樹脂中均勻分撒增強顆粒、球體及纖維等，從而達到增強修復區域修復后性能的目的。

2 、管道修復領域

傳統對于管道的修復主要包括焊接和夾具修復兩種方法，采用夾具的方法修復損傷管道工藝雖然較為簡易，但難以控制修復質量；采用焊接方法，雖然可以較大程度上恢復表面的性能，但無法在帶壓工作下進行修復。

劉國對北京高壓燃氣主干線使用碳纖維復合材料帶壓修復進行了報道，整個修復工藝免焊不動火，在4h 內安全地對管道表面損傷結構進行了修復，修復后強度恢復到了安全運行壓力水平。這說明碳纖維復合材料修復技術適合修復復雜工況下的管道表面損傷，未來可以更多應用于其他不同復雜工況的管道修復作業。

但使用碳纖維復合材料修復管道表面也存在問題，洪雨曾指出碳纖維復合材料貼片表層和待修復表面之間會形成電化學腐蝕，造成性能急劇下降。筆者在以往試驗中發現，碳基的復合材料補片和金屬基的待修復表面界面結合性能較差。在未來管道修復領域，如何解決修復界面的結合性能和電偶腐蝕是碳纖維復合材料用于管道修復的關鍵問題。

3 、其他領域

碳纖維復合材料表面修復技術在戰傷裝備快速修復、汽車行業、文物建筑加固以及自修復材料等領域都有較為廣闊的應用前景。

三、結語

碳纖維復合材料表面修復技術是粘接修復方法中最為關鍵的技術，也是在高新領域應用頻率最高、范圍最廣、研究最多的技術。要進一步對碳纖維復合材料修復表面損傷進行研究，解決電化學腐蝕、界面結合能力較差、層間性能較弱以及成本較高等關鍵問題，進而實現碳纖維復合材料表面修復技術在更多的領域得以應用，并大力優化復合材料表面修復工藝，從而盡快地使之成為一種便捷的修理方法，從實驗室、專用修理間逐步大規模工業化。