復合材料修復技術概述

李長青， 任攀， 周雷

（裝甲兵工程學院 裝備維修與再制造工程系，北京 100072）

0 引言

20世紀40年代，為滿足航空工業(yè)發(fā)展的需求，美國生產(chǎn)出了第一代復合材料—玻璃纖維增強塑料，自此復合材料走入了人們的視線中。20世紀90年代，波音787飛機大范圍使用新型碳纖維復合材料，標志著復合材料技術已經(jīng)較為成熟，材料已克服成本障礙，應用于越來越多高性能結構中，新型材料用量占整體結構總質量不低于50%。現(xiàn)階段高性能新型復合材料已經(jīng)進入許多關鍵領域，如運行在鐵路線路上的高速列車［1］。

復合材料優(yōu)越的性能展現(xiàn)在越來越多的領域。20世紀70年代初期，澳大利亞研究人員Alan Baker博士就已經(jīng)開始對金屬飛機結構損傷修復進行了探索［2］，并首次運用在飛機結構件的維修。復合材料修復結構損傷已經(jīng)作為對精密部件修復的首選技術。截止2010年，北約國家在用復合材料修復結構損傷已超過萬例［3］。

相比與傳統(tǒng)機械聯(lián)接，復合材料修復損傷技術具有明顯的優(yōu)越性。現(xiàn)階段已經(jīng)在航空、航天飛行器，高速列車結構件得到應用，并逐漸涉及生物學，力學，材料，醫(yī)學和計算機技術等領域及學科［4］。本文主要介紹碳纖維復合材料修復損傷技術。

1 碳纖維修復損傷介紹

碳纖維復合材料修復技術是指用高性能的碳纖維復合材料修補缺陷或損傷的結構，實現(xiàn)降低裂紋的擴展速率、制止裂紋的擴展、降低結構損傷部位的應力水平的效果，在一定程度上提高臨界裂紋長度，使損傷構件的功能和承載能力得以最大限度的恢復，達到延長結構使用壽命的目的［5］。

復合材料修復結構技術有如下優(yōu)點：

1）新型修復方法不破壞結構的原始狀態(tài)，并較大程度地減少應力集中、改善承載情況以及避免二次損傷，從而提高結構性能。

2）最大程度恢復和增強原始結構的強度和剛度。

3）由于纖維及基體材料的密度較小，相比于原始修理方法，新型修理方法修理后結構整體增重小。

4）新型復合材料修復后的結構抗疲勞性能和耐腐蝕性能良好。

5）復合材料修復技術消耗時間短、經(jīng)濟性好、成本低。

6）復合材料修復技術適用于修理各種復雜表面，有效恢復原有結構形狀，保持光滑氣動外形［6］。

2 碳纖維復合材料修復技術應用領域及研究現(xiàn)狀

碳纖維復合材料修復技術應用廣泛，并逐漸成為重點注目的研究和發(fā)展課題［7］。1982年，阿拉爾塔里木河大橋建成通車，結構為鋼筋混凝土簡支T梁特大橋。其承載力近年來明顯下降。檢測大橋的基本結構損傷后，確定使用粘貼碳纖維布的加固方案，獲得圓滿成功。碳纖維復合材料修補、加固橋梁效果顯著。日本也采用這種工藝對大地震造成損壞的鋼筋混凝土橋板、橋墩進行修補作業(yè)［8］。

碳纖維復合材料修復技術不只于應用修復橋梁損傷，在其他領域也有很好的成效。2007年6月，鄯善輸氣站進行了腐蝕缺陷檢測，并少量進行開挖驗證。檢測發(fā)現(xiàn)多處管體腐蝕缺陷，最嚴重處達到壁厚的67%，常規(guī)的焊接修復方法難以進行修復。綜合考慮下游居民、企業(yè)的正常用氣以及可能會給輸油公司造成巨大的經(jīng)濟損失等多方面因素，最終選用碳纖維復合材料修復技術。測試發(fā)現(xiàn)管道均恢復了正常的運行壓力［9］。

近些年在對海底管道例行的檢測中，檢測人員發(fā)現(xiàn)渤西中段海管登陸段管道多處達到高風險評級。為保證海上油氣田的生產(chǎn)安全，最終采用PerpeWrap復合材料系統(tǒng)對高危段管道進行了修復［10］。

2.1 碳纖維表面處理

改善與提高纖維基體界面的結合強度，應從增強界面結合能力的方式實現(xiàn)：增加基體對纖維表面的潤濕性能，去除纖維表面的污染層，增加纖維表面的粗糙度，引入一些極性基團對纖維進行活化，以及多種方法共同使用等。

處理纖維表面常用的方法有如下幾種。1）濕化學處理；2）電化學處理；3）偶聯(lián)劑處理；4）等離子體處理；5）高能輻照處理。當前主要使用空氣氧化法和硝酸氧化法。

特別需要注意：復合材料成型模表面為了脫模，常涂有含氟聚合物或硅酮類的脫模劑，這些脫模劑有可能降低碳纖維和基體材料的結合強度，也要對此情況進行考慮［11］。

通過分析碳纖維（CF）增強熱塑性復合材料的力學性能發(fā)現(xiàn)，濃硝酸對碳纖維表面刻蝕溝明顯，纖維與基體界面結合良好［12］。

特殊的纖維，其纖維表面需要進行涂層處理等手段，使得結合強度達到要求的水平；適時地發(fā)生界面脫粘，界面位置出現(xiàn)的裂縫生長、伴隨的滑移、纖維拔出以及摩擦滑移過程中，吸收較多的能量，使材料保持較好的韌性［13］。

2.2 碳纖維三維編織方法增強復合材料的性能

對于連續(xù)纖維增強相，纖維的排列結構方式大致可分為單取向、二維（2D）和三維（3D）。

二維織物增強聚合物基層壓結構復合材料的發(fā)展和應用已經(jīng)較為成熟，但這種工藝本身存在一系列不可抗拒的缺陷，造成在厚度方向的力學性質較差；易出現(xiàn)分層；抗沖擊性能；損傷容限較低。

三維結構碳纖維在面內方向和厚度方向都有一定比例的纖維，厚度方向的纖維將各層的面內方向的纖維捆綁成了一個整體。三維結構的聚合物基復合材料結構的整體性較高，抗分層性能較好。三維編織是解決分層問題的有效途徑［14］。

三維編織纖維技術還可以運用在零部件的設計中。針對一個零部件的工作環(huán)境、受載荷情況以及其他諸多條件，利用特定原料，特別設計編織方法，達到增強零部件整體性能的目的。

2.3 耐高溫高壓管路修復技術發(fā)展現(xiàn)狀

國外管道修復方式及方法包括溝內修復和溝外修復、停輸或不停輸修復、人工修復或機械化修復、內修復和外修復等。其中較多地采用停輸修復的方式，對于不宜停輸?shù)墓艿酪嗖捎貌煌］數(shù)姆绞竭M行修復。在允許停輸條件下，采用溝外修復方法多于溝內修復法。

目前，國外采用較為多樣的內修復方法，包括管道內襯法、PE管道插入法或軟翻內襯套修復法等。低壓天然氣管道、煤氣管道、自來水管道或污水管道等民用設施管道一般使用內修復方法。對于高、中壓油氣管道等復雜管道，則多采用外修復法［25］。

外修復方法還可細分為管體缺陷補強修復和管道防腐層修復。管體缺陷補強的方法一般有補焊、打補丁、半圓套管、整圓套管、環(huán)氧填充套筒修復以及復合材料修復。國內的管道修復中已廣泛采用換管法、打補丁、金屬卡具法這三種方法。

國內復合材料修復是一項較新的技術，2004年，四川省西南油氣田分公司首次應用美國的Clock-spring復合材料貼片修復天然氣管道。在北美和歐洲的各類油氣管道修復中此技術應用已非常普遍，成為可供選擇的經(jīng)濟、有效的永久性管道修復方法。

復合材料修復的原理是將缺陷部位所承受的應力通過高強度的填充物轉移至復合套筒上。常用的復合材料有加入玻璃纖維或碳纖維等強化物質的基體材料。

管道補強套件可用于腐蝕或損傷程度低于80%的管道補強。修復后的管道，其承壓能力將會100%地恢復到新建管道的水平。

［1］ 沈真.碳纖維復合材料在飛機結構中的應用［J］.高科技纖維與應用，2010（4）：1-4.

［2］ 王躍全，童明波.復合材料補片膠接修理參數(shù)分析［C］//中國科學技術協(xié)會.節(jié)能環(huán)保和諧發(fā)展--2007中國科協(xié)年會論文集（一），2007：1-9.

［3］ Kumar A M，HAKEEM S A.Optimum Design of Symmetric Composite Patch Repair to Centre Cracked Metallic Sheet［J］.Composition Structures，2000，49（3）：285-292

［4］ 陳浩然.先進復合材料結構、制造、理論和應用最新進展［J］復合材料學報，2000，27（2）：15-17

［5］ 付國正.復合材料修理金屬結構的應用技術［J］.直升機技術，2007（1）：62-66.

［6］ BAKER A A.Bonded Repair of Aircraft Structure［M］.Dordrecht，Netherlands ：Martinus Nijhoff Publishers，1988.

［7］ 王秀秀.碳纖維復合材料加固修補技術中的工藝力學問題研究［D］.大連：大連理工大學，2010.

［8］ MAHLER M A.Bonded CompositeRepairofComposite Structures［D］.Los Angeles：University of California，1999.

［9］ 徐維強.碳纖維復合材料的新應用［J］.纖維復合材料，1996（3）：49-53.

［10］ 付明福，梁宏，劉國，等.碳纖維復合材料修補缺陷管道的應用實踐［J］.油氣儲運，2009（2）：68-70，9.

［11］ SERAFINI T T，DELVIGS P，LIGHTSEY G.Thermally Stable Polyimides from Solutions of Monomeric Reactants［J］.Journal of Applied Polymer Science，1972，16（4）：905-915.

［12］ CLARKE D R.Interpenetrating Phase Composites［J］.Journal of the American Ceramic Society，1992，75（4）：739-753.

［13］ 宋艷江，高鑫，朱鵬，等.表面處理碳纖維增、強聚酰亞胺復合材料力學性能［J］.復合材料學報，2008（5）：64-68.

［14］ 謝劍飛.三維機織物增強PMR型聚酰亞胺復合材料的制備、表征及粘結性能研究［D］.上海：東華大學，2011.

［15］ 王玉梅，劉艷雙，張延萍，等.國外油氣管道修復技術［J］.油氣儲運，2005（12）：13-16，83，73.