復合材料怎么修復

  隨著纖維增強塑料所制成的構件越來越多的使用，尤其是在飛機和汽車行業，對構件修復專家的需求也不斷增長。因此，我們特邀專門對復合材料修復專家進行培訓的Rick van Opdorp，來告訴我們復合材料的修復是如何完成的。
Rick van Opdorp 和 Edwin Smarius 運營著一家名為ACRATS 培訓服務的公司。在那里，他們專門對人們進行復合材料行業構件的修復方面的培訓?！拔覀儗Ｗ⒂谌魏斡嘘P飛機構件修復的事情?！盫an Opdorp 說，“我們的課程涉及到金屬板材、復合材料、耐腐蝕材料、密封劑等的制造、應用和修復。但是我們目前也收到了來自汽車行業的需求反饋。他們正在調研飛機的修復方法。纖維增強塑料已經得到了越來越多的應用，特別是在蘭博基尼、寶馬和阿爾法羅密歐等高級轎車上?！?br/>正確修復纖維增強復合材料需要大量的專業知識。所以對復合材料修復專家的市場需求正在快速增長。例如當蘭博基尼發布了他們的新款V-12 Aventador 時，由于此車采用了碳纖維硬殼式底盤，他們培訓并且配有所謂的“飛行醫生”來對壞掉的構件進行修復：帶著加熱工具箱的復合材料修復專家。
 
復制高壓釜
在制造業中，復合材料結構件常常是在高壓釜中進行固化的，高壓釜基本上就是一個加熱的壓力容器。熱使樹脂快速固化，而壓力則將材料壓縮到一起以使它們強力結合，并且出口周圍的樹脂被壓出。然而，對于修復來說，使用高壓釜通常是不可能的?！澳阒荒懿捎门c制造時相同的材料來修復某個損壞的部件?！盫an Opdorp 說道，“但是如果你使用高壓釜，修復就會變得很昂貴，那么還不如訂購一個新的部件來得實惠。因此為了盡可能多地復制高壓釜過程，在修復時我們利用真空來吸出纖維層中間的空氣，然后用熱來使其固化，與室溫相比，這能使它們結合得更快更強。如熱焊機就是一臺可用來調節真空和熱的機器。通常樹脂的固化需要72小時，現在能在1小時固化。那就節省了71小時和大量的金錢，因為把飛機一直放在地面上是很貴的?！?br/>像熱焊機這樣的機器大多數情況下不是航空復合材料維修的必要條件，但Van Opdorp 認為這肯定是行業的趨勢走向：“在修復的過程中，它不但提供熱量，而且能記錄整個修復的過程。例如部件在真空狀態下一個小時，溫度每分鐘升高2℃，然后維持在60℃保持30 分鐘，接著在再次冷卻前，10分鐘之內升高到120℃，并保持了30 分鐘。你完全可以設定所有的這些。許多樹脂和預浸料需要像那樣進行固化，有時在120℃，有時180℃。因此你必須使用一些先進的設備?！?br/>據Van Opdorp說，雖然僅局限于大氣壓力，但利用熱焊機能達到與在高壓釜里同等水平的修復質量。最后就剩下你怎么用砂紙把損壞的地方打磨光滑：“你移除了舊的片層，用上了一些新的。但是你經常得比原來的多用一到兩個片層。那樣的話強度就更高了。這種利用熱焊機的修復方法也具有一樣的效果，但是在打磨光滑損壞處時，你除去的樹脂會比你用的多一點?！?br/> 
檢驗
航空業中任何損傷修復的第一步都是檢查損傷，并且手動檢查，查看損傷程度以及那個部位的修復是否是原始設備制造商所允許的，及需要使用何種修復技術。每個廠家都有自己的手冊。如果損壞太大，或者在沒有任何標準修復可應用的區域，整個部件就得進行替換或者返回到廠家，使其得以利用部件最初制造時同樣的工具進行“再制造”。
“檢查始于視覺?！盫an Opdorp解釋道，“第一步徹底清洗組件，并檢查是否有損壞。經過良好訓練之后，用眼睛就可以發現層間剝離，因為該片層上下移動了一點兒。然而如果在蜂窩和片層之間有空隙，比如由于冰雹災害造成的，你就看不見。修理工能夠利用敲擊測試，通過耳朵來發現向下多達有限數量的片層中的剝離。但如果分層是在40層，就需要諸如自動檢測技術了，像柱塞檢測器，它能把振動傳遞到材料里面，并且告知你部件是否已損壞。下一步就是利用超聲波設備進行NDT（無損檢測）了，這需要特殊的培訓?！?br/>檢查的結果是得到了一份損壞情況的報告。然后將損傷分為三類。第一類是用維修手冊中記載的方法可以修復。但是，如果損傷超出了維修手冊里的損壞極限，要么需要設計一個新的修復過程，要么就是被認為無法彌補。因此一個很好的檢查是非常重要的。即使是很小的裂縫，特別是在鉚釘周圍的，就會嚴重地影響航空安全。此外，與撕裂或孔洞相比，分層剝離需要不同的修補方法。
“在一個分層里，打磨其使之光滑，直到觸及分層就夠了，所以有時你僅僅需要打磨兩層纖維?！盫an Opdorp解釋道，“伴隨著沖擊損傷，頂層下面的各層也損壞了。你常常不得不修復損壞的蜂窩或泡沫芯材。然后你得打磨所有的層，取出破損的蜂窩，放進去一個塞子?！?br/>Van Opdorp表示，大部分損傷都是人為因素引起的：“例如，從機庫里把飛機開出來，但機庫門開得不夠遠，從而導致翼尖撞到門上?；蛘叩粝聛硪粋€工具。紀律很重要，可以確保類似這樣的事情得到報告。最大的危險就是飛機受損了卻沒有人報告。例如行李搬運工的手推車撞到了鋁制飛機，你就能看到凹痕。但使用了復合材料之后你往往什么都看不見。盡管如此，仍可能會有一些無形的損傷。一項正在開發中的新技術就是利用裝配有攝像頭的無人機在剛剛降落的飛機周圍飛行?！?br/> 
去除損傷
“如果損傷必須去除，首先你得打磨油漆看看漆層下面是什么損傷?！盫an Opdorp 說，“對損傷的地方進行標記，并且除去受影響的區域?！?br/>對于這些片層，修復手冊會規定是采用階梯修復，還是挖補修復?！霸谕谘a修復里，片層在孔內呈圓錐形進行了打磨?！盫an Opdorp 闡述道，“在階梯修復里，每個單獨的片層在直徑上都打磨掉了一英寸多。所以你可以真正地感受到材料的階梯。挖補修復比階梯修復容易打磨。在階梯修復里，你必須精確打磨至一毫米的十分之一。這是非常困難的。你很容易就會移除過多的材料，造成額外的損傷。因此這真的是一個挑戰。但從工程的角度來看，階梯修復更好，因為它將剩余的纖維無縫連接到了構件上?！?br/> 
接入新材料
一旦所有的損傷都去除了，那么就是添加新材料的時候了。首先你粘結了一個夾層材料塞子，使用制造時用的原始粘結劑，確保把它放入與現有夾層材料相同的取向?！爸匾氖?，新材料需與底部纖維層以及周圍的夾層材料很好地結合。經常使用的是含有發泡劑的粘合劑，例如聚氨酯泡沫，它一加熱到120℃就會膨脹好幾個百分數。這就確保了良好的結合?！盫an Opdorp 說道。
直到芯材就位，并且處于正確的厚度時，你才可以接著使用纖維層。在每一層，原始材料和纖維取向都必須使用。
“然后你用到了真空袋，從使用雙面膠帶和聚四氟乙烯生料帶開始。下一層是通氣層，沒有聚四氟乙烯，通氣會粘到部件，在補丁固化后，就不可能再次把它取下來了?！盫an Opdorp說。
一旦袋子有了足夠的真空，所有的樹脂熔化粘合劑就被推出到層外，進入通氣層（隨后充當分壓器），確保纖維和樹脂之間具有良好的質量比。你需要正確的纖維樹脂比率，因為纖維和樹脂的結合為材料提供了強度。
當材料固化后，整個真空袋可以簡單地扯下。Van Opdorp說：“如果你做得正確，所有多余的粘合劑就會滲漏到分壓器。適當的準備可以確保頂層表面的光滑?！?br/>如果過量的粘合劑仍然存在，可以通過打磨法除去。但這得非常小心地做，因為你如果打磨進了纖維，那么你就削弱了材料。之后，再次檢查修復效果，使用與前面的檢查相同的準則。如果修復滿足了所有的質量要求，噴上底漆和面漆，修復就完成了。
 
問題和局限性
Van Opdorp認為，目前航空業應用的修復方法確保了修復的質量和結構。而且它們適用于所有常見的纖維類型和編織樣式?！凹庸し季]纖維增強塑料確實會造成表面質量差，因為這種纖維容易起毛。用非常精細的砂紙可以打磨掉這些絨毛?！彼f。
但是，如Van Opdorp 闡述的，目前的修復方法有局限性：“最新飛機結構件的問題在于，它們可以由80 層甚至更多層制成?！?br/>因此即使是有限的損壞，你最終所做的仍是一項非常大的修復工程。因為對于每一層，你都得增加修復的表面積。一種傳統的修復方法就是用螺栓固定一塊鈦板到構件上來修復損傷。但在構件上鉆孔會削弱它，所以這也不是一個最佳的解決方案。
另外一個問題就是，復合材料非常昂貴，而且所有的制造商都使用的是不同的材料變種。因此，設想你得修復復合材料上的一個孔，需要2 米預浸料?，F在你不得不買一整卷材料回來，而它具有有限的產品保質期。那么很可能在失效日期之前，你不再需要相同的材料。這就意味著得丟掉剩余的昂貴的優質材料。
航空業所使用的復合材料修復方法也可以應用于其他領域，如風車行業和游艇。航空行業修復必須滿足嚴格的規定和要求，目前這些還沒進入船舶或者汽車行業。但是汽車車身車間組織能為復合材料結構部件提供高質量的修復，這對他們來說尤其是個巨大的利益。

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