復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)概述

李長(zhǎng)青， 任攀， 周雷

（裝甲兵工程學(xué)院 裝備維修與再制造工程系，北京 100072）

0 引言

20世紀(jì)40年代，為滿足航空工業(yè)發(fā)展的需求，美國(guó)生產(chǎn)出了第一代復(fù)合材料—玻璃纖維增強(qiáng)塑料，自此復(fù)合材料走入了人們的視線中。20世紀(jì)90年代，波音787飛機(jī)大范圍使用新型碳纖維復(fù)合材料，標(biāo)志著復(fù)合材料技術(shù)已經(jīng)較為成熟，材料已克服成本障礙，應(yīng)用于越來(lái)越多高性能結(jié)構(gòu)中，新型材料用量占整體結(jié)構(gòu)總質(zhì)量不低于50%。現(xiàn)階段高性能新型復(fù)合材料已經(jīng)進(jìn)入許多關(guān)鍵領(lǐng)域，如運(yùn)行在鐵路線路上的高速列車(chē)［1］。

復(fù)合材料優(yōu)越的性能展現(xiàn)在越來(lái)越多的領(lǐng)域。20世紀(jì)70年代初期，澳大利亞研究人員Alan Baker博士就已經(jīng)開(kāi)始對(duì)金屬飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)進(jìn)行了探索［2］，并首次運(yùn)用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的維修。復(fù)合材料修復(fù)結(jié)構(gòu)損傷已經(jīng)作為對(duì)精密部件修復(fù)的首選技術(shù)。截止2010年，北約國(guó)家在用復(fù)合材料修復(fù)結(jié)構(gòu)損傷已超過(guò)萬(wàn)例［3］。

相比與傳統(tǒng)機(jī)械聯(lián)接，復(fù)合材料修復(fù)損傷技術(shù)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(chē)結(jié)構(gòu)件得到應(yīng)用，并逐漸涉及生物學(xué)，力學(xué)，材料，醫(yī)學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域及學(xué)科［4］。本文主要介紹碳纖維復(fù)合材料修復(fù)損傷技術(shù)。

1 碳纖維修復(fù)損傷介紹

碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)是指用高性能的碳纖維復(fù)合材料修補(bǔ)缺陷或損傷的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)降低裂紋的擴(kuò)展速率、制止裂紋的擴(kuò)展、降低結(jié)構(gòu)損傷部位的應(yīng)力水平的效果，在一定程度上提高臨界裂紋長(zhǎng)度，使損傷構(gòu)件的功能和承載能力得以最大限度的恢復(fù)，達(dá)到延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命的目的［5］。

復(fù)合材料修復(fù)結(jié)構(gòu)技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn)：

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

2）最大程度恢復(fù)和增強(qiáng)原始結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(jié)構(gòu)整體增重小。

4）新型復(fù)合材料修復(fù)后的結(jié)構(gòu)抗疲勞性能和耐腐蝕性能良好。

5）復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)消耗時(shí)間短、經(jīng)濟(jì)性好、成本低。

6）復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)適用于修理各種復(fù)雜表面，有效恢復(fù)原有結(jié)構(gòu)形狀，保持光滑氣動(dòng)外形［6］。

2 碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域及研究現(xiàn)狀

碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)應(yīng)用廣泛，并逐漸成為重點(diǎn)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(chē)，結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁特大橋。其承載力近年來(lái)明顯下降。檢測(cè)大橋的基本結(jié)構(gòu)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(fù)合材料修補(bǔ)、加固橋梁效果顯著。日本也采用這種工藝對(duì)大地震造成損壞的鋼筋混凝土橋板、橋墩進(jìn)行修補(bǔ)作業(yè)［8］。

碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)不只于應(yīng)用修復(fù)橋梁損傷，在其他領(lǐng)域也有很好的成效。2007年6月，鄯善輸氣站進(jìn)行了腐蝕缺陷檢測(cè)，并少量進(jìn)行開(kāi)挖驗(yàn)證。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)多處管體腐蝕缺陷，最嚴(yán)重處達(dá)到壁厚的67%，常規(guī)的焊接修復(fù)方法難以進(jìn)行修復(fù)。綜合考慮下游居民、企業(yè)的正常用氣以及可能會(huì)給輸油公司造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失等多方面因素，最終選用碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)。測(cè)試發(fā)現(xiàn)管道均恢復(fù)了正常的運(yùn)行壓力［9］。

近些年在對(duì)海底管道例行的檢測(cè)中，檢測(cè)人員發(fā)現(xiàn)渤西中段海管登陸段管道多處達(dá)到高風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)。為保證海上油氣田的生產(chǎn)安全，最終采用PerpeWrap復(fù)合材料系統(tǒng)對(duì)高危段管道進(jìn)行了修復(fù)［10］。

2.1 碳纖維表面處理

改善與提高纖維基體界面的結(jié)合強(qiáng)度，應(yīng)從增強(qiáng)界面結(jié)合能力的方式實(shí)現(xiàn)：增加基體對(duì)纖維表面的潤(rùn)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(tuán)對(duì)纖維進(jìn)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(xué)處理；2）電化學(xué)處理；3）偶聯(lián)劑處理；4）等離子體處理；5）高能輻照處理。當(dāng)前主要使用空氣氧化法和硝酸氧化法。

特別需要注意：復(fù)合材料成型模表面為了脫模，常涂有含氟聚合物或硅酮類(lèi)的脫模劑，這些脫模劑有可能降低碳纖維和基體材料的結(jié)合強(qiáng)度，也要對(duì)此情況進(jìn)行考慮［11］。

通過(guò)分析碳纖維（CF）增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)，濃硝酸對(duì)碳纖維表面刻蝕溝明顯，纖維與基體界面結(jié)合良好［12］。

特殊的纖維，其纖維表面需要進(jìn)行涂層處理等手段，使得結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到要求的水平；適時(shí)地發(fā)生界面脫粘，界面位置出現(xiàn)的裂縫生長(zhǎng)、伴隨的滑移、纖維拔出以及摩擦滑移過(guò)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(qiáng)復(fù)合材料的性能

對(duì)于連續(xù)纖維增強(qiáng)相，纖維的排列結(jié)構(gòu)方式大致可分為單取向、二維（2D）和三維（3D）。

二維織物增強(qiáng)聚合物基層壓結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)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(xué)性質(zhì)較差；易出現(xiàn)分層；抗沖擊性能；損傷容限較低。

三維結(jié)構(gòu)碳纖維在面內(nèi)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(nèi)方向的纖維捆綁成了一個(gè)整體。三維結(jié)構(gòu)的聚合物基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的整體性較高，抗分層性能較好。三維編織是解決分層問(wèn)題的有效途徑［14］。

三維編織纖維技術(shù)還可以運(yùn)用在零部件的設(shè)計(jì)中。針對(duì)一個(gè)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(shè)計(jì)編織方法，達(dá)到增強(qiáng)零部件整體性能的目的。

2.3 耐高溫高壓管路修復(fù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外管道修復(fù)方式及方法包括溝內(nèi)修復(fù)和溝外修復(fù)、停輸或不停輸修復(fù)、人工修復(fù)或機(jī)械化修復(fù)、內(nèi)修復(fù)和外修復(fù)等。其中較多地采用停輸修復(fù)的方式，對(duì)于不宜停輸?shù)墓艿酪嗖捎貌煌］數(shù)姆绞竭M(jìn)行修復(fù)。在允許停輸條件下，采用溝外修復(fù)方法多于溝內(nèi)修復(fù)法。

目前，國(guó)外采用較為多樣的內(nèi)修復(fù)方法，包括管道內(nèi)襯法、PE管道插入法或軟翻內(nèi)襯套修復(fù)法等。低壓天然氣管道、煤氣管道、自來(lái)水管道或污水管道等民用設(shè)施管道一般使用內(nèi)修復(fù)方法。對(duì)于高、中壓油氣管道等復(fù)雜管道，則多采用外修復(fù)法［25］。

外修復(fù)方法還可細(xì)分為管體缺陷補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)和管道防腐層修復(fù)。管體缺陷補(bǔ)強(qiáng)的方法一般有補(bǔ)焊、打補(bǔ)丁、半圓套管、整圓套管、環(huán)氧填充套筒修復(fù)以及復(fù)合材料修復(fù)。國(guó)內(nèi)的管道修復(fù)中已廣泛采用換管法、打補(bǔ)丁、金屬卡具法這三種方法。

國(guó)內(nèi)復(fù)合材料修復(fù)是一項(xiàng)較新的技術(shù)，2004年，四川省西南油氣田分公司首次應(yīng)用美國(guó)的Clock-spring復(fù)合材料貼片修復(fù)天然氣管道。在北美和歐洲的各類(lèi)油氣管道修復(fù)中此技術(shù)應(yīng)用已非常普遍，成為可供選擇的經(jīng)濟(jì)、有效的永久性管道修復(fù)方法。

復(fù)合材料修復(fù)的原理是將缺陷部位所承受的應(yīng)力通過(guò)高強(qiáng)度的填充物轉(zhuǎn)移至復(fù)合套筒上。常用的復(fù)合材料有加入玻璃纖維或碳纖維等強(qiáng)化物質(zhì)的基體材料。

管道補(bǔ)強(qiáng)套件可用于腐蝕或損傷程度低于80%的管道補(bǔ)強(qiáng)。修復(fù)后的管道，其承壓能力將會(huì)100%地恢復(fù)到新建管道的水平。

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