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复合材料怎么修复

浏览 发布时间 17/02/18
  随着纤维增强塑料所制成的构件越来越多的使用,尤其是在飞机和汽车行业,对构件修复专家的需求也不断增长。因此,我们特邀专门对复合材料修复专家进行培训的Rick van Opdorp,来告诉我们复合材料的修复是如何完成的。
Rick van Opdorp 和 Edwin Smarius 运营着一家名为ACRATS 培训服务的公司。在那里,他们专门对人们进行复合材料行业构件的修复方面的培训。“我们专注于任何有关飞机构件修复的事情。”Van Opdorp 说,“我们的课程涉及到金属板材、复合材料、耐腐蚀材料、密封剂等的制造、应用和修复。但是我们目前也收到了来自汽车行业的需求反馈。他们正在调研飞机的修复方法。纤维增强塑料已经得到了越来越多的应用,特别是在兰博基尼、宝马和阿尔法罗密欧等高级轿车上。”
正确修复纤维增强复合材料需要大量的专业知识。所以对复合材料修复专家的市场需求正在快速增长。例如当兰博基尼发布了他们的新款V-12 Aventador 时,由于此车采用了碳纤维硬壳式底盘,他们培训并且配有所谓的“飞行医生”来对坏掉的构件进行修复:带着加热工具箱的复合材料修复专家。
 
复制高压釜
在制造业中,复合材料结构件常常是在高压釜中进行固化的,高压釜基本上就是一个加热的压力容器。热使树脂快速固化,而压力则将材料压缩到一起以使它们强力结合,并且出口周围的树脂被压出。然而,对于修复来说,使用高压釜通常是不可能的。“你只能采用与制造时相同的材料来修复某个损坏的部件。”Van Opdorp 说道,“但是如果你使用高压釜,修复就会变得很昂贵,那么还不如订购一个新的部件来得实惠。因此为了尽可能多地复制高压釜过程,在修复时我们利用真空来吸出纤维层中间的空气,然后用热来使其固化,与室温相比,这能使它们结合得更快更强。如热焊机就是一台可用来调节真空和热的机器。通常树脂的固化需要72小时,现在能在1小时固化。那就节省了71小时和大量的金钱,因为把飞机一直放在地面上是很贵的。”
像热焊机这样的机器大多数情况下不是航空复合材料维修的必要条件,但Van Opdorp 认为这肯定是行业的趋势走向:“在修复的过程中,它不但提供热量,而且能记录整个修复的过程。例如部件在真空状态下一个小时,温度每分钟升高2℃,然后维持在60℃保持30 分钟,接着在再次冷却前,10分钟之内升高到120℃,并保持了30 分钟。你完全可以设定所有的这些。许多树脂和预浸料需要像那样进行固化,有时在120℃,有时180℃。因此你必须使用一些先进的设备。”
据Van Opdorp说,虽然仅局限于大气压力,但利用热焊机能达到与在高压釜里同等水平的修复质量。最后就剩下你怎么用砂纸把损坏的地方打磨光滑:“你移除了旧的片层,用上了一些新的。但是你经常得比原来的多用一到两个片层。那样的话强度就更高了。这种利用热焊机的修复方法也具有一样的效果,但是在打磨光滑损坏处时,你除去的树脂会比你用的多一点。”
 
检验
航空业中任何损伤修复的第一步都是检查损伤,并且手动检查,查看损伤程度以及那个部位的修复是否是原始设备制造商所允许的,及需要使用何种修复技术。每个厂家都有自己的手册。如果损坏太大,或者在没有任何标准修复可应用的区域,整个部件就得进行替换或者返回到厂家,使其得以利用部件最初制造时同样的工具进行“再制造”。
“检查始于视觉。”Van Opdorp解释道,“第一步彻底清洗组件,并检查是否有损坏。经过良好训练之后,用眼睛就可以发现层间剥离,因为该片层上下移动了一点儿。然而如果在蜂窝和片层之间有空隙,比如由于冰雹灾害造成的,你就看不见。修理工能够利用敲击测试,通过耳朵来发现向下多达有限数量的片层中的剥离。但如果分层是在40层,就需要诸如自动检测技术了,像柱塞检测器,它能把振动传递到材料里面,并且告知你部件是否已损坏。下一步就是利用超声波设备进行NDT(无损检测)了,这需要特殊的培训。”
检查的结果是得到了一份损坏情况的报告。然后将损伤分为三类。第一类是用维修手册中记载的方法可以修复。但是,如果损伤超出了维修手册里的损坏极限,要么需要设计一个新的修复过程,要么就是被认为无法弥补。因此一个很好的检查是非常重要的。即使是很小的裂缝,特别是在铆钉周围的,就会严重地影响航空安全。此外,与撕裂或孔洞相比,分层剥离需要不同的修补方法。
“在一个分层里,打磨其使之光滑,直到触及分层就够了,所以有时你仅仅需要打磨两层纤维。”Van Opdorp解释道,“伴随着冲击损伤,顶层下面的各层也损坏了。你常常不得不修复损坏的蜂窝或泡沫芯材。然后你得打磨所有的层,取出破损的蜂窝,放进去一个塞子。”
Van Opdorp表示,大部分损伤都是人为因素引起的:“例如,从机库里把飞机开出来,但机库门开得不够远,从而导致翼尖撞到门上。或者掉下来一个工具。纪律很重要,可以确保类似这样的事情得到报告。最大的危险就是飞机受损了却没有人报告。例如行李搬运工的手推车撞到了铝制飞机,你就能看到凹痕。但使用了复合材料之后你往往什么都看不见。尽管如此,仍可能会有一些无形的损伤。一项正在开发中的新技术就是利用装配有摄像头的无人机在刚刚降落的飞机周围飞行。”
 
去除损伤
“如果损伤必须去除,首先你得打磨油漆看看漆层下面是什么损伤。”Van Opdorp 说,“对损伤的地方进行标记,并且除去受影响的区域。”
对于这些片层,修复手册会规定是采用阶梯修复,还是挖补修复。“在挖补修复里,片层在孔内呈圆锥形进行了打磨。”Van Opdorp 阐述道,“在阶梯修复里,每个单独的片层在直径上都打磨掉了一英寸多。所以你可以真正地感受到材料的阶梯。挖补修复比阶梯修复容易打磨。在阶梯修复里,你必须精确打磨至一毫米的十分之一。这是非常困难的。你很容易就会移除过多的材料,造成额外的损伤。因此这真的是一个挑战。但从工程的角度来看,阶梯修复更好,因为它将剩余的纤维无缝连接到了构件上。”
 
接入新材料
一旦所有的损伤都去除了,那么就是添加新材料的时候了。首先你粘结了一个夹层材料塞子,使用制造时用的原始粘结剂,确保把它放入与现有夹层材料相同的取向。“重要的是,新材料需与底部纤维层以及周围的夹层材料很好地结合。经常使用的是含有发泡剂的粘合剂,例如聚氨酯泡沫,它一加热到120℃就会膨胀好几个百分数。这就确保了良好的结合。”Van Opdorp 说道。
直到芯材就位,并且处于正确的厚度时,你才可以接着使用纤维层。在每一层,原始材料和纤维取向都必须使用。
“然后你用到了真空袋,从使用双面胶带和聚四氟乙烯生料带开始。下一层是通气层,没有聚四氟乙烯,通气会粘到部件,在补丁固化后,就不可能再次把它取下来了。”Van Opdorp说。
一旦袋子有了足够的真空,所有的树脂熔化粘合剂就被推出到层外,进入通气层(随后充当分压器),确保纤维和树脂之间具有良好的质量比。你需要正确的纤维树脂比率,因为纤维和树脂的结合为材料提供了强度。
当材料固化后,整个真空袋可以简单地扯下。Van Opdorp说:“如果你做得正确,所有多余的粘合剂就会渗漏到分压器。适当的准备可以确保顶层表面的光滑。”
如果过量的粘合剂仍然存在,可以通过打磨法除去。但这得非常小心地做,因为你如果打磨进了纤维,那么你就削弱了材料。之后,再次检查修复效果,使用与前面的检查相同的准则。如果修复满足了所有的质量要求,喷上底漆和面漆,修复就完成了。
 
问题和局限性
Van Opdorp认为,目前航空业应用的修复方法确保了修复的质量和结构。而且它们适用于所有常见的纤维类型和编织样式。“加工芳纶纤维增强塑料确实会造成表面质量差,因为这种纤维容易起毛。用非常精细的砂纸可以打磨掉这些绒毛。”他说。
但是,如Van Opdorp 阐述的,目前的修复方法有局限性:“最新飞机结构件的问题在于,它们可以由80 层甚至更多层制成。”
因此即使是有限的损坏,你最终所做的仍是一项非常大的修复工程。因为对于每一层,你都得增加修复的表面积。一种传统的修复方法就是用螺栓固定一块钛板到构件上来修复损伤。但在构件上钻孔会削弱它,所以这也不是一个最佳的解决方案。
另外一个问题就是,复合材料非常昂贵,而且所有的制造商都使用的是不同的材料变种。因此,设想你得修复复合材料上的一个孔,需要2 米预浸料。现在你不得不买一整卷材料回来,而它具有有限的产品保质期。那么很可能在失效日期之前,你不再需要相同的材料。这就意味着得丢掉剩余的昂贵的优质材料。
航空业所使用的复合材料修复方法也可以应用于其他领域,如风车行业和游艇。航空行业修复必须满足严格的规定和要求,目前这些还没进入船舶或者汽车行业。但是汽车车身车间组织能为复合材料结构部件提供高质量的修复,这对他们来说尤其是个巨大的利益。