隨著纖維增強(qiáng)塑料所制成的構(gòu)件越來越多的使用，尤其是在飛機(jī)和汽車行業(yè)，對(duì)構(gòu)件修復(fù)專家的需求也不斷增長(zhǎng)。因此，我們特邀專門對(duì)復(fù)合材料修復(fù)專家進(jìn)行培訓(xùn)的Rick van Opdorp，來告訴我們復(fù)合材料的修復(fù)是如何完成的。
Rick van Opdorp 和 Edwin Smarius 運(yùn)營(yíng)著一家名為ACRATS 培訓(xùn)服務(wù)的公司。在那里，他們專門對(duì)人們進(jìn)行復(fù)合材料行業(yè)構(gòu)件的修復(fù)方面的培訓(xùn)?！拔覀儗Ｗ⒂谌魏斡嘘P(guān)飛機(jī)構(gòu)件修復(fù)的事情。”Van Opdorp 說，“我們的課程涉及到金屬板材、復(fù)合材料、耐腐蝕材料、密封劑等的制造、應(yīng)用和修復(fù)。但是我們目前也收到了來自汽車行業(yè)的需求反饋。他們正在調(diào)研飛機(jī)的修復(fù)方法。纖維增強(qiáng)塑料已經(jīng)得到了越來越多的應(yīng)用，特別是在蘭博基尼、寶馬和阿爾法羅密歐等高級(jí)轎車上。”
正確修復(fù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料需要大量的專業(yè)知識(shí)。所以對(duì)復(fù)合材料修復(fù)專家的市場(chǎng)需求正在快速增長(zhǎng)。例如當(dāng)蘭博基尼發(fā)布了他們的新款V-12 Aventador 時(shí)，由于此車采用了碳纖維硬殼式底盤，他們培訓(xùn)并且配有所謂的“飛行醫(yī)生”來對(duì)壞掉的構(gòu)件進(jìn)行修復(fù)：帶著加熱工具箱的復(fù)合材料修復(fù)專家。
 
復(fù)制高壓釜
在制造業(yè)中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件常常是在高壓釜中進(jìn)行固化的，高壓釜基本上就是一個(gè)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(qiáng)力結(jié)合，并且出口周圍的樹脂被壓出。然而，對(duì)于修復(fù)來說，使用高壓釜通常是不可能的?！澳阒荒懿捎门c制造時(shí)相同的材料來修復(fù)某個(gè)損壞的部件?！盫an Opdorp 說道，“但是如果你使用高壓釜，修復(fù)就會(huì)變得很昂貴，那么還不如訂購(gòu)一個(gè)新的部件來得實(shí)惠。因此為了盡可能多地復(fù)制高壓釜過程，在修復(fù)時(shí)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(jié)合得更快更強(qiáng)。如熱焊機(jī)就是一臺(tái)可用來調(diào)節(jié)真空和熱的機(jī)器。通常樹脂的固化需要72小時(shí)，現(xiàn)在能在1小時(shí)固化。那就節(jié)省了71小時(shí)和大量的金錢，因?yàn)榘扬w機(jī)一直放在地面上是很貴的?！?br/>像熱焊機(jī)這樣的機(jī)器大多數(shù)情況下不是航空復(fù)合材料維修的必要條件，但Van Opdorp 認(rèn)為這肯定是行業(yè)的趨勢(shì)走向：“在修復(fù)的過程中，它不但提供熱量，而且能記錄整個(gè)修復(fù)的過程。例如部件在真空狀態(tài)下一個(gè)小時(shí)，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(nèi)升高到120℃，并保持了30 分鐘。你完全可以設(shè)定所有的這些。許多樹脂和預(yù)浸料需要像那樣進(jìn)行固化，有時(shí)在120℃，有時(shí)180℃。因此你必須使用一些先進(jìn)的設(shè)備。”
據(jù)Van Opdorp說，雖然僅局限于大氣壓力，但利用熱焊機(jī)能達(dá)到與在高壓釜里同等水平的修復(fù)質(zhì)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(jīng)常得比原來的多用一到兩個(gè)片層。那樣的話強(qiáng)度就更高了。這種利用熱焊機(jī)的修復(fù)方法也具有一樣的效果，但是在打磨光滑損壞處時(shí)，你除去的樹脂會(huì)比你用的多一點(diǎn)?！?br/> 
檢驗(yàn)
航空業(yè)中任何損傷修復(fù)的第一步都是檢查損傷，并且手動(dòng)檢查，查看損傷程度以及那個(gè)部位的修復(fù)是否是原始設(shè)備制造商所允許的，及需要使用何種修復(fù)技術(shù)。每個(gè)廠家都有自己的手冊(cè)。如果損壞太大，或者在沒有任何標(biāo)準(zhǔn)修復(fù)可應(yīng)用的區(qū)域，整個(gè)部件就得進(jìn)行替換或者返回到廠家，使其得以利用部件最初制造時(shí)同樣的工具進(jìn)行“再制造”。
“檢查始于視覺。”Van Opdorp解釋道，“第一步徹底清洗組件，并檢查是否有損壞。經(jīng)過良好訓(xùn)練之后，用眼睛就可以發(fā)現(xiàn)層間剝離，因?yàn)樵撈瑢由舷乱苿?dòng)了一點(diǎn)兒。然而如果在蜂窩和片層之間有空隙，比如由于冰雹災(zāi)害造成的，你就看不見。修理工能夠利用敲擊測(cè)試，通過耳朵來發(fā)現(xiàn)向下多達(dá)有限數(shù)量的片層中的剝離。但如果分層是在40層，就需要諸如自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)了，像柱塞檢測(cè)器，它能把振動(dòng)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(shè)備進(jìn)行NDT（無損檢測(cè)）了，這需要特殊的培訓(xùn)?！?br/>檢查的結(jié)果是得到了一份損壞情況的報(bào)告。然后將損傷分為三類。第一類是用維修手冊(cè)中記載的方法可以修復(fù)。但是，如果損傷超出了維修手冊(cè)里的損壞極限，要么需要設(shè)計(jì)一個(gè)新的修復(fù)過程，要么就是被認(rèn)為無法彌補(bǔ)。因此一個(gè)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(huì)嚴(yán)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(bǔ)方法。
“在一個(gè)分層里，打磨其使之光滑，直到觸及分層就夠了，所以有時(shí)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(fù)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(jìn)去一個(gè)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(jī)庫(kù)里把飛機(jī)開出來，但機(jī)庫(kù)門開得不夠遠(yuǎn)，從而導(dǎo)致翼尖撞到門上?；蛘叩粝聛硪粋€(gè)工具。紀(jì)律很重要，可以確保類似這樣的事情得到報(bào)告。最大的危險(xiǎn)就是飛機(jī)受損了卻沒有人報(bào)告。例如行李搬運(yùn)工的手推車撞到了鋁制飛機(jī)，你就能看到凹痕。但使用了復(fù)合材料之后你往往什么都看不見。盡管如此，仍可能會(huì)有一些無形的損傷。一項(xiàng)正在開發(fā)中的新技術(shù)就是利用裝配有攝像頭的無人機(jī)在剛剛降落的飛機(jī)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。”Van Opdorp 說，“對(duì)損傷的地方進(jìn)行標(biāo)記，并且除去受影響的區(qū)域?！?br/>對(duì)于這些片層，修復(fù)手冊(cè)會(huì)規(guī)定是采用階梯修復(fù)，還是挖補(bǔ)修復(fù)。“在挖補(bǔ)修復(fù)里，片層在孔內(nèi)呈圓錐形進(jìn)行了打磨?！盫an Opdorp 闡述道，“在階梯修復(fù)里，每個(gè)單獨(dú)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(bǔ)修復(fù)比階梯修復(fù)容易打磨。在階梯修復(fù)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(huì)移除過多的材料，造成額外的損傷。因此這真的是一個(gè)挑戰(zhàn)。但從工程的角度來看，階梯修復(fù)更好，因?yàn)樗鼘⑹Ｓ嗟睦w維無縫連接到了構(gòu)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(shí)候了。首先你粘結(jié)了一個(gè)夾層材料塞子，使用制造時(shí)用的原始粘結(jié)劑，確保把它放入與現(xiàn)有夾層材料相同的取向?！爸匾氖牵虏牧闲枧c底部纖維層以及周圍的夾層材料很好地結(jié)合。經(jīng)常使用的是含有發(fā)泡劑的粘合劑，例如聚氨酯泡沫，它一加熱到120℃就會(huì)膨脹好幾個(gè)百分?jǐn)?shù)。這就確保了良好的結(jié)合?！盫an Opdorp 說道。
直到芯材就位，并且處于正確的厚度時(shí)，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(huì)粘到部件，在補(bǔ)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(jìn)入通氣層（隨后充當(dāng)分壓器），確保纖維和樹脂之間具有良好的質(zhì)量比。你需要正確的纖維樹脂比率，因?yàn)槔w維和樹脂的結(jié)合為材料提供了強(qiáng)度。
當(dāng)材料固化后，整個(gè)真空袋可以簡(jiǎn)單地扯下。Van Opdorp說：“如果你做得正確，所有多余的粘合劑就會(huì)滲漏到分壓器。適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)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?yàn)槟闳绻蚰ミM(jìn)了纖維，那么你就削弱了材料。之后，再次檢查修復(fù)效果，使用與前面的檢查相同的準(zhǔn)則。如果修復(fù)滿足了所有的質(zhì)量要求，噴上底漆和面漆，修復(fù)就完成了。
 
問題和局限性
Van Opdorp認(rèn)為，目前航空業(yè)應(yīng)用的修復(fù)方法確保了修復(fù)的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)。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(qiáng)塑料確實(shí)會(huì)造成表面質(zhì)量差，因?yàn)檫@種纖維容易起毛。用非常精細(xì)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(fù)方法有局限性：“最新飛機(jī)結(jié)構(gòu)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(xiàng)非常大的修復(fù)工程。因?yàn)閷?duì)于每一層，你都得增加修復(fù)的表面積。一種傳統(tǒng)的修復(fù)方法就是用螺栓固定一塊鈦板到構(gòu)件上來修復(fù)損傷。但在構(gòu)件上鉆孔會(huì)削弱它，所以這也不是一個(gè)最佳的解決方案。
另外一個(gè)問題就是，復(fù)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(shè)想你得修復(fù)復(fù)合材料上的一個(gè)孔，需要2 米預(yù)浸料。現(xiàn)在你不得不買一整卷材料回來，而它具有有限的產(chǎn)品保質(zhì)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(yōu)質(zhì)材料。
航空業(yè)所使用的復(fù)合材料修復(fù)方法也可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域，如風(fēng)車行業(yè)和游艇。航空行業(yè)修復(fù)必須滿足嚴(yán)格的規(guī)定和要求，目前這些還沒進(jìn)入船舶或者汽車行業(yè)。但是汽車車身車間組織能為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件提供高質(zhì)量的修復(fù)，這對(duì)他們來說尤其是個(gè)巨大的利益。