复合材料修复技术概述

李长青， 任攀， 周雷

（装甲兵工程学院 装备维修与再制造工程系，北京 100072）

0 引言

20世纪40年代，为满足航空工业发展的需求，美国生产出了第一代复合材料—玻璃纤维增强塑料，自此复合材料走入了人们的视线中。20世纪90年代，波音787飞机大范围使用新型碳纤维复合材料，标志着复合材料技术已经较为成熟，材料已克服成本障碍，应用于越来越多高性能结构中，新型材料用量占整体结构总质量不低于50%。现阶段高性能新型复合材料已经进入许多关键领域，如运行在铁路线路上的高速列车［1］。

复合材料优越的性能展现在越来越多的领域。20世纪70年代初期，澳大利亚研究人员Alan Baker博士就已经开始对金属飞机结构损伤修复进行了探索［2］，并首次运用在飞机结构件的维修。复合材料修复结构损伤已经作为对精密部件修复的首选技术。截止2010年，北约国家在用复合材料修复结构损伤已超过万例［3］。

相比与传统机械联接，复合材料修复损伤技术具有明显的优越性。现阶段已经在航空、航天飞行器，高速列车结构件得到应用，并逐渐涉及生物学，力学，材料，医学和计算机技术等领域及学科［4］。本文主要介绍碳纤维复合材料修复损伤技术。

1 碳纤维修复损伤介绍

碳纤维复合材料修复技术是指用高性能的碳纤维复合材料修补缺陷或损伤的结构，实现降低裂纹的扩展速率、制止裂纹的扩展、降低结构损伤部位的应力水平的效果，在一定程度上提高临界裂纹长度，使损伤构件的功能和承载能力得以最大限度的恢复，达到延长结构使用寿命的目的［5］。

复合材料修复结构技术有如下优点：

1）新型修复方法不破坏结构的原始状态，并较大程度地减少应力集中、改善承载情况以及避免二次损伤，从而提高结构性能。

2）最大程度恢复和增强原始结构的强度和刚度。

3）由于纤维及基体材料的密度较小，相比于原始修理方法，新型修理方法修理后结构整体增重小。

4）新型复合材料修复后的结构抗疲劳性能和耐腐蚀性能良好。

5）复合材料修复技术消耗时间短、经济性好、成本低。

6）复合材料修复技术适用于修理各种复杂表面，有效恢复原有结构形状，保持光滑气动外形［6］。

2 碳纤维复合材料修复技术应用领域及研究现状

碳纤维复合材料修复技术应用广泛，并逐渐成为重点注目的研究和发展课题［7］。1982年，阿拉尔塔里木河大桥建成通车，结构为钢筋混凝土简支T梁特大桥。其承载力近年来明显下降。检测大桥的基本结构损伤后，确定使用粘贴碳纤维布的加固方案，获得圆满成功。碳纤维复合材料修补、加固桥梁效果显著。日本也采用这种工艺对大地震造成损坏的钢筋混凝土桥板、桥墩进行修补作业［8］。

碳纤维复合材料修复技术不只于应用修复桥梁损伤，在其他领域也有很好的成效。2007年6月，鄯善输气站进行了腐蚀缺陷检测，并少量进行开挖验证。检测发现多处管体腐蚀缺陷，最严重处达到壁厚的67%，常规的焊接修复方法难以进行修复。综合考虑下游居民、企业的正常用气以及可能会给输油公司造成巨大的经济损失等多方面因素，最终选用碳纤维复合材料修复技术。测试发现管道均恢复了正常的运行压力［9］。

近些年在对海底管道例行的检测中，检测人员发现渤西中段海管登陆段管道多处达到高风险评级。为保证海上油气田的生产安全，最终采用PerpeWrap复合材料系统对高危段管道进行了修复［10］。

2.1 碳纤维表面处理

改善与提高纤维基体界面的结合强度，应从增强界面结合能力的方式实现：增加基体对纤维表面的润湿性能，去除纤维表面的污染层，增加纤维表面的粗糙度，引入一些极性基团对纤维进行活化，以及多种方法共同使用等。

处理纤维表面常用的方法有如下几种。1）湿化学处理；2）电化学处理；3）偶联剂处理；4）等离子体处理；5）高能辐照处理。当前主要使用空气氧化法和硝酸氧化法。

特别需要注意：复合材料成型模表面为了脱模，常涂有含氟聚合物或硅酮类的脱模剂，这些脱模剂有可能降低碳纤维和基体材料的结合强度，也要对此情况进行考虑［11］。

通过分析碳纤维（CF）增强热塑性复合材料的力学性能发现，浓硝酸对碳纤维表面刻蚀沟明显，纤维与基体界面结合良好［12］。

特殊的纤维，其纤维表面需要进行涂层处理等手段，使得结合强度达到要求的水平；适时地发生界面脱粘，界面位置出现的裂缝生长、伴随的滑移、纤维拔出以及摩擦滑移过程中，吸收较多的能量，使材料保持较好的韧性［13］。

2.2 碳纤维三维编织方法增强复合材料的性能

对于连续纤维增强相，纤维的排列结构方式大致可分为单取向、二维（2D）和三维（3D）。

二维织物增强聚合物基层压结构复合材料的发展和应用已经较为成熟，但这种工艺本身存在一系列不可抗拒的缺陷，造成在厚度方向的力学性质较差；易出现分层；抗冲击性能；损伤容限较低。

三维结构碳纤维在面内方向和厚度方向都有一定比例的纤维，厚度方向的纤维将各层的面内方向的纤维捆绑成了一个整体。三维结构的聚合物基复合材料结构的整体性较高，抗分层性能较好。三维编织是解决分层问题的有效途径［14］。

三维编织纤维技术还可以运用在零部件的设计中。针对一个零部件的工作环境、受载荷情况以及其他诸多条件，利用特定原料，特别设计编织方法，达到增强零部件整体性能的目的。

2.3 耐高温高压管路修复技术发展现状

国外管道修复方式及方法包括沟内修复和沟外修复、停输或不停输修复、人工修复或机械化修复、内修复和外修复等。其中较多地采用停输修复的方式，对于不宜停输的管道亦采用不停输的方式进行修复。在允许停输条件下，采用沟外修复方法多于沟内修复法。

目前，国外采用较为多样的内修复方法，包括管道内衬法、PE管道插入法或软翻内衬套修复法等。低压天然气管道、煤气管道、自来水管道或污水管道等民用设施管道一般使用内修复方法。对于高、中压油气管道等复杂管道，则多采用外修复法［25］。

外修复方法还可细分为管体缺陷补强修复和管道防腐层修复。管体缺陷补强的方法一般有补焊、打补丁、半圆套管、整圆套管、环氧填充套筒修复以及复合材料修复。国内的管道修复中已广泛采用换管法、打补丁、金属卡具法这三种方法。

国内复合材料修复是一项较新的技术，2004年，四川省西南油气田分公司首次应用美国的Clock-spring复合材料贴片修复天然气管道。在北美和欧洲的各类油气管道修复中此技术应用已非常普遍，成为可供选择的经济、有效的永久性管道修复方法。

复合材料修复的原理是将缺陷部位所承受的应力通过高强度的填充物转移至复合套筒上。常用的复合材料有加入玻璃纤维或碳纤维等强化物质的基体材料。

管道补强套件可用于腐蚀或损伤程度低于80%的管道补强。修复后的管道，其承压能力将会100%地恢复到新建管道的水平。

［1］ 沈真.碳纤维复合材料在飞机结构中的应用［J］.高科技纤维与应用，2010（4）：1-4.

［2］ 王跃全，童明波.复合材料补片胶接修理参数分析［C］//中国科学技术协会.节能环保和谐发展--2007中国科协年会论文集（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］ 陈浩然.先进复合材料结构、制造、理论和应用最新进展［J］复合材料学报，2000，27（2）：15-17

［5］ 付国正.复合材料修理金属结构的应用技术［J］.直升机技术，2007（1）：62-66.

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

［7］ 王秀秀.碳纤维复合材料加固修补技术中的工艺力学问题研究［D］.大连：大连理工大学，2010.

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

［9］ 徐维强.碳纤维复合材料的新应用［J］.纤维复合材料，1996（3）：49-53.

［10］ 付明福，梁宏，刘国，等.碳纤维复合材料修补缺陷管道的应用实践［J］.油气储运，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］ 宋艳江，高鑫，朱鹏，等.表面处理碳纤维增、强聚酰亚胺复合材料力学性能［J］.复合材料学报，2008（5）：64-68.

［14］ 谢剑飞.三维机织物增强PMR型聚酰亚胺复合材料的制备、表征及粘结性能研究［D］.上海：东华大学，2011.

［15］ 王玉梅，刘艳双，张延萍，等.国外油气管道修复技术［J］.油气储运，2005（12）：13-16，83，73.