复合材料修复耐久性考量

作者：Michael Hoke    来源：Aerospace Manufacturing and Design杂志

欢迎访问e展厅 展厅 2 复合材料/胶粘剂展厅 阻尼材料, 环氧树脂, 密封胶, 硅胶, 厌氧胶, ... 复合材料修复后能耐用多久？这个答案可以是数十年之久，但是这需要恰当的保护措施，例如，玻璃纤维复合材料结构曾有修复后坚持50年的耐用记录，当然这也是面对环境侵蚀的情况下进行了充分的防护才达到的成绩，这些来自环境的侵蚀包括： ◆高温（红外线辐射）和紫外线（UV）辐射会侵蚀树脂和光纤 ◆潮湿环境下，如果纤维没有事先进行密闭性能良好的包覆或者铸模不够饱满，都会受到侵蚀 ◆来自燃料或汽油、液压流体、防冻液、酸性物质、涂层脱色剂以及其他溶剂的化学侵蚀 抵挡高温和UV辐射的最好措施是使用UV抑制剂对修复表层进行适当的防护涂层，这样形成的表层光亮色彩也足以反射红外线辐射。二十世纪70年代进行过的一项研究表明，黑色涂层的复合材料表层温度可以比周边气温高出115°F到120°F(即29℃到35℃)。在排气管或其他高温部位附近区域的修复也必须使用高温专业树脂和黏合剂。电流腐蚀也需要予以考虑，例如直接接触铝层的碳纤维会呈现迅速老化，特别是用螺栓进行修复时，需要慎重选择采用的扣件。处于电流相对两极的两种材质形成直流，会导致电流腐蚀，但腐蚀情况仅会出现在金属层，而不会出现在碳纤维上，同时潮湿环境会促使这种腐蚀更加恶化。另一种抵挡电流腐蚀的方法是用分界层将碳纤维与铝隔离，分界层可以采用玻璃纤维、黏合软膜或其他无电抗性材质。 黏合修复的表层预处理 尽管螺栓修复有时也会使用在复合材料结构上，但最常见的耐久性修复解决方案还是冲刷斜切黏合修复，这种方式能够有效保持材料的力度和硬度，同时保证了在空气动力环境中表层的平滑，如果需要雷达遁形性能，这种修复效果同样可以具备。黏合修复的耐久性决定于使用在修复补丁和修复部位表层之间的黏合剂性能，而主要影响黏合剂性能的变量包括选择恰当，黏合剂加工处理，均匀统一的黏合厚度（既不能太薄，也不能太厚），以及黏合部位的表层预处理。 在二十世纪50年代，Fokker F27双涡轮螺旋桨发动机客机采用石碳酸黏合剂来对铝表层之间进行黏合。1985年11月4日到6日，在荷兰阿姆斯特丹举办的国际耐飞性技术与工程联盟第15届年会上，荷兰Schiphol Fokker的耐久性黏合专家R.J. Schliekelmann在其报告中提到了这一点。使用压热器是为了在升高的温度和压力之下进行黏合修复。修复部位的结构性能良好，并且黏合修复效果并未随着温度和湿度的变化而减弱，许多修复成果坚持了数十年之久。二十世纪60年代，航空航天行业开发出环氧黏合剂，本预期能够达到同样满意的效果，但是黏合修复的连接却随后在70年代首次出现了因高温/潮湿环境而老化的情况，令人大失所望。在随后的20年里，不计其数的研究奠定了如今被广泛接纳的一个事实：表层预处理工序是导致黏合耐久性有几天和数十年之差的根本原因。这一领域的努力目标便是实现有效且有力的黏合修复，而修复失效的原因仅存在于黏合剂本身，如常见的胶合失效、黏合剂从修复补丁或者修复表层剥落，也就是黏合失效。 需要指出的是，尽管黏合连接修复领域的研究已经聚焦在胶合失效上，实际中还是很可能存在胶合失效而没有黏合修复成功。例如，如果黏合剂没有被充分处理，这可能是由于没有达到适当的处理温度。导致的黏合连接失效主要在于胶合，没有正确处理的黏合剂将会脱落，因而失效原因还是在其自身。因此，如果将黏合剂恰当处理并充分发挥其性能的情况下胶合失效，这样黏合失效就往往是由于黏合修复表层未达到充分的黏合所造成，焦点直指表层预处理环节。 复合材料完成表层预处理的步骤比金属材料需要的更少且更简易，同时，微小细节则变得更加重要。材料表层必须非常洁净，这意味着不能有影响黏合效果的灰尘、杂质、动物油脂，以及包括指纹油脂在内的人体油脂。因此，操作人员必须戴上手套，而且操作环境中还必须杜绝粉尘，因为粉尘会污染黏合线。此外，由于在操作车间内的持续工作，操作人员因为隔着手套，手上的触感会在一定程度上被削弱，因此手套往往更容易变脏，而技术人员则容易忽略这一点。因此技术人员必须注意到这点，并且在实际操作中，比往常要更高频率地更换手套。 表层预处理的另一重要步骤是通过提升表面能，提升黏合剂和基层表层之间的电子共享共价连接，这对于保证黏合修复表层防潮以及黏合牢固性十分重要。最佳方法是轻微打磨黏合表层，打磨的目的不是为了形成机械摩擦力，而是为了弱化树脂铸模微小颗粒/分子的最表层，来新建破损原子的连接，而毋须损坏或者破坏底层光纤。喷钢砂处理也许会深入到强化纤维表层的缝隙缺口，而通常处理中使用气压设备，设备内的油和水会污染黏合线，因此，使用ScotchBrite砂纸进行手工打磨是相对更好的处理方式，既可以获得充分的表面能，也可以降低污染黏合线的风险。轻微打磨带来的高表面能效果非常具有时效性，必须在一到两小时内就立刻使用黏合剂，或者在黏合之前在进行重复打磨。打磨之后，用干净崭新的粗棉布轻柔地将黏合表层的粉尘清除，不要使用用气压枪或者溶剂擦拭剂来清除粉尘，因为它们也可能会污染黏合线。 黏合修复中常常出现的另一问题是黏合剂气泡，有时在高度真空的操作环境下也会出现气泡。所以，在开始黏合修复工序之前，细读黏合剂制造商的技术数据手册很必要，手册中会提供关于最佳处理温度、时长、压强和真空等级的信息，例如，石碳酸黏合剂就比环氧黏合剂需要更高的压强。 车间环境是在黏合修复之前需要特别注意的另一重要因素。大多数黏合剂会吸收空气中的水分，水分在高温的处理工序中会变成水蒸气，造成黏合修复线的支离，或者最小破坏也是带来气泡，这都会严重降低黏合修复的力度和耐久度。因而需要确保黏合修复工作车间的空气干燥且室温恒定。 测量方法与技术认证 如今复合材料修复的主要问题仍然是修复后连接部位的力度无法采用任何无损方式进行测量，因而也根本无从确定修复连接部位的确切力度数值。在这种情况下，唯一可选择的就是尽可能开发出最好的材质和工艺，来确保处理工序的每一步骤都达到最大限度的精准无误，且保证对细节和技术贯穿始终的关注。 采用测试取样是一种测量方法，就是使用跟实际修复时一起混合处理的相同的黏合剂、相同的复合基层（黏合表层）以及相同的表层预处理工序，来进行黏合修复，制成测试取样。随后对这些取样进行剥离测试和楔形块测试（起初是研发出来用于铝对铝黏合连接效果评估，也为复合材质黏合修复提供了有效的黏合耐久性预测手段），从而对黏合力度进行测评，并且证实材质和工艺步骤都满足长期耐久性黏合连接的要求。 然而，测评结果只是基于测试取样，而并非实际黏合修复部位本身。如高级空客复合材料专家Roland Thevenin所述：“进行这项工作（即复合材料修复）时必须认识到遵循严格步骤的重要性。此外，随着高复合材料飞机数量的日益庞大，对参与修复的操作人员的需要也越来越高，只有对人员进行合格的培训和资格认证才能保障复合材料修复实施的准确性。” 目前，只有签约进行复合材料修复的企业才会得到资格认证，而技术人员个人是无法获得认证的。联邦航空管理局（FAA）需要确保每一个维护与修理的企业（MRO，例如，航空公司，第三方修理服务供应商）都对其技术人员进行了如何正确进行修复处理的培训，但是这一评定目前依赖于每个FAA检查员对MRO培训文档的主观看法，而不是基于为大众所接受的评定标准。AC No. 65-CT复合材料维护与技术人员培训/认证项目开发的公开意见采纳已经进行，行业适用评定标准将很快基于此意见汇总完成终稿，并将于2011年公诸于众。公共评论期结束后，FAA会对收到的回复进行整理回顾，会在今年对标准原稿进行完善。这份AC将为FAA检查员评定MRO对技术人员进行复合材料修复处理的培训提供指南和准则，但技术人员个人仍然无法获得认证。 空客一直翘首企盼地等待技术人员个人复合材料修复认证申请的通过，而商用飞机复合材料修复委员会（CACRC）培训部也极力促进其达成。设想中的这一认证会类似于飞机发动机（A & P)执照，比如，个人可以自费参加复合材料修复培训项目，通过笔试和实际操作考试后结业，并获得复合材料修复资格认证，例如3级或4级之类。这一程序类似目前的FAA对NDI技术人员的资格认证。CACRC越过了国际SAE，Warrendale, PA而独自敦促个人认证申请,实际上SAE也可能对管理这种资格认证程序会很感兴趣。当前已就航空航天行业的情况来确定这一需求和相关事项，并将会于今年敲定如果和如何进行。 经FAA和欧洲航空安全管理局(EASA)都予以认可，螺栓连接和黏合连接复合材料修复的最佳耐久性，可以在相应的飞机制造商和航空行业复合材料修复指南找到答案，培训也会帮助实现必要技能的熟练掌握。CACRC和FAA的相关文档中均列出了培训的必要组成部分，并且很有希望，这个行业会很快有资格认证来对进入市场的复合材料修复技术人员的专业素质给予保障。目前，现有技术人员可能会有计划地逐步进行资格认证。(end)

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