复合材料部件修复注意事项

热固性复合材料是由两种或多种化合物制成的材料。例子包括由两部分环氧树脂和碳纤维织物制成的碳纤维部件，以及聚酯树脂与玻璃纤维增​​强材料结合制成的玻璃纤维。

这两种树脂都是“热固性”树脂，指的是通过添加催化剂/硬化剂从液态转变为固态的树脂。

考虑到它们的特性，热固性复合材料具有广泛的应用范围，并且适用于苛刻的物理条件。当超过机械极限时，复合材料就会损坏，损坏类型本身取决于多种因素，从冲击能量到底层结构的状况和设计。

复合损伤的类型

碳纤维和玻璃纤维等纤维基复合材料可能会受到多种类型的损坏。这些包括凹痕、穿孔、分层、基体开裂和纤维断裂，如下图所示，各种类型的影响：

注：A = 由于低能冲击而导致的基体开裂，B = 由于中/高能冲击而导致的纤维断裂，C = 由于中能冲击而导致的分层，D = 由于低能冲击而导致的凹痕，E = 穿孔由于高能冲击

许多复合结构的高价值需要维修而不是更换。维修是根据技术要求进行的，即结构完整性和空气动力学性能。然而，对于许多组件而言，复合部件的故障可能会带来安全风险。因为它们难以完全诊断，即使使用专业设备，维修通常在专业设施中由专门人员和设备进行。

然而，某些情况下可以允许在 DIY 环境中进行复合修复。进入门槛相对较低，并且提供一系列复合材料维修套件，例如玻璃纤维维修套件和碳纤维维修套件。在这里，目标是提供一定程度的修复，重点是美观、空气动力学和防水功能，以防止进水造成进一步损坏，并减轻额外结构载荷的影响。

在结构完整性对安全至关重要的行业中，承重维修受到严格监管。当在 DIY 环境中进行时，维修本身应该在发生故障时造成较低的安全风险和/或对损坏的部件提供一定程度的翻新。在许多情况下，这项工作可能是临时性的，以帮助恢复赛道日赛车的碳纤维保险杠、扰流板或面板、玻璃纤维独木舟或小艇​​船体的完整性，或游艇上的更多定制部件。这将取代修复碳纤维自行车车架，因为碳纤维自行车车架承受高机械应力，一旦发生故障可能会带来重大安全风险。

航空业概述了三种不同类别的复合材料维修，如下所述。

复合螺栓维修

复合螺栓维修不是本文的主题。但是，对于上下文，根据更详细的复合维修指南提供了简要概述。简而言之，通过钻孔消除损坏。在用专业化合物密封之前，创建一个模型并在母体结构中钻出额外的孔，以便于安装修复补丁。

复合材料粘接修复

粘合修复涉及通过粘合剂将复合贴片连接到原始结构。这种方法允许修复施加均匀载荷而不增加结构重量。目的是在不增加额外重量的情况下使修复件具有与原始零件相同的损伤容限——这在航空航天工业中很常见。

此修复程序有一些限制：

• 发生故障时负载路径有限
• 负载取决于粘合工艺和树脂粘合剂
• 无法使用无损检测可靠地检测粘合接头的结构完整性。正确的表面处理对于确保可靠的粘合至关重要。

复合修复材料

复合修复材料以预固化（硬补丁）或共粘合（软补丁）状态应用。

预固化（硬补丁）

预固化复合补丁不是本文的重点。它们确实提供了几何优势并适用于高温应用，但也需要昂贵的机器并且在尺寸特性方面表现出偏差。

共粘（软贴片）

在原位应用中，共粘合的复合材料修复更易于实施并提供更大的多功能性（几乎可以实施任何形状或厚度）。它们也不需要特殊工具并且更便宜。示例包括碳纤维修复和玻璃纤维修复系统。然而，这些修复存在与原始结构的特性不匹配并且容易翘曲的趋势。

共粘修复被归类为湿法叠层和预浸系统。

+ 湿法叠层：涉及浸透在树脂基体（例如两部分环氧树脂或聚酯）中的干式增强织物（例如碳纤维或玻璃纤维），可以调整尺寸并切割成修复部分的形状。这些类型的修复不需要外部加热或真空袋，但建议使用后者以实现高质量的粘合和复合。

+ 预浸料：使用预先浸渍树脂的增强织物（例如注入环氧树脂的碳纤维织物）。这些材料使用外部热源和真空袋进行固化。

标准复合修复可以提供更高强度的饰面，但为了实现持久的修复，需要高水平的细节处理。

对于更简单的工作，可以使用一系列玻璃纤维维修套件和碳纤维维修套件。

表面处理

影响修复补丁与原始结构之间粘合质量的关键因素之一是表面状况。应结合使用表面磨损、溶剂清洗和干燥。应清除残留的化学品、油脂、油漆、灰尘或其他污染物，因为树脂表面键合依赖于四个关键因素：机械互锁、化学链相互扩散、静电相互作用和化学相互作用，如下图所示（改编自聚合物表面：从物理到技术）。

维修配置

主要有三种粘合修复配置：

阶梯式修复：涉及在原始结构上创建阶梯式界面。需要研磨机和一定程度的技能。人们认为阶梯修复对冲击损坏造成的强度损失具有出色的抵抗力。

围巾修复：比阶梯式修复更容易实施。不需要研磨来生成阶梯状表面。表现出更少的胶层应力集中。角度范围为 3 – 7 度。

单/双搭接接头维修

阶梯式和斜接式修复都表现出良好的机械性能，强度值详细为原始强度的70% 以上。影响修复性能的关键因素集中在几何形状、堆叠顺序和补丁厚度上。修复补丁失败首先引发剥离，然后是 0 度纤维微屈曲，因此强粘附的重要性至关重要。