自1959 年日本的Shindo A 教授首次采用美國(guó)聚丙烯腈（PAN）制造出碳纖維，到大谷教授使用一般化工產(chǎn)品（瀝青）成功制造出碳纖維，碳纖維便通過(guò)碳化和石墨化加工，率先集中應(yīng)用于火箭噴嘴。隨著日本、美國(guó)以及歐洲國(guó)家制備技術(shù)的發(fā)展，碳纖維性能大幅度提升，成本大幅度降低，碳纖維主要作為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料，迅速?gòu)V泛應(yīng)用于航天航空、軍事裝備、建筑業(yè)以及高端體育器具產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域。

   伴隨著復(fù)合材料的廣泛使用，人們發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料表面受到?jīng)_擊后，極易出現(xiàn)表面凹坑、分層以及劃傷等損傷，這就引起了人們對(duì)于使用碳纖維材料修復(fù)表面損傷的關(guān)注。與機(jī)械連接極易造成的應(yīng)力集中、機(jī)構(gòu)增重以及氣動(dòng)性的改變相比，碳纖維復(fù)合材料修復(fù)損傷多使用膠結(jié)方法，其具有效率高、應(yīng)力分布均勻、修復(fù)效果好以及系統(tǒng)增重小的特點(diǎn)，還具有設(shè)備簡(jiǎn)易、生產(chǎn)率較高以及成本較低的特點(diǎn)，滿足現(xiàn)階段修理技術(shù)的變革，碳纖維復(fù)合材料修復(fù)損傷將擁有更為寬廣的研究和應(yīng)用前景。

   一、碳纖維復(fù)合材料修復(fù)損傷的應(yīng)用現(xiàn)狀

   碳纖維復(fù)合材料修復(fù)表面損傷在較多的領(lǐng)域都有應(yīng)用，包括航空航天、武器裝備及遠(yuǎn)洋船舶等。本文主要選取飛機(jī)表面損傷的維修進(jìn)行介紹。

   1 、國(guó)內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀

   我國(guó)專家近些年通過(guò)深入地研究和探索，形成了《復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修復(fù)指南》。這個(gè)較為系統(tǒng)的手冊(cè)僅適用于軍用飛行器，對(duì)于民用飛行器的維修研究極為欠缺，特別是在碳纖維復(fù)合材料表面修復(fù)領(lǐng)域，缺少諸如理論的總結(jié)、實(shí)踐工作量的積累以及修復(fù)后的考核試用等方面的內(nèi)容。國(guó)內(nèi)部分學(xué)者已經(jīng)深刻意識(shí)到問(wèn)題的嚴(yán)重性，并已經(jīng)開始了相關(guān)的大量研究。2002 年，陳紹杰首次詳細(xì)介紹了FAA 的咨詢通告AC20-107A 的內(nèi)容，提出復(fù)合材料修復(fù)飛機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化需求以及適航準(zhǔn)則。2010 年，鄒田春對(duì)民機(jī)復(fù)合材料修理適航審定現(xiàn)狀進(jìn)行了較為全面的分析。2011 年，梁艷勤對(duì)使用復(fù)合材料修復(fù)民用飛機(jī)的容限和適航審定進(jìn)行了研究，為碳纖維復(fù)合材料修復(fù)飛機(jī)損傷提供了實(shí)踐指導(dǎo)。

   飛機(jī)的表面損傷及修復(fù)形式主要包括層壓板極易出現(xiàn)的表面凹坑、劃傷、穿透等。孫凱等使用熱補(bǔ)的方法分別對(duì)單面面板損傷、面板和芯子損傷以及貫穿損傷的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行修復(fù)，并對(duì)挖補(bǔ)修理的強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)分析，結(jié)果表明強(qiáng)度均能恢復(fù)到新品的87%以上，再次發(fā)生損傷的部位絕大部分出現(xiàn)在損傷修補(bǔ)的邊緣。王曉澎采用與預(yù)浸料修補(bǔ)不同的濕法修補(bǔ)，對(duì)采用雙組分樹脂的修復(fù)步驟進(jìn)行介紹。

   國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于飛行器表面修理中固化技術(shù)有也較多進(jìn)展。陳明華等使用熱補(bǔ)和微波兩種固化方式，對(duì)碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料進(jìn)行固化，通過(guò)對(duì)固化后樣品進(jìn)行的分析，得到微波固化的復(fù)合材料性能較優(yōu)，固化時(shí)間較大幅度減少。許陸文成功開發(fā)出修復(fù)時(shí)間僅有20~24 s的便攜式碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的修復(fù)設(shè)備，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，修復(fù)件的性能基本達(dá)到原件水平。

   2 、國(guó)外現(xiàn)狀分析

   航空領(lǐng)域國(guó)外對(duì)于碳纖維修復(fù)損傷的研究開展較早。20 世紀(jì)70 年代初期，澳大利亞研究人員Alan Baker博士就使用碳纖維復(fù)合材料對(duì)金屬飛機(jī)損傷修復(fù)進(jìn)行了探索，并首次運(yùn)用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的維修。現(xiàn)階段，國(guó)外對(duì)于碳纖維復(fù)合材料修復(fù)飛行器損傷主要采用膠結(jié)修復(fù)的方式，截止2010 年，北約國(guó)家使用碳纖維復(fù)合材料修復(fù)結(jié)構(gòu)損傷已超過(guò)萬(wàn)例。相對(duì)于國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)飛行器“無(wú)手冊(cè)”指導(dǎo)工藝的現(xiàn)狀，國(guó)外在修復(fù)上雖然也存在較多難題，但已經(jīng)編寫出使用碳纖維復(fù)合材料修復(fù)損傷的手冊(cè)，它們既可以作為運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)，也可作為通用飛機(jī)修復(fù)指導(dǎo)手冊(cè)，包括美國(guó)聯(lián)邦航空規(guī)章第25 部（Airworthiness standard: transportcategoryairplanes，F(xiàn)AR25）、第23 部（Airworthinessstandard: Normal utility，acrobatic，and commuter categoryairplanes，F(xiàn)AR23）、第21 部（Airworthiness standard:Certification procedures for products and parts，F(xiàn)AR21），這三部手冊(cè)主要介紹碳纖維復(fù)合材料修復(fù)損傷中需要注意的技術(shù)要求、工藝標(biāo)準(zhǔn)以及安全性要求，如氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)保護(hù)、材料選擇等與適航緊密相連的內(nèi)容。

   2009 年9 月，F(xiàn)AA 頒布了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)審定通告AC20-107B，明確提出了碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)飛機(jī)的修理后適航要求，并初次提出積木式實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法。

   二、 碳纖維復(fù)合材料修復(fù)表面損傷的應(yīng)用前景

   近年來(lái)，碳纖維復(fù)合材料修復(fù)表面損傷應(yīng)用已經(jīng)從傳統(tǒng)的房屋加固向航空航天、高速鐵路及遠(yuǎn)洋船舶等高新科技領(lǐng)域延伸。使用碳纖維復(fù)合材料對(duì)遠(yuǎn)洋船舶的大型蒸汽管道表面進(jìn)行原位固化修復(fù)，徹底實(shí)現(xiàn)不減動(dòng)力、不停機(jī)和不停船就完成了對(duì)高溫高壓蒸汽管道進(jìn)行修復(fù)。下面將結(jié)合碳纖維復(fù)合材料修復(fù)表面損傷的現(xiàn)狀，總結(jié)未來(lái)碳纖維復(fù)合材料在修復(fù)表面損傷的新應(yīng)用前景。

   1、 航空航天領(lǐng)域

   現(xiàn)階段，航空航天裝備中碳纖維復(fù)合材料的用量逐漸增大，其表面修復(fù)必須要考慮修復(fù)材料自身的性能、修復(fù)材料與被修復(fù)表面的界面結(jié)合性能以及修復(fù)工藝方法可行性。碳纖維復(fù)合材料自身密度低，修復(fù)后的結(jié)構(gòu)增重較少，對(duì)于需要對(duì)稱平衡的結(jié)構(gòu)（如輕型飛機(jī)的襟翼），可以較大地降低非對(duì)稱情況發(fā)生；其自身熱膨脹系數(shù)低、高溫力學(xué)性能穩(wěn)定，現(xiàn)階段最適合對(duì)在真空和高溫的環(huán)境下工作的航空航天裝備進(jìn)行維修；其具有較高的比剛度及比強(qiáng)度，使得修復(fù)后的結(jié)構(gòu)性能恢復(fù)率較高，不僅可以恢復(fù)到可用程度，還可能達(dá)到甚至超過(guò)新品的性能指標(biāo)；其固化前的形狀可控，特別適合對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜和精密的航空航天設(shè)備進(jìn)行修復(fù)；其修復(fù)過(guò)程不同于簡(jiǎn)單的機(jī)械修復(fù)，后者可能在待修復(fù)表面進(jìn)行機(jī)械處理，造成待修復(fù)件的二次損傷，而碳纖維復(fù)合材料修復(fù)表面損傷僅對(duì)表面進(jìn)行粘接修復(fù)，不破壞原有的性能；其修復(fù)工藝中溫度等參數(shù)完全可控，通過(guò)對(duì)參數(shù)的控制，得到修復(fù)人員所需性能的修復(fù)貼片。

   綜上所述，碳纖維復(fù)合材料表面修復(fù)方法適合對(duì)航空航天裝備的表面進(jìn)行修復(fù)。下階段碳纖維復(fù)合材料修復(fù)表面損傷的方法重點(diǎn)應(yīng)尋求工藝的突破，通過(guò)使用真空導(dǎo)入的工藝，對(duì)待修復(fù)表面進(jìn)行迅速修復(fù)，既可以降低對(duì)難長(zhǎng)期存儲(chǔ)、成本較高以及加工難度高的預(yù)浸料的依賴，還可以在黏度較小的基體樹脂中均勻分撒增強(qiáng)顆粒、球體及纖維等，從而達(dá)到增強(qiáng)修復(fù)區(qū)域修復(fù)后性能的目的。

   2 、管道修復(fù)領(lǐng)域

   傳統(tǒng)對(duì)于管道的修復(fù)主要包括焊接和夾具修復(fù)兩種方法，采用夾具的方法修復(fù)損傷管道工藝雖然較為簡(jiǎn)易，但難以控制修復(fù)質(zhì)量；采用焊接方法，雖然可以較大程度上恢復(fù)表面的性能，但無(wú)法在帶壓工作下進(jìn)行修復(fù)。

   劉國(guó)對(duì)北京高壓燃?xì)庵鞲删€使用碳纖維復(fù)合材料帶壓修復(fù)進(jìn)行了報(bào)道，整個(gè)修復(fù)工藝免焊不動(dòng)火，在4h 內(nèi)安全地對(duì)管道表面損傷結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修復(fù)，修復(fù)后強(qiáng)度恢復(fù)到了安全運(yùn)行壓力水平。這說(shuō)明碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)適合修復(fù)復(fù)雜工況下的管道表面損傷，未來(lái)可以更多應(yīng)用于其他不同復(fù)雜工況的管道修復(fù)作業(yè)。

   但使用碳纖維復(fù)合材料修復(fù)管道表面也存在問(wèn)題，洪雨曾指出碳纖維復(fù)合材料貼片表層和待修復(fù)表面之間會(huì)形成電化學(xué)腐蝕，造成性能急劇下降。筆者在以往試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，碳基的復(fù)合材料補(bǔ)片和金屬基的待修復(fù)表面界面結(jié)合性能較差。在未來(lái)管道修復(fù)領(lǐng)域，如何解決修復(fù)界面的結(jié)合性能和電偶腐蝕是碳纖維復(fù)合材料用于管道修復(fù)的關(guān)鍵問(wèn)題。

   3 、其他領(lǐng)域

   碳纖維復(fù)合材料表面修復(fù)技術(shù)在戰(zhàn)傷裝備快速修復(fù)、汽車行業(yè)、文物建筑加固以及自修復(fù)材料等領(lǐng)域都有較為廣闊的應(yīng)用前景。

   三、結(jié)語(yǔ)

   碳纖維復(fù)合材料表面修復(fù)技術(shù)是粘接修復(fù)方法中最為關(guān)鍵的技術(shù)，也是在高新領(lǐng)域應(yīng)用頻率最高、范圍最廣、研究最多的技術(shù)。要進(jìn)一步對(duì)碳纖維復(fù)合材料修復(fù)表面損傷進(jìn)行研究，解決電化學(xué)腐蝕、界面結(jié)合能力較差、層間性能較弱以及成本較高等關(guān)鍵問(wèn)題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料表面修復(fù)技術(shù)在更多的領(lǐng)域得以應(yīng)用，并大力優(yōu)化復(fù)合材料表面修復(fù)工藝，從而盡快地使之成為一種便捷的修理方法，從實(shí)驗(yàn)室、專用修理間逐步大規(guī)模工業(yè)化。

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