美國(guó)海軍復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)

何 磊，趙 滿

(1. 海軍駐滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司軍事代表室，上海 200129；2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一四研究所，北京 100101)

美國(guó)海軍復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)

何 磊1，趙 滿2

(1. 海軍駐滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司軍事代表室，上海 200129；2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一四研究所，北京 100101)

復(fù)合材料上艦應(yīng)用的關(guān)鍵之一是能夠?qū)?fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效、快速地修復(fù)，避免由于材料結(jié)構(gòu)受到損傷而對(duì)裝備性能造成無(wú)法恢復(fù)的影響。本文研究了美國(guó)海軍復(fù)合材料的修復(fù)技術(shù)和修復(fù)方法，介紹了美國(guó)海軍提出的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷分級(jí)概念，總結(jié)了滲濕對(duì)復(fù)合材料性能的影響，梳理了復(fù)合材料修復(fù)補(bǔ)丁設(shè)計(jì)，最后對(duì)美國(guó)海軍水面艦艇復(fù)合材料推進(jìn)軸套的具體修復(fù)方法進(jìn)行了介紹。

復(fù)合材料；修復(fù)；損傷評(píng)估；滲濕

0 引 言

艦船裝備發(fā)展追求更大的有效負(fù)載，更高的效率、更強(qiáng)的綜合隱身能力、更低的全壽期費(fèi)用，因此質(zhì)量輕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、耐腐蝕的復(fù)合材料成為未來(lái)艦船裝備設(shè)計(jì)使用的最佳選擇之一。從國(guó)外艦船復(fù)合材料的發(fā)展情況來(lái)看，先進(jìn)復(fù)合材料在艦船裝備中的應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)展，現(xiàn)已廣泛用于制造大型水面艦艇的大型結(jié)構(gòu)件、功能件以及一些關(guān)鍵零部件，為提升海軍裝備性能和戰(zhàn)斗力提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

復(fù)合材料上艦應(yīng)用的關(guān)鍵之一是能夠?qū)?fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效、快速的修復(fù)，及時(shí)彌補(bǔ)由于材料受到損傷而對(duì)裝備性能造成的不利影響。

復(fù)合材料的損傷形式與金屬材料有顯著差別，不能簡(jiǎn)單地將傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)修復(fù)方法直接移植于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修復(fù)。采用不適當(dāng)?shù)姆椒ㄐ迯?fù)復(fù)合材料，往往得不到好的修復(fù)效果，還會(huì)影響裝備的使用性能。

美國(guó)海軍擁有艦船復(fù)合材料的多年使用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)復(fù)合材料修復(fù)方法和修復(fù)技術(shù)的探索和研究處于世界先進(jìn)水平，建立復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷分級(jí)概念，總結(jié)海軍特殊使用環(huán)境下滲濕對(duì)復(fù)合材料性能的影響，研究復(fù)合材料修復(fù)補(bǔ)丁設(shè)計(jì)方法，積累艦船復(fù)合材料部件的修復(fù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于我國(guó)開(kāi)展艦船復(fù)合材料修復(fù)研究具有借鑒作用。

1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷分級(jí)

對(duì)任何材料來(lái)說(shuō)，損傷評(píng)估都是材料修復(fù)過(guò)程中非常關(guān)鍵的一環(huán)。損傷評(píng)估能夠?qū)Y(jié)構(gòu)安全性、剩余使用壽命和繼續(xù)使用可能帶來(lái)的后果進(jìn)行評(píng)定。在精確的損傷評(píng)估基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)是否需要修復(fù)、損傷對(duì)周邊結(jié)構(gòu)的影響程度、修復(fù)方法和修復(fù)費(fèi)用等問(wèn)題都能做出較準(zhǔn)確的判斷。相比于鋼鐵材料，復(fù)合材料的修復(fù)對(duì)設(shè)備和維修人員的要求要高很多。因此復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷評(píng)估對(duì)于后續(xù)可能開(kāi)展的材料修復(fù)工作意義重大。圖 1 顯示了復(fù)合材料修復(fù)方式與損傷程度和滲濕程度的關(guān)系。

從復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全性考慮，通常可以將復(fù)合材料的損傷分為：即許可損傷、需修復(fù)損傷和不可修復(fù)損傷三大類。

許可損傷是指不影響結(jié)構(gòu)完整性或構(gòu)件性能的小損傷。這種損傷在設(shè)計(jì)壽命之內(nèi)不需要進(jìn)行修理。有些許可損傷是有時(shí)間限制的，雖然可能暫時(shí)不影響結(jié)構(gòu)完整性和部件功能，但在使用條件下，這些缺陷和損傷可能擴(kuò)展，使結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度下降，從而降低設(shè)計(jì)壽命。因此，在時(shí)間限制結(jié)束前，必須對(duì)其進(jìn)行永久修復(fù)。有些損傷在許可損傷尺寸范圍的邊緣，這些損傷會(huì)輕微的影響部件的完整性和設(shè)計(jì)壽命。因此在按規(guī)定對(duì)這些損傷進(jìn)行永久修復(fù)前，還要進(jìn)行臨時(shí)修復(fù)。

需修復(fù)損傷是指在部件制造和使用過(guò)程中產(chǎn)生的、影響結(jié)構(gòu)完整性或部件性能的損傷。這些損傷必須及時(shí)進(jìn)行修復(fù)。

不可修復(fù)損傷是指損傷已經(jīng)超過(guò)可修復(fù)極限，在這種情況下，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)只能進(jìn)行更換。有時(shí)，零部件更換本身也算作一種修復(fù)手段。

上述損傷分級(jí)方式適用于任何復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。對(duì)于艦船復(fù)合材料，特別是服役環(huán)境在水下的復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，由于其特殊的使用環(huán)境，滲濕成為最為常見(jiàn)的一種損傷方式。針對(duì)這一特點(diǎn)，可以將艦船復(fù)合材料的損傷分為未浸透輕微損傷和表層浸透損傷兩類。

1）未浸透輕微損傷

如果材料只是受到輕微損傷，并沒(méi)有沿著基體裂紋或表面裂紋發(fā)生滲濕，則這種未浸透輕微損傷適合開(kāi)展水下修復(fù)。最佳的方法是采用水下固化環(huán)氧樹(shù)脂或經(jīng)過(guò)預(yù)浸處理的復(fù)合材料鋪層對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。

表面損傷盡管可能看上去微不足道，但表面層下的實(shí)際損傷可能遠(yuǎn)不止顯露出的這樣小，這在某些碳纖維復(fù)合材料中有所體現(xiàn)。而一些較明顯的損傷，如位于材料表面上的小凹痕等，可能對(duì)結(jié)構(gòu)的性能影響不大，這時(shí)可用適當(dāng)?shù)幕衔锊牧蠈?duì)其進(jìn)行修補(bǔ)，恢復(fù)其強(qiáng)度和水動(dòng)力性能。艦艇水線以上結(jié)構(gòu)如果存在大量外形缺陷，可能降低其隱身性能。例如，DDG-1000驅(qū)逐艦為增強(qiáng)隱身性，將碳纖維復(fù)合材料上層建筑的外表設(shè)計(jì)得連續(xù)平滑，而外觀缺陷無(wú)疑會(huì)破壞這一特性。

2）表層浸透損傷

引起材料內(nèi)部滲濕的損傷比表層損傷對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞更大。當(dāng)粘接劑暴露于水中時(shí)，會(huì)發(fā)生塑化并使粘接強(qiáng)度降低。試驗(yàn)結(jié)果表明，暴露在濃度為 5% 的鹽水環(huán)境中 3 個(gè)月，粘接強(qiáng)度的下降比暴露在高溫高濕的空氣環(huán)境中 3 年還要嚴(yán)重。因此，對(duì)于材料內(nèi)部滲濕損傷，發(fā)現(xiàn)后應(yīng)設(shè)法盡快修復(fù)。

2 滲濕對(duì)復(fù)合材料性能的影響

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)發(fā)生滲濕后，各項(xiàng)性能可能受到不同程度的影響?！董h(huán)境對(duì)復(fù)合材料的影響》論文指出，滲濕可使聚酯基層狀復(fù)合材料的強(qiáng)度降低10%～15%，而對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料強(qiáng)度的影響則小得多。圖 2 和圖 3 顯示了 2 種 E 型玻璃纖維/乙烯基酯復(fù)合材料在濃度為 2.5% 的鹽水中浸放一段時(shí)間后強(qiáng)度和模量的變化情況，其中 4W 表示 4 層連續(xù)玻璃纖維復(fù)合材料樣品，4C3W 表示 4 層短切氈玻璃纖維間夾著 3 層連續(xù)玻璃纖維的復(fù)合材料樣品。可以看到，在鹽水中浸放 11 個(gè)月后，4W 樣品的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量分別下降了 25.5% 和 14.9%；而 4C3W 樣品則分別下降了 14% 和 10.1%。

除海水外，汽油、柴油、防凍劑、制動(dòng)液等石油產(chǎn)品的滲濕同樣會(huì)對(duì)復(fù)合材料性能帶來(lái)有害影響。圖 4顯示了 2 種復(fù)合材料在油水混合液中浸放后的拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度變化情況，可以看到，碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂和芳綸纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度分別下降了11% 和 25%，而 2 種材料的剪切強(qiáng)度則下降了多達(dá) 40%。

3 復(fù)合材料修復(fù)補(bǔ)丁設(shè)計(jì)

1）嵌接角

復(fù)合材料補(bǔ)丁設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)是嵌接角，合理的嵌接角可以使被修復(fù)結(jié)構(gòu)、粘接劑和修復(fù)材料間的連接強(qiáng)度更高。圖 5 和圖 6 分別為斜角嵌接和階梯嵌接復(fù)合材料層合板修復(fù)的示意圖。

在斜角嵌接修復(fù)中，在待修復(fù)結(jié)構(gòu)上砂磨出一定斜度的平面，是為了消除待修復(fù)結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，以使修復(fù)過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力均勻分布。嵌接角的不連續(xù)可能會(huì)造成粘接劑層厚度不均，導(dǎo)致修復(fù)后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降和疲勞易損。

階梯嵌接修復(fù)通常用于玻璃纖維層狀復(fù)合材料，而較少用于碳纖維層狀復(fù)合材料。在制備階梯嵌接角的過(guò)程中，如果誤傷到緊鄰層，將會(huì)破壞那一層材料的強(qiáng)度，致使修復(fù)后層狀復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)整體性下降，修復(fù)效果受到影響。階梯嵌接修復(fù)常用于雷達(dá)罩結(jié)構(gòu)。

航天工業(yè)領(lǐng)域的研究顯示，修復(fù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)時(shí)，嵌接角應(yīng)選在 2° ～ 6° 間，具體角度選擇與待修復(fù)位置和構(gòu)件厚度有關(guān)。當(dāng)復(fù)合材料構(gòu)件比較薄時(shí)，應(yīng)選取2°（斜度 1/50）的嵌接角；而當(dāng)修復(fù)位置在構(gòu)件邊緣時(shí)，由于邊緣較厚，可選取 6°（斜度 1/20）的嵌接角。采用小嵌接角修復(fù)較厚的復(fù)合材料層合板時(shí)，最顯而易見(jiàn)的一個(gè)壞處是需要除掉很大面積的未損材料。例如，在修復(fù)厚度為 10 mm 的復(fù)合材料層合板時(shí)，若采用 1/50 斜度的嵌接角，則需要從受損部分邊緣起，向外挖掉 500 mm 半徑面積的材料（見(jiàn)圖 7）。

2）接頭設(shè)計(jì)

在復(fù)合材料修復(fù)中，修復(fù)材料與被修復(fù)材料的接頭構(gòu)型在很大程度上影響著二者粘接的牢固程度。通過(guò)選擇合理的接頭構(gòu)型并采用適當(dāng)?shù)恼辰觿?，可以將接頭處的剝離應(yīng)力減低到可接受范圍。表 1 顯示了拉擠成型玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料與鋁板采用搭接粘接時(shí)，不同的接頭設(shè)計(jì)和滲出倒角對(duì)連接強(qiáng)度的影響。隨著表中接頭構(gòu)型復(fù)雜程度的增加（從 A 到 M），應(yīng)力能更好地從接頭處轉(zhuǎn)移至體材料中，接頭強(qiáng)度逐漸增大。反之，若沒(méi)有滲出倒角，則會(huì)引起應(yīng)力集中，造成接頭強(qiáng)度很低（A）。

表1 拉擠成型玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂與金屬鋁的多種接頭構(gòu)型情況Tab. 1 Tapered joints for glass FRP bonded to aluminum

表2 顯示了短切氈玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料與鋁板采用搭接粘接時(shí)，不同的接頭設(shè)計(jì)和滲出倒角對(duì)連接強(qiáng)度的影響。比較后可以發(fā)現(xiàn)，短切氈玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂的接頭強(qiáng)度比拉擠成型玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂低得多。而且，無(wú)論接頭構(gòu)型如何，其失效都發(fā)生在粘接劑和復(fù)合材料連接處，而非基體金屬。

表2 短切氈玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂與金屬鋁的多種接頭構(gòu)型情況Tab. 2 Tapered joints for chopped strand mat glass fiber/polyester bonded to aluminum

圖8 為上述 2 種復(fù)合材料采用不同的接頭構(gòu)型時(shí)接頭強(qiáng)度的對(duì)比圖。

3）滲出倒角

在復(fù)合材料修復(fù)過(guò)程中，將粘接劑壓擠到補(bǔ)丁邊緣之外，并形成滲出倒角（見(jiàn)圖 9 ），可以改變接頭處的應(yīng)力分布狀態(tài)，提高接頭強(qiáng)度。研究顯示，采用適當(dāng)?shù)臐B出倒角可以將修復(fù)接頭處的剝離應(yīng)力降低32% 以上。滲出倒角可選用不同的構(gòu)型，例如圖 9 中即采用了一種角度為 45°、厚度為 2 倍粘接劑層厚度的滲出倒角（hsp/ha= 2）。理論計(jì)算表明，采用這種滲出倒角后，接頭處的剝離應(yīng)力只有未采用滲出倒角時(shí)的 1/3。

4）粘接劑層厚度

搭接修復(fù)補(bǔ)丁要承受較大應(yīng)力和循環(huán)載荷，這些應(yīng)力和載荷將通過(guò)粘接劑層傳遞至被修復(fù)結(jié)構(gòu)。如果粘接劑層和補(bǔ)丁層太薄，可能造成撓性過(guò)大或強(qiáng)度不足。反之如果粘接劑層和補(bǔ)丁層過(guò)厚，可能造成剛性和脆性過(guò)大，并帶來(lái)附加重量。因此，粘接劑層的厚度如何選擇是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。

圖10 和圖 11 為 4 種彈性聚亞安酯粘接劑在不同厚度下的接頭強(qiáng)度?？梢钥吹?，在粘接劑厚度超過(guò)4 mm 時(shí)，3 種接頭的屈服強(qiáng)度明顯下降。而在厚度超過(guò) 1 mm 時(shí)，有 2 種接頭的斷裂強(qiáng)度急劇下降。綜合考慮復(fù)合材料的修復(fù)過(guò)程和環(huán)境等因素后，對(duì)于大多數(shù)接頭，推薦的粘接劑層最佳厚度范圍通常為 0.125～0.39 mm。

4 美國(guó)海軍水面艦艇推進(jìn)軸套的修復(fù)方法

軸套的主要作用是緩解海水對(duì)軸的腐蝕。美國(guó)海軍水面艦艇軸套的修復(fù)工作一般在艦艇進(jìn)入干船塢維修時(shí)進(jìn)行，但有時(shí)為了節(jié)省時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，這一工作也在艦艇不入塢的情況下開(kāi)展。為此海軍開(kāi)發(fā)出了在水下環(huán)境修復(fù)軸套的操作程序。典型的艦艇軸結(jié)構(gòu)如圖12 所示。

對(duì)軸套進(jìn)行修復(fù)的傳統(tǒng)做法，是在水下安裝一個(gè)無(wú)水隔離艙，如圖 13 所示，以供維修人員在里面開(kāi)展修復(fù)作業(yè)。在隔離艙中軸得以加熱，從而能減少修復(fù)材料的固化時(shí)間。

修復(fù)軸套時(shí)，將舊的軸套去除后，首先以垂直軸的方向纏繞第1層玻璃纖維樹(shù)脂，然后以與第1層呈一定角度的方向纏繞第2層，以此類推，共纏繞4層，如圖 14 所示。在每一層中都率先涂覆樹(shù)脂，然后纏繞玻璃纖維布，待纖維與樹(shù)脂充分浸潤(rùn)后，再涂覆下一層樹(shù)脂。

不過(guò)，為修復(fù)軸套而安裝隔離艙會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題。首先，維修人員在隔離艙里操作冒有一定安全風(fēng)險(xiǎn)。若隔離艙與船體的密封失效，涌進(jìn)的急流可能會(huì)使人員受傷。再者，現(xiàn)用的軸套樹(shù)脂要求在干態(tài)固化，一旦在固化時(shí)進(jìn)水，將導(dǎo)致材料變質(zhì)。第三，安裝隔離艙會(huì)導(dǎo)致工時(shí)和費(fèi)用增加。

因此，美國(guó)海軍希望開(kāi)發(fā)一套水下修復(fù)系統(tǒng)，不使用隔離艙而直接在水中更換艦艇軸套。重點(diǎn)要解決軸的表面處理、電化學(xué)腐蝕和修復(fù)材料固化時(shí)間等問(wèn)題。

去除舊軸套并對(duì)其進(jìn)行表面處理應(yīng)遵照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，采用鋼絲刷清理掉軸表面的海生物污垢、鐵銹和沉積氧化物，將軸表面不平整度減小至 3 mm 內(nèi)。在水下進(jìn)行表面處理時(shí)，無(wú)法采用硅烷等化學(xué)品對(duì)軸表面施以化學(xué)處理。

由于碳纖維復(fù)合材料具有導(dǎo)電性，在使用碳纖維復(fù)合材料修復(fù)軸套時(shí)，為避免發(fā)生電化學(xué)腐蝕，需在碳纖維復(fù)合材料和金屬軸之間加一層絕緣的玻璃纖維復(fù)合材料。當(dāng)然，使用玻璃纖維復(fù)合材料修復(fù)軸套時(shí)不用考慮電化學(xué)腐蝕問(wèn)題。

樹(shù)脂在水下環(huán)境的固化是另一個(gè)待解決的問(wèn)題?，F(xiàn)應(yīng)用的干態(tài)樹(shù)脂只能在空氣中固化，且要求軸表面溫度不低于 60 ℃（最佳固化溫度為 73 ℃）?，F(xiàn)已研究出可在水中固化的樹(shù)脂，在 1～3 h 可固化 20%～30%，在 8～24 h 固化 90%～95%。隨著研究的深入，玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料的固化時(shí)間都有望繼續(xù)縮短。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文跟蹤研究美國(guó)海軍復(fù)合材料的修復(fù)技術(shù)和修復(fù)方法。介紹美國(guó)海軍提出的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷分級(jí)概念，總結(jié)滲濕對(duì)復(fù)合材料性能的影響，梳理復(fù)合材料修復(fù)補(bǔ)丁設(shè)計(jì)。最后對(duì)美國(guó)海軍水面艦艇復(fù)合材料推進(jìn)軸套的具體修復(fù)方法進(jìn)行了介紹。

[1]WILLIAM L. HAGAN III. Nondestructive evaluation and underwater repair of composite structures, submitted to the department of mechanical engineering on in partial fulfillment of the requirements for the degrees of naval engineer and Master of Science in mechanical engineering, May 9, 2008

[2]陳祥寶. 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷修理, 化學(xué)工業(yè)出版社, 2001年1月.

[3]ZHANG, S, KARBHARI, V. M. Evaluation of property retention in eGlass/vinylester composites after exposure to Salt solution and natural weathering[J], Journal of Reinforced Plastics and Composites. 2000, 19(9): 704-731.

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Repair technology of composite materials in U.S. Navy

HE Lei1, ZHAO Man2
(1. Navy Representatives Office of Hudong-Zhonghua Shipbuilding Co.,Ltd., Shanghai 200129, China; 2. The 714 Research institute of CSIC, Beijing 100101, China)

Structural composite damage can seriously influences and degrades the ship’s performances, therefore effective and rapid repair of structural composite is one of the key technologies to the application of composite materials on shipboard. This thesis illustrates the available repair technologies and methods in U.S. Navy, determination of level of composite repair, influence of composite moisture intrusion, as well as the structural composite patch design. The repair procedure of U.S. Navy propulsion shaft covering is also introduced.

composite materials；repair；damage assessment；moisture intrusion

U674.03+1

A

1672 - 7619(2017)04 - 0149 - 05

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.04.030

2016 - 12 - 08；

2017 - 02 - 28

何磊(1982 - )，男，本科，從事船舶結(jié)構(gòu)材料研究。