美國海軍復合材料修復技術

何 磊，趙 滿

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

美國海軍復合材料修復技術

何 磊1，趙 滿2

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

復合材料上艦應用的關鍵之一是能夠?qū)秃喜牧辖Y(jié)構進行有效、快速地修復，避免由于材料結(jié)構受到損傷而對裝備性能造成無法恢復的影響。本文研究了美國海軍復合材料的修復技術和修復方法，介紹了美國海軍提出的復合材料結(jié)構損傷分級概念，總結(jié)了滲濕對復合材料性能的影響，梳理了復合材料修復補丁設計，最后對美國海軍水面艦艇復合材料推進軸套的具體修復方法進行了介紹。

復合材料；修復；損傷評估；滲濕

0 引 言

艦船裝備發(fā)展追求更大的有效負載，更高的效率、更強的綜合隱身能力、更低的全壽期費用，因此質(zhì)量輕、可設計性強、耐腐蝕的復合材料成為未來艦船裝備設計使用的最佳選擇之一。從國外艦船復合材料的發(fā)展情況來看，先進復合材料在艦船裝備中的應用范圍正在不斷擴展，現(xiàn)已廣泛用于制造大型水面艦艇的大型結(jié)構件、功能件以及一些關鍵零部件，為提升海軍裝備性能和戰(zhàn)斗力提供了物質(zhì)基礎。

復合材料上艦應用的關鍵之一是能夠?qū)秃喜牧辖Y(jié)構進行有效、快速的修復，及時彌補由于材料受到損傷而對裝備性能造成的不利影響。

復合材料的損傷形式與金屬材料有顯著差別，不能簡單地將傳統(tǒng)金屬結(jié)構修復方法直接移植于復合材料結(jié)構的修復。采用不適當?shù)姆椒ㄐ迯蛷秃喜牧希貌坏胶玫男迯托Ч€會影響裝備的使用性能。

美國海軍擁有艦船復合材料的多年使用經(jīng)驗，對復合材料修復方法和修復技術的探索和研究處于世界先進水平，建立復合材料結(jié)構損傷分級概念，總結(jié)海軍特殊使用環(huán)境下滲濕對復合材料性能的影響，研究復合材料修復補丁設計方法，積累艦船復合材料部件的修復經(jīng)驗，對于我國開展艦船復合材料修復研究具有借鑒作用。

1 復合材料結(jié)構損傷分級

對任何材料來說，損傷評估都是材料修復過程中非常關鍵的一環(huán)。損傷評估能夠?qū)Y(jié)構安全性、剩余使用壽命和繼續(xù)使用可能帶來的后果進行評定。在精確的損傷評估基礎上，對結(jié)構是否需要修復、損傷對周邊結(jié)構的影響程度、修復方法和修復費用等問題都能做出較準確的判斷。相比于鋼鐵材料，復合材料的修復對設備和維修人員的要求要高很多。因此復合材料結(jié)構的損傷評估對于后續(xù)可能開展的材料修復工作意義重大。圖 1 顯示了復合材料修復方式與損傷程度和滲濕程度的關系。

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

許可損傷是指不影響結(jié)構完整性或構件性能的小損傷。這種損傷在設計壽命之內(nèi)不需要進行修理。有些許可損傷是有時間限制的，雖然可能暫時不影響結(jié)構完整性和部件功能，但在使用條件下，這些缺陷和損傷可能擴展，使結(jié)構的剩余強度下降，從而降低設計壽命。因此，在時間限制結(jié)束前，必須對其進行永久修復。有些損傷在許可損傷尺寸范圍的邊緣，這些損傷會輕微的影響部件的完整性和設計壽命。因此在按規(guī)定對這些損傷進行永久修復前，還要進行臨時修復。

需修復損傷是指在部件制造和使用過程中產(chǎn)生的、影響結(jié)構完整性或部件性能的損傷。這些損傷必須及時進行修復。

不可修復損傷是指損傷已經(jīng)超過可修復極限，在這種情況下，復合材料結(jié)構只能進行更換。有時，零部件更換本身也算作一種修復手段。

上述損傷分級方式適用于任何復合材料結(jié)構。對于艦船復合材料，特別是服役環(huán)境在水下的復合材料來說，由于其特殊的使用環(huán)境，滲濕成為最為常見的一種損傷方式。針對這一特點，可以將艦船復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展水下修復。最佳的方法是采用水下固化環(huán)氧樹脂或經(jīng)過預浸處理的復合材料鋪層對其進行修復。

表面損傷盡管可能看上去微不足道，但表面層下的實際損傷可能遠不止顯露出的這樣小，這在某些碳纖維復合材料中有所體現(xiàn)。而一些較明顯的損傷，如位于材料表面上的小凹痕等，可能對結(jié)構的性能影響不大，這時可用適當?shù)幕衔锊牧蠈ζ溥M行修補，恢復其強度和水動力性能。艦艇水線以上結(jié)構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)逐艦為增強隱身性，將碳纖維復合材料上層建筑的外表設計得連續(xù)平滑，而外觀缺陷無疑會破壞這一特性。

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結(jié)構的破壞更大。當粘接劑暴露于水中時，會發(fā)生塑化并使粘接強度降低。試驗結(jié)果表明，暴露在濃度為 5% 的鹽水環(huán)境中 3 個月，粘接強度的下降比暴露在高溫高濕的空氣環(huán)境中 3 年還要嚴重。因此，對于材料內(nèi)部滲濕損傷，發(fā)現(xiàn)后應設法盡快修復。

2 滲濕對復合材料性能的影響

復合材料結(jié)構發(fā)生滲濕后，各項性能可能受到不同程度的影響。《環(huán)境對復合材料的影響》論文指出，滲濕可使聚酯基層狀復合材料的強度降低10%～15%，而對環(huán)氧樹脂基復合材料強度的影響則小得多。圖 2 和圖 3 顯示了 2 種 E 型玻璃纖維/乙烯基酯復合材料在濃度為 2.5% 的鹽水中浸放一段時間后強度和模量的變化情況，其中 4W 表示 4 層連續(xù)玻璃纖維復合材料樣品，4C3W 表示 4 層短切氈玻璃纖維間夾著 3 層連續(xù)玻璃纖維的復合材料樣品。可以看到，在鹽水中浸放 11 個月后，4W 樣品的拉伸強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、制動液等石油產(chǎn)品的滲濕同樣會對復合材料性能帶來有害影響。圖 4顯示了 2 種復合材料在油水混合液中浸放后的拉伸強度和剪切強度變化情況，可以看到，碳纖維環(huán)氧樹脂和芳綸纖維環(huán)氧樹脂復合材料的拉伸強度分別下降了11% 和 25%，而 2 種材料的剪切強度則下降了多達 40%。

3 復合材料修復補丁設計

1）嵌接角

復合材料補丁設計的一個重要參數(shù)是嵌接角，合理的嵌接角可以使被修復結(jié)構、粘接劑和修復材料間的連接強度更高。圖 5 和圖 6 分別為斜角嵌接和階梯嵌接復合材料層合板修復的示意圖。

在斜角嵌接修復中，在待修復結(jié)構上砂磨出一定斜度的平面，是為了消除待修復結(jié)構的不連續(xù)性，以使修復過程中產(chǎn)生的應力均勻分布。嵌接角的不連續(xù)可能會造成粘接劑層厚度不均，導致修復后結(jié)構強度下降和疲勞易損。

階梯嵌接修復通常用于玻璃纖維層狀復合材料，而較少用于碳纖維層狀復合材料。在制備階梯嵌接角的過程中，如果誤傷到緊鄰層，將會破壞那一層材料的強度，致使修復后層狀復合材料的結(jié)構整體性下降，修復效果受到影響。階梯嵌接修復常用于雷達罩結(jié)構。

航天工業(yè)領域的研究顯示，修復復合材料結(jié)構時，嵌接角應選在 2° ～ 6° 間，具體角度選擇與待修復位置和構件厚度有關。當復合材料構件比較薄時，應選取2°（斜度 1/50）的嵌接角；而當修復位置在構件邊緣時，由于邊緣較厚，可選取 6°（斜度 1/20）的嵌接角。采用小嵌接角修復較厚的復合材料層合板時，最顯而易見的一個壞處是需要除掉很大面積的未損材料。例如，在修復厚度為 10 mm 的復合材料層合板時，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（見圖 7）。

2）接頭設計

在復合材料修復中，修復材料與被修復材料的接頭構型在很大程度上影響著二者粘接的牢固程度。通過選擇合理的接頭構型并采用適當?shù)恼辰觿梢詫⒔宇^處的剝離應力減低到可接受范圍。表 1 顯示了拉擠成型玻璃纖維增強樹脂復合材料與鋁板采用搭接粘接時，不同的接頭設計和滲出倒角對連接強度的影響。隨著表中接頭構型復雜程度的增加（從 A 到 M），應力能更好地從接頭處轉(zhuǎn)移至體材料中，接頭強度逐漸增大。反之，若沒有滲出倒角，則會引起應力集中，造成接頭強度很低（A）。

表1 拉擠成型玻璃纖維增強樹脂與金屬鋁的多種接頭構型情況Tab. 1 Tapered joints for glass FRP bonded to aluminum

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

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

圖8 為上述 2 種復合材料采用不同的接頭構型時接頭強度的對比圖。

3）滲出倒角

在復合材料修復過程中，將粘接劑壓擠到補丁邊緣之外，并形成滲出倒角（見圖 9 ），可以改變接頭處的應力分布狀態(tài)，提高接頭強度。研究顯示，采用適當?shù)臐B出倒角可以將修復接頭處的剝離應力降低32% 以上。滲出倒角可選用不同的構型，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）。理論計算表明，采用這種滲出倒角后，接頭處的剝離應力只有未采用滲出倒角時的 1/3。

4）粘接劑層厚度

搭接修復補丁要承受較大應力和循環(huán)載荷，這些應力和載荷將通過粘接劑層傳遞至被修復結(jié)構。如果粘接劑層和補丁層太薄，可能造成撓性過大或強度不足。反之如果粘接劑層和補丁層過厚，可能造成剛性和脆性過大，并帶來附加重量。因此，粘接劑層的厚度如何選擇是一個值得研究的問題。

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度。可以看到，在粘接劑厚度超過4 mm 時，3 種接頭的屈服強度明顯下降。而在厚度超過 1 mm 時，有 2 種接頭的斷裂強度急劇下降。綜合考慮復合材料的修復過程和環(huán)境等因素后，對于大多數(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 美國海軍水面艦艇推進軸套的修復方法

軸套的主要作用是緩解海水對軸的腐蝕。美國海軍水面艦艇軸套的修復工作一般在艦艇進入干船塢維修時進行，但有時為了節(jié)省時間和經(jīng)費，這一工作也在艦艇不入塢的情況下開展。為此海軍開發(fā)出了在水下環(huán)境修復軸套的操作程序。典型的艦艇軸結(jié)構如圖12 所示。

對軸套進行修復的傳統(tǒng)做法，是在水下安裝一個無水隔離艙，如圖 13 所示，以供維修人員在里面開展修復作業(yè)。在隔離艙中軸得以加熱，從而能減少修復材料的固化時間。

修復軸套時，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脂，然后纏繞玻璃纖維布，待纖維與樹脂充分浸潤后，再涂覆下一層樹脂。

不過，為修復軸套而安裝隔離艙會帶來一些問題。首先，維修人員在隔離艙里操作冒有一定安全風險。若隔離艙與船體的密封失效，涌進的急流可能會使人員受傷。再者，現(xiàn)用的軸套樹脂要求在干態(tài)固化，一旦在固化時進水，將導致材料變質(zhì)。第三，安裝隔離艙會導致工時和費用增加。

因此，美國海軍希望開發(fā)一套水下修復系統(tǒng)，不使用隔離艙而直接在水中更換艦艇軸套。重點要解決軸的表面處理、電化學腐蝕和修復材料固化時間等問題。

去除舊軸套并對其進行表面處理應遵照現(xiàn)行標準，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)。在水下進行表面處理時，無法采用硅烷等化學品對軸表面施以化學處理。

由于碳纖維復合材料具有導電性，在使用碳纖維復合材料修復軸套時，為避免發(fā)生電化學腐蝕，需在碳纖維復合材料和金屬軸之間加一層絕緣的玻璃纖維復合材料。當然，使用玻璃纖維復合材料修復軸套時不用考慮電化學腐蝕問題。

樹脂在水下環(huán)境的固化是另一個待解決的問題。現(xiàn)應用的干態(tài)樹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 ℃）。現(xiàn)已研究出可在水中固化的樹脂，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合材料的固化時間都有望繼續(xù)縮短。

5 結(jié) 語

本文跟蹤研究美國海軍復合材料的修復技術和修復方法。介紹美國海軍提出的復合材料結(jié)構損傷分級概念，總結(jié)滲濕對復合材料性能的影響，梳理復合材料修復補丁設計。最后對美國海軍水面艦艇復合材料推進軸套的具體修復方法進行了介紹。

[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. 復合材料結(jié)構損傷修理, 化學工業(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.

[4]SAITO, H. KIMPARA, I. Effect of water absorption on compressive strength after impact and post impact fatigue behavior of woven and knitted CFRP laminates, Advances in Composite Materials and Structures. Switzerland: Trans Tech Publications. 2007.

[5]CHARALAMBIDES, M. N., HARDOUIN, R., KINLOCH, A. J. et al, Adhesively-bonded repairs to fibre-composite materials I: Experimental, Composites Part A. 1998, 29A: 1371-1381.

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)構材料研究。