美国海军复合材料修复技术

何 磊，赵 满

(1. 海军驻沪东中华造船（集团）有限公司军事代表室，上海 200129；2. 中国船舶重工集团公司第七一四研究所，北京 100101)

美国海军复合材料修复技术

何 磊1，赵 满2

(1. 海军驻沪东中华造船（集团）有限公司军事代表室，上海 200129；2. 中国船舶重工集团公司第七一四研究所，北京 100101)

复合材料上舰应用的关键之一是能够对复合材料结构进行有效、快速地修复，避免由于材料结构受到损伤而对装备性能造成无法恢复的影响。本文研究了美国海军复合材料的修复技术和修复方法，介绍了美国海军提出的复合材料结构损伤分级概念，总结了渗湿对复合材料性能的影响，梳理了复合材料修复补丁设计，最后对美国海军水面舰艇复合材料推进轴套的具体修复方法进行了介绍。

复合材料；修复；损伤评估；渗湿

0 引 言

舰船装备发展追求更大的有效负载，更高的效率、更强的综合隐身能力、更低的全寿期费用，因此质量轻、可设计性强、耐腐蚀的复合材料成为未来舰船装备设计使用的最佳选择之一。从国外舰船复合材料的发展情况来看，先进复合材料在舰船装备中的应用范围正在不断扩展，现已广泛用于制造大型水面舰艇的大型结构件、功能件以及一些关键零部件，为提升海军装备性能和战斗力提供了物质基础。

复合材料上舰应用的关键之一是能够对复合材料结构进行有效、快速的修复，及时弥补由于材料受到损伤而对装备性能造成的不利影响。

复合材料的损伤形式与金属材料有显著差别，不能简单地将传统金属结构修复方法直接移植于复合材料结构的修复。采用不适当的方法修复复合材料，往往得不到好的修复效果，还会影响装备的使用性能。

美国海军拥有舰船复合材料的多年使用经验，对复合材料修复方法和修复技术的探索和研究处于世界先进水平，建立复合材料结构损伤分级概念，总结海军特殊使用环境下渗湿对复合材料性能的影响，研究复合材料修复补丁设计方法，积累舰船复合材料部件的修复经验，对于我国开展舰船复合材料修复研究具有借鉴作用。

1 复合材料结构损伤分级

对任何材料来说，损伤评估都是材料修复过程中非常关键的一环。损伤评估能够对结构安全性、剩余使用寿命和继续使用可能带来的后果进行评定。在精确的损伤评估基础上，对结构是否需要修复、损伤对周边结构的影响程度、修复方法和修复费用等问题都能做出较准确的判断。相比于钢铁材料，复合材料的修复对设备和维修人员的要求要高很多。因此复合材料结构的损伤评估对于后续可能开展的材料修复工作意义重大。图 1 显示了复合材料修复方式与损伤程度和渗湿程度的关系。

从复合材料结构的安全性考虑，通常可以将复合材料的损伤分为：即许可损伤、需修复损伤和不可修复损伤三大类。

许可损伤是指不影响结构完整性或构件性能的小损伤。这种损伤在设计寿命之内不需要进行修理。有些许可损伤是有时间限制的，虽然可能暂时不影响结构完整性和部件功能，但在使用条件下，这些缺陷和损伤可能扩展，使结构的剩余强度下降，从而降低设计寿命。因此，在时间限制结束前，必须对其进行永久修复。有些损伤在许可损伤尺寸范围的边缘，这些损伤会轻微的影响部件的完整性和设计寿命。因此在按规定对这些损伤进行永久修复前，还要进行临时修复。

需修复损伤是指在部件制造和使用过程中产生的、影响结构完整性或部件性能的损伤。这些损伤必须及时进行修复。

不可修复损伤是指损伤已经超过可修复极限，在这种情况下，复合材料结构只能进行更换。有时，零部件更换本身也算作一种修复手段。

上述损伤分级方式适用于任何复合材料结构。对于舰船复合材料，特别是服役环境在水下的复合材料来说，由于其特殊的使用环境，渗湿成为最为常见的一种损伤方式。针对这一特点，可以将舰船复合材料的损伤分为未浸透轻微损伤和表层浸透损伤两类。

1）未浸透轻微损伤

如果材料只是受到轻微损伤，并没有沿着基体裂纹或表面裂纹发生渗湿，则这种未浸透轻微损伤适合开展水下修复。最佳的方法是采用水下固化环氧树脂或经过预浸处理的复合材料铺层对其进行修复。

表面损伤尽管可能看上去微不足道，但表面层下的实际损伤可能远不止显露出的这样小，这在某些碳纤维复合材料中有所体现。而一些较明显的损伤，如位于材料表面上的小凹痕等，可能对结构的性能影响不大，这时可用适当的化合物材料对其进行修补，恢复其强度和水动力性能。舰艇水线以上结构如果存在大量外形缺陷，可能降低其隐身性能。例如，DDG-1000驱逐舰为增强隐身性，将碳纤维复合材料上层建筑的外表设计得连续平滑，而外观缺陷无疑会破坏这一特性。

2）表层浸透损伤

引起材料内部渗湿的损伤比表层损伤对结构的破坏更大。当粘接剂暴露于水中时，会发生塑化并使粘接强度降低。试验结果表明，暴露在浓度为 5% 的盐水环境中 3 个月，粘接强度的下降比暴露在高温高湿的空气环境中 3 年还要严重。因此，对于材料内部渗湿损伤，发现后应设法尽快修复。

2 渗湿对复合材料性能的影响

复合材料结构发生渗湿后，各项性能可能受到不同程度的影响。《环境对复合材料的影响》论文指出，渗湿可使聚酯基层状复合材料的强度降低10%～15%，而对环氧树脂基复合材料强度的影响则小得多。图 2 和图 3 显示了 2 种 E 型玻璃纤维/乙烯基酯复合材料在浓度为 2.5% 的盐水中浸放一段时间后强度和模量的变化情况，其中 4W 表示 4 层连续玻璃纤维复合材料样品，4C3W 表示 4 层短切毡玻璃纤维间夹着 3 层连续玻璃纤维的复合材料样品。可以看到，在盐水中浸放 11 个月后，4W 样品的拉伸强度和拉伸模量分别下降了 25.5% 和 14.9%；而 4C3W 样品则分别下降了 14% 和 10.1%。

除海水外，汽油、柴油、防冻剂、制动液等石油产品的渗湿同样会对复合材料性能带来有害影响。图 4显示了 2 种复合材料在油水混合液中浸放后的拉伸强度和剪切强度变化情况，可以看到，碳纤维环氧树脂和芳纶纤维环氧树脂复合材料的拉伸强度分别下降了11% 和 25%，而 2 种材料的剪切强度则下降了多达 40%。

3 复合材料修复补丁设计

1）嵌接角

复合材料补丁设计的一个重要参数是嵌接角，合理的嵌接角可以使被修复结构、粘接剂和修复材料间的连接强度更高。图 5 和图 6 分别为斜角嵌接和阶梯嵌接复合材料层合板修复的示意图。

在斜角嵌接修复中，在待修复结构上砂磨出一定斜度的平面，是为了消除待修复结构的不连续性，以使修复过程中产生的应力均匀分布。嵌接角的不连续可能会造成粘接剂层厚度不均，导致修复后结构强度下降和疲劳易损。

阶梯嵌接修复通常用于玻璃纤维层状复合材料，而较少用于碳纤维层状复合材料。在制备阶梯嵌接角的过程中，如果误伤到紧邻层，将会破坏那一层材料的强度，致使修复后层状复合材料的结构整体性下降，修复效果受到影响。阶梯嵌接修复常用于雷达罩结构。

航天工业领域的研究显示，修复复合材料结构时，嵌接角应选在 2° ～ 6° 间，具体角度选择与待修复位置和构件厚度有关。当复合材料构件比较薄时，应选取2°（斜度 1/50）的嵌接角；而当修复位置在构件边缘时，由于边缘较厚，可选取 6°（斜度 1/20）的嵌接角。采用小嵌接角修复较厚的复合材料层合板时，最显而易见的一个坏处是需要除掉很大面积的未损材料。例如，在修复厚度为 10 mm 的复合材料层合板时，若采用 1/50 斜度的嵌接角，则需要从受损部分边缘起，向外挖掉 500 mm 半径面积的材料（见图 7）。

2）接头设计

在复合材料修复中，修复材料与被修复材料的接头构型在很大程度上影响着二者粘接的牢固程度。通过选择合理的接头构型并采用适当的粘接剂，可以将接头处的剥离应力减低到可接受范围。表 1 显示了拉挤成型玻璃纤维增强树脂复合材料与铝板采用搭接粘接时，不同的接头设计和渗出倒角对连接强度的影响。随着表中接头构型复杂程度的增加（从 A 到 M），应力能更好地从接头处转移至体材料中，接头强度逐渐增大。反之，若没有渗出倒角，则会引起应力集中，造成接头强度很低（A）。

表1 拉挤成型玻璃纤维增强树脂与金属铝的多种接头构型情况Tab. 1 Tapered joints for glass FRP bonded to aluminum

表2 显示了短切毡玻璃纤维增强树脂复合材料与铝板采用搭接粘接时，不同的接头设计和渗出倒角对连接强度的影响。比较后可以发现，短切毡玻璃纤维增强树脂的接头强度比拉挤成型玻璃纤维增强树脂低得多。而且，无论接头构型如何，其失效都发生在粘接剂和复合材料连接处，而非基体金属。

表2 短切毡玻璃纤维增强树脂与金属铝的多种接头构型情况Tab. 2 Tapered joints for chopped strand mat glass fiber/polyester bonded to aluminum

图8 为上述 2 种复合材料采用不同的接头构型时接头强度的对比图。

3）渗出倒角

在复合材料修复过程中，将粘接剂压挤到补丁边缘之外，并形成渗出倒角（见图 9 ），可以改变接头处的应力分布状态，提高接头强度。研究显示，采用适当的渗出倒角可以将修复接头处的剥离应力降低32% 以上。渗出倒角可选用不同的构型，例如图 9 中即采用了一种角度为 45°、厚度为 2 倍粘接剂层厚度的渗出倒角（hsp/ha= 2）。理论计算表明，采用这种渗出倒角后，接头处的剥离应力只有未采用渗出倒角时的 1/3。

4）粘接剂层厚度

搭接修复补丁要承受较大应力和循环载荷，这些应力和载荷将通过粘接剂层传递至被修复结构。如果粘接剂层和补丁层太薄，可能造成挠性过大或强度不足。反之如果粘接剂层和补丁层过厚，可能造成刚性和脆性过大，并带来附加重量。因此，粘接剂层的厚度如何选择是一个值得研究的问题。

图10 和图 11 为 4 种弹性聚亚安酯粘接剂在不同厚度下的接头强度。可以看到，在粘接剂厚度超过4 mm 时，3 种接头的屈服强度明显下降。而在厚度超过 1 mm 时，有 2 种接头的断裂强度急剧下降。综合考虑复合材料的修复过程和环境等因素后，对于大多数接头，推荐的粘接剂层最佳厚度范围通常为 0.125～0.39 mm。

4 美国海军水面舰艇推进轴套的修复方法

轴套的主要作用是缓解海水对轴的腐蚀。美国海军水面舰艇轴套的修复工作一般在舰艇进入干船坞维修时进行，但有时为了节省时间和经费，这一工作也在舰艇不入坞的情况下开展。为此海军开发出了在水下环境修复轴套的操作程序。典型的舰艇轴结构如图12 所示。

对轴套进行修复的传统做法，是在水下安装一个无水隔离舱，如图 13 所示，以供维修人员在里面开展修复作业。在隔离舱中轴得以加热，从而能减少修复材料的固化时间。

修复轴套时，将旧的轴套去除后，首先以垂直轴的方向缠绕第1层玻璃纤维树脂，然后以与第1层呈一定角度的方向缠绕第2层，以此类推，共缠绕4层，如图 14 所示。在每一层中都率先涂覆树脂，然后缠绕玻璃纤维布，待纤维与树脂充分浸润后，再涂覆下一层树脂。

不过，为修复轴套而安装隔离舱会带来一些问题。首先，维修人员在隔离舱里操作冒有一定安全风险。若隔离舱与船体的密封失效，涌进的急流可能会使人员受伤。再者，现用的轴套树脂要求在干态固化，一旦在固化时进水，将导致材料变质。第三，安装隔离舱会导致工时和费用增加。

因此，美国海军希望开发一套水下修复系统，不使用隔离舱而直接在水中更换舰艇轴套。重点要解决轴的表面处理、电化学腐蚀和修复材料固化时间等问题。

去除旧轴套并对其进行表面处理应遵照现行标准，采用钢丝刷清理掉轴表面的海生物污垢、铁锈和沉积氧化物，将轴表面不平整度减小至 3 mm 内。在水下进行表面处理时，无法采用硅烷等化学品对轴表面施以化学处理。

由于碳纤维复合材料具有导电性，在使用碳纤维复合材料修复轴套时，为避免发生电化学腐蚀，需在碳纤维复合材料和金属轴之间加一层绝缘的玻璃纤维复合材料。当然，使用玻璃纤维复合材料修复轴套时不用考虑电化学腐蚀问题。

树脂在水下环境的固化是另一个待解决的问题。现应用的干态树脂只能在空气中固化，且要求轴表面温度不低于 60 ℃（最佳固化温度为 73 ℃）。现已研究出可在水中固化的树脂，在 1～3 h 可固化 20%～30%，在 8～24 h 固化 90%～95%。随着研究的深入，玻璃纤维和碳纤维复合材料的固化时间都有望继续缩短。

5 结 语

本文跟踪研究美国海军复合材料的修复技术和修复方法。介绍美国海军提出的复合材料结构损伤分级概念，总结渗湿对复合材料性能的影响，梳理复合材料修复补丁设计。最后对美国海军水面舰艇复合材料推进轴套的具体修复方法进行了介绍。

[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]陈祥宝. 复合材料结构损伤修理, 化学工业出版社, 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，从事船舶结构材料研究。