复合材料挖补修理技术研究现状与发展趋势

杨献宇

摘 要：复合材料在风电叶片上有着十分广泛的应用，同时也推动了复合材料挖补修理技术的发展。从目前复合材料挖补修理技术的发展而言，主要包括损伤检测与评估、维修设计、维修工艺、维修验证与评估，均取得了很好的研究成果。基于此，本文重点分析论述复合材料挖补修理技术研究现状，并浅谈今后复合材料挖补修理技术的发展趋势。

关键词：复合材料;挖补修理技术;维修工艺

在风电叶片制造过程中，因为工艺方法、外部荷载、材料质量及环境等因素的影响，导致复合材料难免会出现损伤，但复合材料所出现的损伤通常不会直接显露在结构的表面，而是会隐藏在结构的内部[1]。复合材料所出现的损伤会严重影响承载能力，这对风电叶片的安全使用有很大的威胁。基于此，掌握复合材料各种故障的挖补修理技术尤为关键，务必给予高度的重视。

1复合材料挖补修理技术

就复合材料的挖补修理技术来说，其依赖于无损检测技术，可以精准确定出结构损伤源，而后去除损伤材料补上新材料。目前在复合材料的挖补修理技术中，最为常用的有两种，一种是斜接式，另外一种是阶梯式，均有较为广泛的应用。总的来说，复合材料挖补修理技术主要有以下四种：

①损伤检测与评估：在确定复合材料的结构损伤时，要做到精确定位和量化，当前主要是通过某种无损检测技术来确定复合材料的损伤位置与范围。就复合材料所出现的结构损伤来说，主要有穿孔、分层、基体破裂、凹坑、纤维断裂。为有效检测出这些结构损伤，通常情况下需要使用多种无损检测技术，可以确保损伤评估的精确度。

②维修设计：在维修设计过程中必须要采用可靠的计算分析方法，对复合材料结构故障开展全面的检查分析，以此来确定补片的几何形状、材料选择、胶粘剂、补片铺层顺序与层数。从目前复合材料挖补修理中所使用的分析方法来看，主要有两种，即有限元法、解析法。

③维修工艺：待确定维修设计方案后，即可以应用维修工艺来进行复合材料的维修。在损伤材料去除时可以使用复合材料加工技术，维修时要对待胶接面做好表面处理。

④维修验证与评估：待维修工作结束后，要采用相应的验证技术来评估维修工作的成效，确保维修后的结构可以满足要求。

2复合材料挖补修理技术研究现状

2.1损伤评估

在复合材料的挖补修理技术体系中，损伤评估技术占据有重要的地位，所发挥出的作用十分显著。目前来看，损伤评估中所包括的技术主要是无损检测技术与修理容限技术，无损检测技术中又包含着超声波、热成像、剪切散斑。以其中的热成像技术为例来说，当前的应用已经十分的广泛，非常适合应用在复合材料结构损伤的检测中。具体来说，当前所使用的热成像技术可以量化出复合材料结构损伤的大小与深度，检测工作所花费的时间短，且可以单边检测。但是也存在一定的局限性，比如需要精密的红外相机和外部热源，造价会比较高。

2.2维修设计

当前复合材料挖补修理技术中的维修设计工作主要依赖于两种方法，即基于解析模型的维修设计、基于数值模型的维修设计。以基于解析模型的维修设计为例来说，在设计时主要借助连续介质力学、积分方程法、广义平面应力等线弹性理论，可以有效的计算出复合材料挖补修理胶层的应力分布情况与裂纹，继而知晓胶层的厚度与接头长度[2]。但这种设计方式也存在着一定的问题，比如解析模型的线弹性理论无法精准的描述出复合材料结构的缺陷，母体与补片的几何形状也无法准确融入到解析模型中去。

2.3维修工艺

维修工艺的科学应用对复合材料挖补修理意义重大，也是一直以来重点研究的内容。借助已经完成的维修设计方案，可以采用多种维修工艺来制造补片和构件，有效的去除复合材料的损伤区域，保证复合材料的质量。目前复合材料挖补修理所使用的维修工艺主要有损伤材料去除、补片制造、表面处理、胶接固化这种工艺。以其中的表面处理为例来说，重点是要提升复合材料机械的粘附力，确保胶粘层与维修母体的分子与原子可以相互作用[3]。在应用开展表面处理工作时，不仅仅要清洁复合材料的表面，而且要对表面的物理性质和化学性质作一改变，增强复合材料的粘附力，打磨结合溶剂清洗是目前一种非常实用的表面处理工艺，但在改变复合材料物理性质与化学性质方面未能发挥良好的作用。基于此，近年来开始应用了等离子、脉冲激光烧蚀等表面处理方法，可很好的改变复合材的物理性质与化学性质，应用优势显著。

2.4复合材料挖补修理技术的发展趋势

复合材料挖补修理技术对风电叶片的安全应用有着至关重要的意义，但当前阶段的复合材料挖补修理技术还有不足之处，后续必须要进一步加大复合材料挖补修理技术的研究力度。总的来说，后续要将重点放在以下方面：

①为提升复合材料的损伤检测与评估质量，单纯依赖无损检测技术与修理容限技术还无法有效实现，后续要努力朝着非接触式损伤检测与评估技术的方向发展。

②当前所使用的机械加工方式并不能很有效的除掉复合材料的损伤材料，后续要进一步去发展激光切割技术和水切割技术，努力实现复合材料的自动化去除。

③要想對复合材料的表面进行有效的物理处理和化学处理，改变其特性，必须具备先进的表面处理方法。在复合材料的表面处理技术研究中要进一步加大力度。

3结语

复合材料挖补修理技术的应用优势十分显著，对风电叶片的安全使用有重要意义，但鉴于当前所使用的复合材料挖补修理技术还有较多局限和不足。因此，今后要进一步加大研究力度，尤其是做好损伤评估技术、维修设计、维修工艺这三个方面的研究工作，以便更好的增强复合材料挖补修理技术的应用效果。

参考文献：

[1]赵书寒，李成，段玥晨.基于渐进损伤理论的复合材料挖补修理结构静拉伸强度数值分析[J].科学技术与工程，2019，19（36）：99-104.

[2]赵志彬，谢逸夫，刘志琪.复合材料蜂窝结构渐进损伤评估及挖补修理研究[J].西北工业大学学报，2020，38（5）：7.

[3]包啸，何凯，周建.复合材料泡沫夹层结构板-芯缺陷注射修补工艺研究[J].化工新型材料，2020，48（9）：243-246.