复合材料损伤及其修复技术研究

复合材料损伤及其修复技术研究
【摘要】：复合材料是一种新材料，因为其许多特有的优点已经在航空航天、建
筑桥梁等领域得到广泛应用，复合材料的损伤修复也逐渐成为研究项目中的热
点。其中光修复技术是用得较多的一种，本研究以较常用的复合材料为试件，在
简要介绍复合材料的基础上对光修复技术做了详细介绍，期望能为进一步研究复
合材料的光修复技术奠定基础。
【关键词】：复合材料；损伤；光修复
引言
复合材料无论是力学性能、损伤情况、失效方面都要比单一材料复杂很多。
由于其基体的强度要比增强纤维的强度低很多，导致它抗冲击的性能较差，横向
强度以及层间的剪切强度也比较低，当受到局部的冲击时，复合材料普遍会出现
纤维断裂、凹痕、剥层、基体破裂等一些损伤现象。而且一旦发生损伤，损伤的
区域会在周期性的应力作用下逐渐扩大，进一步影响到复合材料的继续使用。从
上个世纪的80年代初，国外已经着手研究和解决复合材料的修复问题，先后投
入了大量的人力、物力和资金。到目前为止，美国和欧洲的一些大公司对关于飞
机复合材料损伤修理问题开展了较为广泛的研究，并且己经取得一定的成果，但
仍然在不断的发展中。早在上个世纪80年代中期，欧美的许多大公司就在飞机
的设计文件以及使用手册里面详细规定了复合材料的修复方法，比如美国波音公
司的A320维护手册和F-16修理手册。近年来，国内航空航天系统的相关部门对
这个问题的紧迫性和重要性已经有所认识，在复合材料的修复问题上也作了许多
工作并取得了一些进展，相继成立了空中客车亚洲复合材料结构维修和中国东方
航空公司空中客车复合材料结构修理专家系统等致力于研究复合材料修复的机
构。但从总体上来看，重视程度依然不够、投资也不足，所以基本上没解决什么
问题。对许多缺陷和损伤没有制定明确的修理方法，修理材料、工艺设备等也不
够完善。因此，我们通过研究制定关于复合材料的修复手册，更加高效地解决有
关复合材料修复的问题，使复合材料能够得到更加广泛的应用。
1.复合材料的性能与特点
复合材料具有很多良好的性能，复合材料代替铝合金结构，可大大降低飞行
器的自重。复合材料最为突出的优势是比模量和比强度(即模量、强度和密度的
比值)高。比模量和比强度是材料的承载能力相当重要的指标，如果比强度值越
高，其零件的自重就会越小；比模量值越高，零件自身的刚性就会越大。表1
是一些金属材料和复合材料的比刚度以及比强度的对照。
表1 常用材料的比强度和比刚度（单位：Gpa）
材料名称 材料比重 拉伸强度 弹性模量 比强度 比模量
铝合金L65 2.8 0.46 72 0.17 26
钛合金DTD 4.5 0.93 110 0.21 24
钢S97 7.8 0.99 207 0.73 27
硼 2.5 3.5 420 1.40 168
Kevlar 1.44 2.8 130 1.94 90
Ⅰ碳纤维 2.0 1.9 400 0.95 200
Ⅱ碳纤维 1.7 2.6 200 1.52 118
E-玻璃 2.54 2.6 84 0.98 33
复合材料另一个突出特点是它的抗疲劳性很好，疲劳破坏是指材料由于变载荷的
作用，产生裂缝并导致裂缝逐渐扩展而形成的低应力破坏。金属材料发生疲劳破
坏时没有任何预兆，是突然发展的。但是纤维材料却不同，它的破坏一般是从纤
维的最薄弱的环节展开的，然后逐渐扩展到纤维与基体的结合面上，正是这一界
面能阻止裂纹的进一步扩展，因此，它的破坏是有明显预兆的。另外，纤维复合
材料还具有很好的抗声振疲劳性能。出了以上突出有点，复合材料还具有吸能、
减振、耐磨、绝缘、耐热和耐腐蚀等许多优点。这也是为什么复合材料能够在民
用飞机和军用飞机上都得到极为广泛的应用。
2.复合材料修复的要求
2.1要求修复后可以恢复结构达到标准
修补后，材料的刚度和强度要恢复到设计许可值；恢复结构的耐久性；恢复
结构的使用功能：结构修补后重量增加最少；对于飞机控制面的修补，重量分布
要满足气动平衡要求。美国联邦航空管理局(FAA)于1984年专门就复合材料飞机
结构发出的答询通报AC-107中就修复问题明确规定：维修手册中提供的修复程
序应通过分析和实验验证，证明该修复方法可以恢复结构达到适航标准。
2.2要求可以在线修复
修理时间要求尽量少，修补过程中使用的设备和工具要少。由于复合材料及
其构件在使用过程中损伤或局部破坏不可避免，现役飞行器的外场快速修复矛盾
日益突出：同样在生产过程中冷、热加工的不当操作导致的损伤将直接影响产品
质量与经济效益，在线产品的快速修复技术也日趋重要。传统的修复方法如铆(螺)
接、粘接、超声波焊接、电阻加热、感应加热虽各具特色，但都有不足之处，难
以达到快速修复的目的。寻找适合于在线产品快速修复以及现役飞行器的外场快
速修复方法，是复合材料在航空航天领域应用的迫切需要。
3.光修复技术在复合材料的损伤修复中的应用
3.1基本原理
颜色不同的光，其波长不同，具有的能量的也会不同。通过光化当量定律能
够求出各种不同波段的光具有的能量，爱因斯坦认为，在光化学反应中，反应分
子在吸收一定量的频率光之后会发生反应。
从力学上看，分子是由一种具有质量的原子以及能够将这些原子结合起来
的、具有一定结合能力的“弹簧”所组成的。而这种“弹簧”一般有两种类型的
振动，一类是沿着结合成原子的那个方向作的伸缩运动；一类是脱离结合轴从而
改变角度的变角振动。在常温下，几乎所有的分子都处于不断振动且量子数为零
的状态，通过吸收光线能这一方式达到改变分子能级是不大可能的。实际上，因
为不同的振动能级的分子能够形成许多转动能级，所以要想改变分子的振动能
级，还需要一个必要条件，那就是通过振动是分子的对称性发生变化从而改变偶
极矩。如果分子里面的伸缩振动是由同一种原子造成的，那么这种震动就是对称
性的，就不会显示出极性，这样分子就不能吸收光子。同样的道理，在有两个原
子的分子中，如果原子大小不一，我们就可以认为该分子不是对称的，从直观来
说，可认为该分子极性大，对光线是极为敏感的，产生震动时偶极距变化很大。
由于分子吸收光线的能力是与原子发生振动时产生的偶极矩变化成正比的，因
此，极性大的分子中的原子通过振动增大量子数的能力就会强，以平衡位置为中
心的振幅就会变强，温度也就相应上升，这就是分子吸收光线产生热量的原理。
3.2光修复技术参数的确定
3.2.1胶粘剂的确定
不同种类的胶粘剂具有的性能是不同的，这也就决定了它们各自的用途不
同，因此选用胶粘剂时，必须全面了解粘接的条件，明确粘接的用途以及目的，
依据被粘物体的性质，选择一种适合的胶粘剂。为了更好的恢复材料修复后结构
部件的物理以及机械性能，一般要选用与原结构相近或者是的胶系。选用的胶粘
剂要具备以下几点特性：（1）要能够经受得住在使用过程中遇到的温度、应力、
化学环境的急剧变化；（2）在使用时，胶系要具有高效的载荷传递性能；（3）胶
粘剂要具有较好的抗疲劳特性，使其能够抵抗应力松弛；（4）具有比较低的固化
温度。但是，没有哪一种胶粘剂系统能在各个方面都达到理想的状态。因此，在
实际应用的时候，一般根据自己的需要，通过分析实验结果合理的选择胶粘剂系
统。为了确定哪一种胶粘剂最适合用于光修复技术，选择出了三种不同的胶粘剂，
根据已有的条件，用光波照射并进行对比分析，根据液固化需要的时间的长短来
选择胶液。实验结果如表2所示。
表二 胶液选择实验结果
胶液 光波 675nm 550nm 435nm 405nm 365nm 自然固化

A型胶 1.5h 2.5h 6h 6h 6h 6.5h
B型胶 8h 8h 8h 8h 8h 8h
C型胶 10h 10h 10h 10h 10h 10h
由表二可知，用光照射时，B、C型胶液没有变化，其固化时间与自然状态下的
固化时间没有什么区别，而A型胶在受到675、550hm光波的照射后，固化时间
则有明显时间缩短。因此，根据实验的要求和目的决定在后面的实验中选择A
型胶。
3.2.2光修复波长选择
不同波段的光波具有的能量不同，光修复技术利用的就是胶液在受到光波照
射后能够吸收光波的能量并将其转化为热能，从而是使胶液在较短的时间内液
化，然后将损伤或者缺陷的部位修复这一原理，归根结底，它的实质就是能量的
相互转换。虽然胶液在吸收光线后能够产生热量，但并不是所有的光线都能够被
吸收并发生光化学反应，从而转化成热量。因此，通过实验选择一种最适合于光
修复技术就显得尤为重要，这样可以为高效修复受损的复合材料打好基础。试验
中，把光波的波长分为为365、405、435、550、675nm几种，直接照射需要修复
的试件，记录下达到同样的修复效果所需要的修复时间，结果如表3所示。
表3 不同的波长修复时间所有的时间
波长/nm 365 405 435 550 675
固化时间/h 6 6 6 2.5 1.5
由表3可知，在同样的光激励的条件下，在365、405、435、550、675nm这几个
不同波长的光波中，光波550nm以及657nm所需要的修复时间是最短的。通过进
一步的分析与比较，在相同的时间范围内， 675nm的光波最容易被所选用的实
验材料吸收，550nm的光波相对来说就比较弱。所以在进一步进行光修复的技术
研究时，优先选用波长为675nm的光波。
3.2.3实验验证675mm光波修复的可行性
为了进一步验证675nm长的光波在修复受损复合材料方面的可行性，试验中
选用目前在飞行器上使用较多的环氧树脂基这一种复合材料制作了两个试件，这
两个试件的大小、形状以及重量都相同，其中一个是在人为对其损伤后，用光纤
传输波长为675nm的光进行固化，然后用A型胶粘剂将其修复好。试验中记录了
在同激振、同振频的条件下的平均时间全息图。实验光路图如下图1所示。
反射镜
扩束镜 试件

连续可调分射镜
扩束镜

干板
将所拍摄的试件的全息图通过再现后，翻拍成为普通的照片。结果如下图2
所示。a是试件在标准状态下的全息干涉条纹图，b是试件在受到损伤之后的全
息干涉条纹图，c是用675nm长的光波修复之后的试件全息干涉条纹图。比较a、
b两组图可知，与试件的标准状态相比，损伤试件的条纹特点是：条纹间距变窄。
说明试件在受到损伤后，振幅增大，即离面位移变大。从弹性力学的角度可知，

XD-7
频率计
He-Ne Laser