时间：2021-02-26 09:59:12 所属分类：金属学与金属工艺 浏览量:
金属结构在日常生活、工程实践等领域有着极其广泛的应用。在实际使用过程中，金属结构在服役环境和载荷的作用下，会不可避免地形成各种形式的损伤。尤其是裂纹损伤极为常见，如不及时修理，裂纹会持续扩展，导致结构发生断裂，产生不可逆转的损坏。为了保证
金属结构在日常生活、工程实践等领域有着极其广泛的应用。在实际使用过程中，金属结构在服役环境和载荷的作用下，会不可避免地形成各种形式的损伤。尤其是裂纹损伤极为常见，如不及时修理，裂纹会持续扩展，导致结构发生断裂，产生不可逆转的损坏。为了保证正常使用，恢复结构的完整性，延长使用期限，就需要对损伤部位进行及时合理的修复。
复合材料具有比强度、比模量高、抗疲劳、耐腐蚀性能优异及可设计性强等突出特点，近年来其应用从最早的航空航天领域已经逐渐拓展到国民经济各个行业，发挥的作用也越来越重要。复合材料修补技术是一种高效优质的修复技术，不仅可以应用于复合材料结构，也适用于金属结构，复合材料可以对金属结构进行修理、修复[1-2] ，或可增强铝、钛、钢等金属构件[3-5] 。
本文就金属损伤结构的主要修补技术、复合材料胶接修补金属结构的影响因素和应用现状进行初步的总结，以期为金属结构的损伤修补提供一定技术参考。
1 金属损伤结构的主要修补技术
1.1 机械连接修补机械连接修补[6] 是指在损伤部位的周边用螺栓或者铆钉固定外部补片，使得损伤结构遭到破坏的载荷传递路线得以重新恢复的一种修理方法，机械连接修补示意图如图1所示。
机械连接修补的优点在于操作简便，不需要冷藏和加热设备，对被修复表面的要求不高，施工迅速。缺点是在修理过程中，需要对损伤结构件钻孔，引入了新的损伤，容易造成新的应力集中，减少结构的疲劳寿命储备，修补的效率大大降低。并且会改变原修复结构的表面外形，修理部位的局部质量也会有明显改变，不利于提高结构的强度。
对于机械连接修补，在修补前需充分地考虑以下几个问题：补片的厚度、形状、材料，正确的制孔工艺，紧固件的种类、材料，紧固件的位置排列，制孔对原结构的影响以及紧固件装配与密封等。
1.2 复合材料胶接修补
复合材料胶接修补[6] 是借助胶粘剂的黏附作用，将高强度的纤维增强复合材料补片粘贴到损伤金属结构表面，以加强受损构件，最大程度地恢复载荷传递特性，实现延长结构使用寿命的目的。胶接修补示意图如图2所示。
2 复合材料胶接修补的影响因素
针对金属损伤结构的复合材料胶接修补技术而言，金属结构的表面处理、复合材料补片材料、胶粘剂、修复工艺是几项重要影响因素。
2.1 金属结构的表面处理要保证胶接修复质量，充分发挥复合材料补片的承载作用，修复时必须保证金属粘接表面与胶粘剂结合性能良好，保证被修补结构的部分载荷能够顺利传递到补片，从而有效改善受损部位的受力状况。损伤结构的表面处理状态很大程度上决定了修复后结构的强度[9] 。金属表面处理方法一般分为机械处理法、化学处理法和底胶处理法。机械处理法包括清洗、脱脂、砂布砂纸打磨、喷砂及机械加工。化学处理法包括酸浸蚀、碱液浸蚀和阳极化处理。磷酸阳极化处理方法是一种尤其适用于铝合金材料的化学处理方法，包括槽式磷酸阳极化法、非槽式磷酸阳极化和磷酸阳极化密闭系统三种方法。底胶处理法是在胶接表面涂偶联剂和底胶，以改善表面的黏附性。
2.2 复合材料补片材料选择补片关键在于保证复合材料补片与待修补结构之间胶接具有耐久性和可靠性[10-12] 。补片材料要能够与胶粘剂的固化温度相匹配，热膨胀系数应该与被修补材料热膨胀系数相匹配，保证修补后不会产生大的热残余应力，并且补片理化性能受温度的影响要尽可能小。补片强度和刚度要与被修补材料相匹配，避免产生新的应力集中。目前常使用的复合材料补片是碳纤维/环氧树脂和硼纤维/环氧树脂材料。硼纤维/环氧树脂补片在国外的修理实践中应用较多，而国内的修理实践中采用碳纤维/环氧树脂补片较多。
2.3 胶粘剂胶层起到了传递载荷的作用，要根据修补结构的使用环境合理选择胶粘剂[13] 。胶粘剂固化温度不能太高，过高的固化温度会使得被修复金属材料出现晶间腐蚀倾向，导致复合材料与被修补金属材料之间热膨胀系数差异，进而导致残余热应力增大，影响胶接的整体强度，降低修复结构的耐久性。由于任何一种胶粘剂都不可能在所有方面都达到理想状态，实际应用时，仍然需要通过试验对现有胶粘剂系统进行改性优选。
3 复合材料修补金属结构的应用现状
当前对于复合材料修补技术开展的研究和试验已十分普遍，并取得了一定的效果。BAKER[15] 论述了复合材料补片胶接修补的优越性，最早提出采用复合材料补片来修补损伤飞机金属结构的方案，用复合材料补片粘接到损伤区域，改善损伤区的应力分布，减小裂纹扩展速度，提高结构的强度和剩余寿命。GRAY等[16] 分析了金属结构变形对螺钉载 荷分配的影响，并探讨了单搭接和双搭接接触行为的决定因素。WEN 等[17] 研究了盐雾作用下复合材料补片修补含中心裂纹铝板的加速老化行为，与未修复的试样相比，修复后的试样具有较高的抗盐雾降解能力。ALBEDAH 等[18-19] 通过单面修补和双面修补对含裂纹的飞机金属结构的粘接修复性能进行评估，发现对称补片修复试件的性能有显著的改善。采用有限元方法分析了胶粘剂固化后产生的残余热应力对复合材料修补试件性能的影响。结果表明，残余热应力的存在显著降低了裂纹结构的修复性能，从而降低了结构的疲劳寿命，并分析了固化温度、胶粘剂性能和胶层厚度对应力强度因子的影响。
胡芳友等[20] 对纤维增强复合材料修复金属结构在服役环境下的耐久性进行了研究。结果表明：干湿循环对修复试样性能影响较大，试样的极限载荷大幅度下降，通过采用耐久性好的树脂，改变树脂配比，可以提高修复试样的修复效率和耐久性能。秦美君等[21] 介绍了胶接长度、表面处理和刚度比等因素对复合材料修补受损铝合金疲劳性能的影响。张辰玉[22] 研究了三种不同填充材料对含腐蚀损伤铝板的复合材料胶接修理方法，结果表明对受损试件采用 J-150 胶粘剂填充修补，通过静力试验和疲劳试验，承载能力保留率/恢复率都达到 75% 以上。牛勇等[23] 利用三维有限元方法分析了复合材料胶接修补含裂纹金属板结构中的残余热应力，并以应力强度因子为判据，讨论了胶层的材料参数、固化温度、补片铺层方向对修复结构试件残余热应力的影响。
4 结 语
随着高性能复合材料应用领域和应用范围的不断拓展，复合材料修补技术日趋成熟。金属损伤结构的复合材料修补技术是一个工程应用和学术研究的热点问题，理论上具有相当的深度和广度。金属结构的复合材料修补技术在国外已经得到充分发展，但是该技术在国内实际应用还十分有限，多数依然停留在理论和试验研究阶段。在充分利用现有技术基础上，要不断汲取新技术，向低成本、高质量方向发展，加强理论研究与实践工程应用相结合。
参考文献
[ 1 ] 王跃，赵书平，羊军，等“. 湿热”老化对复合材料胶补金属结构力学特性的影响[J].航空材料学报，2019，39(4)： 93-100.
[ 2 ] 王子朋，殷晨波，徐欢 . 金属损伤结构的再制造胶粘修复技术研究[J].机械制造与自动化，2019(1)：33-35;76.
[ 3 ] 黄凌凯，章向明，王安稳 . 复合材料单面加固修补钢板的界面应力分析[J].中国修船，2017，30(6)：43-47.
《金属损伤结构的复合材料修补技术研究》来源：《中国胶粘剂》，作者：唐 婷，何 栋
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