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摘要：研究了非穿透性结构损伤的修理，讨论了树脂填充、增强树脂填充和复合材料粘接3种修理方法对结构承载能力恢复的影响。研究结果表明，前2种方法对结构承载能力的恢复影响较小，复合材料粘接修理可以很好地恢复结构的承载能力，其中采用碳纤维复合材料比玻璃纤维复合材料补片可以获得更好的修理效果。随着补片厚度和刚度的增加，粘接修理结构的破坏形式以剥离破坏为主。
关键词：复合材料粘接修理；光固化；应急修理；承载能力
中图分类号：TG494 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2016）02-0049-03
由于环境的影响，舰船、飞机结构在服役过程中常会因为腐蚀等原因诱发结构损伤。这些损伤将会导致结构承载能力的下降。如果不及时进行修理，腐蚀损伤则会继续扩展，最终导致结构的失效。因此，及时发现和修理损伤结构对保持结构的完成和必要的承载能力是至关重要的。由于树脂基复合材料具有优异的耐腐蚀和抗疲劳性能[1，2]，近年来，树脂基复合材料在金属结构的损伤修理应用受到了关注，复合材料粘接修理已经成为一种重要的结构损伤修理方法[3～6]。对于及时发现的腐蚀损伤而言，大部分都是非穿透性的，为此，本文针对这类损伤的复合材料粘接修理进行研究，重点分析修理方式对其影响。由于光固化具有节能、快捷的优点，在复合材料粘接修理中正得到越来越多的应用[7～9]，考虑到应急情况下的修理条件和时间都非常有限，本文采用光固化的手段进行修理。
1 实验部分
1.1 损伤试样的制备
将1.5 mm厚的LY12铝合金材料裁剪成140 mm×35 mm的矩形板，在板的中心预制直径12 mm，深1 mm的圆形盲孔，用以模拟结构的非穿透损伤。
1.2 光固化粘接修理
在粘接修理之前首先对损伤试样进行表面处理，主要包括喷砂和溶剂清洗以及干燥处理。粘接修理分别采用3种方式进行，分别标记为（a），（b）和（c），如图1所示。（a）是仅仅采用环氧树脂填充损伤凹坑，然后用紫外光辐照固化，辐照20 min；（b）是采用剪碎的玻璃纤维布增强的环氧树脂填充，增强纤维按照树脂质量的5%添加，然后进行光固化；（c）是采用树脂填充，并且用玻璃纤维或碳纤维布增强的环氧树脂复合材料补片贴补增强。复合材料粘接修理采用湿铺法，然后紫外光辐照20 min固化，补片尺寸是60 mm×35 mm。
1.3 拉伸测试
采用济南泰斯特WDW-1型电子万能材料试验机，在室温下测试拉伸性能，拉伸速率5 mm/min。每组试样测试3个，取平均值，结果如表1所示。用最大拉伸破坏载荷表示结构的承载能力。
2 结果与分析
2.1 修理方式的影响
从拉伸测试结果（见表1）可以看出，只采取填充的方法，对于提高结构的抗载荷破坏的能力作用并不大。采用剪碎玻璃纤维布增强的树脂填充比单纯的树脂填充在恢复结构承载能力上稍好。
采用复合材料贴补加强修理的方式，在恢复结构承载能力方面明显好于单一的填充修理。单层玻璃纤维布补片可以使损伤结构的破坏载荷恢复到未损伤结构的77%。随着补片层数的增加，结构的承载能力逐渐提高。当采用三层复合材料补片时，损伤结构修理后的承载能力达到完好状态的90.3%。
增加补片层数可以有效提高补片本身的承载能力，分担更多的结构载荷，进而更好地恢复结构的承载能力。但是，层数的增加会使补片厚度增加，使结构承载时补片的剥离应力增加，诱发剥离破坏[10]。
当采用碳纤维复合材料作为补片时，损伤结构承载能力的提高更明显。从表1可以看出，采用单层碳纤维复合材料补片就可以恢复88%的结构承载能力；当采用两层时，几乎可以全部恢复结构的承载能力，达到95.2%。
光固化可以更加快捷地实现损伤结构的快速修理，修理过程在1 h内即可完成，而且可以很好恢复结构承载能力。这表明，光固化复合材料修理特别适合于应急修理。
2.2 破坏模式分析
拉伸加载过程中，应力集中通常发生在损伤盲孔的底部边缘。因此，这也是修理结构出现起始破坏，并诱发结构破坏的薄弱之处。光固化修理后，结构的部分载荷传递到填充树脂或复合材料补片上。拉伸开始后，补片和损伤结构一起发生变形，具有相同的形变。因此，树脂和补片的刚度越大，在拉伸中分担的结构载荷越大。但是，环氧树脂及其复合材料属于脆性材料，其变形能力比较差。随着载荷和变形的逐渐增加，复合材料补片难以和铝合金一起发生形变，此时，胶层的剪切应变随之增大，使补片和填充树脂发生破坏或者是与损伤结构剥离，如图2所示。对于填充修理的（a）和（b）2种修理方式，破坏模式主要是试样损伤盲孔的底部边缘的断裂破坏，填充树脂的和盲孔的底部也有部分剥离发生。通过观察拉伸过程可以发现，通常在试样发生断裂破坏之前，填充树脂会首先发生剥离现象，这正是应变不同步所导致的。
对于填充复合材料贴补加强的修理方式，有补片破坏和补片剥离2种破坏模式。单层和两层玻璃纤维复合材料补片大都是补片的破坏，因为补片本身的承载能力较低导致的，三层玻璃纤维复合材料补片则主要是发生补片的剥离破坏，如图3所示。此时，补片的强度较高，胶层更容易发生破坏。同时，层数的增加，也会使得胶层的剥离应力增加。
碳纤维复合材料补片比玻璃纤维补片具有更高的强度和刚度，因此，两层碳纤维复合材料补片都是补片的剥离破坏，单层碳纤维复合材料则也是以补片的破坏为主，分别如图3（4）和（3）所示。另外，还可以通过改善表面处理工艺的方法来进一步提高粘接修理的效果。
3 结论
对于非穿透性损伤，采用树脂或纤维增强的树脂填充修理对损伤结构的承载能力恢复影响较小。对于轻微的损伤可以采用该修理方法。采用复合材料补片增强可以很好地恢复损伤结构的承载能力。碳纤维补片比玻璃纤维补片可以更好地修复损伤结构。光固化可以在较短的时间内恢复结构的承载能力，非常适合于应急抢修工作。但是，随着复合材料补片层数（厚度）的增加，粘接修理结构更容易发生剥离破坏。此时需要更好的表面处理工艺和基体树脂材料来进一步改善粘接界面的性能。 参考文献
[1]杜善义.先进复合材料与航空航天[J].复合材料学报，2007，24（1）：1-12.
[2]何芳，王玉林，万怡灶，等.光固化树脂基复合材料研究进展[J].工程塑料应用，2003， 31（11）：67-70.
[3]Baker A A，Rose L R F，Jones R.Advances in the bonded composite repair of metallic aircraft structure[M].Amsterdam：Elsevier，2002.
[4]Zhao P，Hu F，Huang X.Composite repair to aluminum alloy plate by photoinitiated and thermal curing[J].Journal of Composite Materials，2013，47（9）：1179-1184.
[5]Xiong J J，Shenooi R A.Integrated experimental screening of bonded composites patch repair schemes to notched aluminum-alloy panels based on static and fatigue strength concepts[J].Composite Structure，2008，83（9）：266-
272.
[6]黄旭仁，胡芳友，赵培仲.加载速率对复合材料粘接修理金属结构力学性能的影响研究[J]. 复合材料学报，2013，30（2）：220-225.
[7]Yagci Y，Jockusch S，Turro N J.Photoinitiated
polymerization：advances，challenges，and opportunities[J].Macromolecules，2010，43（15）：6245-6260.
[8]Li G，Ghebreyesus A.Fast repair of damaged RC beams using UV curing FRP composites[J].Compose Struct，2006，72：105-110.
[9]Peck J A，Li G，Pang S，et al.Light intensity ect on UV cured FRP coupled composite pipe joints[J].Compose Struct，2004，64：539-546.
[10]赵培仲，黄旭仁，李艳丽，等.补片尺寸对胶层应力分布的影响[J].玻璃钢/复合材料，2012 （6）：18-22.
关键词：复合材料粘接修理；光固化；应急修理；承载能力
中图分类号：TG494 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2016）02-0049-03
由于环境的影响，舰船、飞机结构在服役过程中常会因为腐蚀等原因诱发结构损伤。这些损伤将会导致结构承载能力的下降。如果不及时进行修理，腐蚀损伤则会继续扩展，最终导致结构的失效。因此，及时发现和修理损伤结构对保持结构的完成和必要的承载能力是至关重要的。由于树脂基复合材料具有优异的耐腐蚀和抗疲劳性能[1，2]，近年来，树脂基复合材料在金属结构的损伤修理应用受到了关注，复合材料粘接修理已经成为一种重要的结构损伤修理方法[3～6]。对于及时发现的腐蚀损伤而言，大部分都是非穿透性的，为此，本文针对这类损伤的复合材料粘接修理进行研究，重点分析修理方式对其影响。由于光固化具有节能、快捷的优点，在复合材料粘接修理中正得到越来越多的应用[7～9]，考虑到应急情况下的修理条件和时间都非常有限，本文采用光固化的手段进行修理。
1 实验部分
1.1 损伤试样的制备
将1.5 mm厚的LY12铝合金材料裁剪成140 mm×35 mm的矩形板，在板的中心预制直径12 mm，深1 mm的圆形盲孔，用以模拟结构的非穿透损伤。
1.2 光固化粘接修理
在粘接修理之前首先对损伤试样进行表面处理，主要包括喷砂和溶剂清洗以及干燥处理。粘接修理分别采用3种方式进行，分别标记为（a），（b）和（c），如图1所示。（a）是仅仅采用环氧树脂填充损伤凹坑，然后用紫外光辐照固化，辐照20 min；（b）是采用剪碎的玻璃纤维布增强的环氧树脂填充，增强纤维按照树脂质量的5%添加，然后进行光固化；（c）是采用树脂填充，并且用玻璃纤维或碳纤维布增强的环氧树脂复合材料补片贴补增强。复合材料粘接修理采用湿铺法，然后紫外光辐照20 min固化，补片尺寸是60 mm×35 mm。
1.3 拉伸测试
采用济南泰斯特WDW-1型电子万能材料试验机，在室温下测试拉伸性能，拉伸速率5 mm/min。每组试样测试3个，取平均值，结果如表1所示。用最大拉伸破坏载荷表示结构的承载能力。
2 结果与分析
2.1 修理方式的影响
从拉伸测试结果（见表1）可以看出，只采取填充的方法，对于提高结构的抗载荷破坏的能力作用并不大。采用剪碎玻璃纤维布增强的树脂填充比单纯的树脂填充在恢复结构承载能力上稍好。
采用复合材料贴补加强修理的方式，在恢复结构承载能力方面明显好于单一的填充修理。单层玻璃纤维布补片可以使损伤结构的破坏载荷恢复到未损伤结构的77%。随着补片层数的增加，结构的承载能力逐渐提高。当采用三层复合材料补片时，损伤结构修理后的承载能力达到完好状态的90.3%。
增加补片层数可以有效提高补片本身的承载能力，分担更多的结构载荷，进而更好地恢复结构的承载能力。但是，层数的增加会使补片厚度增加，使结构承载时补片的剥离应力增加，诱发剥离破坏[10]。
当采用碳纤维复合材料作为补片时，损伤结构承载能力的提高更明显。从表1可以看出，采用单层碳纤维复合材料补片就可以恢复88%的结构承载能力；当采用两层时，几乎可以全部恢复结构的承载能力，达到95.2%。
光固化可以更加快捷地实现损伤结构的快速修理，修理过程在1 h内即可完成，而且可以很好恢复结构承载能力。这表明，光固化复合材料修理特别适合于应急修理。
2.2 破坏模式分析
拉伸加载过程中，应力集中通常发生在损伤盲孔的底部边缘。因此，这也是修理结构出现起始破坏，并诱发结构破坏的薄弱之处。光固化修理后，结构的部分载荷传递到填充树脂或复合材料补片上。拉伸开始后，补片和损伤结构一起发生变形，具有相同的形变。因此，树脂和补片的刚度越大，在拉伸中分担的结构载荷越大。但是，环氧树脂及其复合材料属于脆性材料，其变形能力比较差。随着载荷和变形的逐渐增加，复合材料补片难以和铝合金一起发生形变，此时，胶层的剪切应变随之增大，使补片和填充树脂发生破坏或者是与损伤结构剥离，如图2所示。对于填充修理的（a）和（b）2种修理方式，破坏模式主要是试样损伤盲孔的底部边缘的断裂破坏，填充树脂的和盲孔的底部也有部分剥离发生。通过观察拉伸过程可以发现，通常在试样发生断裂破坏之前，填充树脂会首先发生剥离现象，这正是应变不同步所导致的。
对于填充复合材料贴补加强的修理方式，有补片破坏和补片剥离2种破坏模式。单层和两层玻璃纤维复合材料补片大都是补片的破坏，因为补片本身的承载能力较低导致的，三层玻璃纤维复合材料补片则主要是发生补片的剥离破坏，如图3所示。此时，补片的强度较高，胶层更容易发生破坏。同时，层数的增加，也会使得胶层的剥离应力增加。
碳纤维复合材料补片比玻璃纤维补片具有更高的强度和刚度，因此，两层碳纤维复合材料补片都是补片的剥离破坏，单层碳纤维复合材料则也是以补片的破坏为主，分别如图3（4）和（3）所示。另外，还可以通过改善表面处理工艺的方法来进一步提高粘接修理的效果。
3 结论
对于非穿透性损伤，采用树脂或纤维增强的树脂填充修理对损伤结构的承载能力恢复影响较小。对于轻微的损伤可以采用该修理方法。采用复合材料补片增强可以很好地恢复损伤结构的承载能力。碳纤维补片比玻璃纤维补片可以更好地修复损伤结构。光固化可以在较短的时间内恢复结构的承载能力，非常适合于应急抢修工作。但是，随着复合材料补片层数（厚度）的增加，粘接修理结构更容易发生剥离破坏。此时需要更好的表面处理工艺和基体树脂材料来进一步改善粘接界面的性能。 参考文献
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[4]Zhao P，Hu F，Huang X.Composite repair to aluminum alloy plate by photoinitiated and thermal curing[J].Journal of Composite Materials，2013，47（9）：1179-1184.
[5]Xiong J J，Shenooi R A.Integrated experimental screening of bonded composites patch repair schemes to notched aluminum-alloy panels based on static and fatigue strength concepts[J].Composite Structure，2008，83（9）：266-
272.
[6]黄旭仁，胡芳友，赵培仲.加载速率对复合材料粘接修理金属结构力学性能的影响研究[J]. 复合材料学报，2013，30（2）：220-225.
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polymerization：advances，challenges，and opportunities[J].Macromolecules，2010，43（15）：6245-6260.
[8]Li G，Ghebreyesus A.Fast repair of damaged RC beams using UV curing FRP composites[J].Compose Struct，2006，72：105-110.
[9]Peck J A，Li G，Pang S，et al.Light intensity ect on UV cured FRP coupled composite pipe joints[J].Compose Struct，2004，64：539-546.
[10]赵培仲，黄旭仁，李艳丽，等.补片尺寸对胶层应力分布的影响[J].玻璃钢/复合材料，2012 （6）：18-22.