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嘉峪檢測網(wǎng) 2025-02-08 11:30
摘要：由于結(jié)構(gòu)聚合物復(fù)合材料（Structural Polymeric Composites，后文縮寫為SPC） 具有重量輕、疲勞和抗沖擊性能好、阻尼性能優(yōu)越、強(qiáng)度和剛度高等優(yōu)點，它們在汽車行業(yè)中越來越受歡迎。然而，由于 SPC 設(shè)計規(guī)則、生產(chǎn)過程和連接技術(shù)的成熟度較低，復(fù)合材料汽車部件的安全性和效率在很大程度上依賴于有效的結(jié)構(gòu)維護(hù)和修復(fù)。文章重點關(guān)注修復(fù)技術(shù)，涵蓋了汽車行業(yè)中與 SPC 材料相關(guān)的各種最先進(jìn)的加工步驟，包括先進(jìn)的無損檢測（NDT）方法、結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的加工和表面處理技術(shù)。此外，文章還探討了修復(fù)方法和修復(fù)技術(shù)的最新趨勢。
一．引言
近年來，汽車行業(yè)對環(huán)保和安全的追求日益增強(qiáng)，推動了結(jié)構(gòu)聚合物復(fù)合材料 (SPC) 的廣泛應(yīng)用。SPC 具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐腐蝕和優(yōu)異的阻尼性能等優(yōu)勢，使其成為汽車輕量化設(shè)計的理想材料。然而，SPC 也容易受到?jīng)_擊、疲勞和環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致?lián)p傷。因此，開發(fā)有效的修復(fù)技術(shù)對于確保 SPC 結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性至關(guān)重要。目前，汽車行業(yè)對 SPC 的修復(fù)技術(shù)仍處于發(fā)展階段?，F(xiàn)有的修復(fù)方法包括機(jī)械連接、粘接修復(fù)和注射修復(fù)等。機(jī)械連接方法如鉚接和螺栓連接等，雖然簡單易行，但會破壞 SPC 的結(jié)構(gòu)完整性，并增加額外的重量。粘接修復(fù)方法如搭接和粘接等，可以恢復(fù) SPC 的強(qiáng)度，但需要復(fù)雜的表面處理和粘接工藝。注射修復(fù)方法則可以通過將低粘度的樹脂注入受損的 SPC 中來修復(fù)分層等損傷，但無法完全恢復(fù) SPC 的抗拉強(qiáng)度。
近日，《Composite Structures》期刊發(fā)表了一篇由印度理工學(xué)院和賓夕法尼亞州立大學(xué)研究團(tuán)隊完成的有關(guān)汽車結(jié)構(gòu)聚合物復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)綜述。該研究綜述了汽車工業(yè)中 SPC 材料的修復(fù)技術(shù)，涵蓋了損傷評估、加工、表面處理、粘接修復(fù)、修復(fù)監(jiān)測和自動化等方面，并探討了未來在該領(lǐng)域的研究方向。論文標(biāo)題為“Review of Repair Technologies for Structural Polymeric Composites: An Automotive Perspective”。
二．結(jié)構(gòu)聚合物復(fù)合材料的損傷機(jī)理
結(jié)構(gòu)聚合物復(fù)合材料 (SPC) 的各向異性特性導(dǎo)致其損傷機(jī)制復(fù)雜多樣，包括沖擊損傷和疲勞損傷。
沖擊損傷可能導(dǎo)致分層、纖維拔出、基體開裂和纖維斷裂。疲勞損傷則可能導(dǎo)致基體開裂、界面脫粘和分層。沖擊損傷通常由高速撞擊引起，導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋和損傷。
疲勞損傷則是由重復(fù)應(yīng)力導(dǎo)致的損傷積累，最終導(dǎo)致材料失效。這些損傷機(jī)制會影響 SPC 的強(qiáng)度和剛度，降低其結(jié)構(gòu)完整性。因此，準(zhǔn)確評估 SPC 損傷程度對于制定有效的修復(fù)方案至關(guān)重要。
圖1 車輛測試協(xié)議：（a）正面碰撞測試，（b）側(cè)面碰撞測試，以及（c）斜桿測試
圖2 復(fù)合材料修復(fù)程序的工藝流程示意圖
圖 3 在沖擊載荷條件下觀察到的 SPC 的各種損傷機(jī)制
三．損傷評估
1.數(shù)字剪切散斑測試
數(shù)字剪切散斑測試技術(shù)(DS) 是一種利用激光技術(shù)的光學(xué)、全場和非破壞性檢測技術(shù)。它通過記錄加載前后圖像的條紋圖案來量化位移的導(dǎo)數(shù)，即應(yīng)變，從而克服了光學(xué)干涉法對外部振動的敏感性。DS 在檢測結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的分層方面表現(xiàn)出色，并能提供全面的表面應(yīng)變測量。
圖 4 數(shù)字剪切圖形裝置的示意圖
2.超聲波檢測
超聲波檢測是一種廣泛使用的非破壞性檢測方法，用于檢測復(fù)合材料內(nèi)部的損傷。超聲波在通過復(fù)合材料材料時，會受到內(nèi)部損傷（如分層或脫粘）的影響，導(dǎo)致局部聲阻抗發(fā)生變化。直接超聲波方法使用傳感器發(fā)射高頻波，這些波進(jìn)入測試組件，然后被同一傳感器或另一個傳感器檢測。低頻波能夠更深入地穿透材料，而高頻波則更容易受到缺陷的影響。
圖 5 超聲波測試方法的示意圖
3.紅外熱成像測試
紅外熱成像技術(shù) (IFT) 是一種利用紅外輻射檢測材料缺陷或損傷的非接觸方法。復(fù)合材料由于其低熱導(dǎo)率，非常適合用于 IFT 檢測損傷。IFT 可以采用兩種方式：被動和主動。被動方法涉及對復(fù)合材料進(jìn)行熱掃描，而不應(yīng)用外部熱量，這適用于與周圍空氣溫度不同的材料。主動熱成像技術(shù)如圖 6(a) 所示，主動熱成像技術(shù)需要對材料進(jìn)行控制加熱，以在材料內(nèi)部誘導(dǎo)熱對比度，并通過材料表面上的溫度變化來揭示缺陷。
圖 6 紅外熱像儀：(a) 主動熱成像和 (b) 被動熱成像
四．加工
1.銑削加工
銑削是去除材料的主要方法，它受纖維和基體材料性能、層壓和纖維體積分?jǐn)?shù)等因素的影響。加工過程中可能會出現(xiàn)纖維拔出、基體開裂和分層等問題。銑削適用于各種復(fù)合材料，包括碳纖維增強(qiáng)塑料 (CFRP) 和玻璃纖維增強(qiáng)塑料 (GFRP)。由于復(fù)合材料是異質(zhì)材料，加工過程中會經(jīng)歷纖維和基體的剪切和斷裂，導(dǎo)致形成粉末狀切屑。加工質(zhì)量取決于切屑形成模式，這種模式在很大程度上受切削力的影響。分層是常見的加工問題，與垂直于層壓板疊層方向的力分量密切相關(guān)。因此，精確預(yù)測和識別切削力對于防止加工過程中的分層至關(guān)重要。研究人員使用實驗和有限元分析 (FEA) 方法來分析切屑形成模式。他們觀察到纖維方向與切屑形成模式之間存在關(guān)聯(lián)。
圖 7 (a) 塑性變形產(chǎn)生的切屑（例如金屬）和 (b) 剪切變形產(chǎn)生的切屑（例如復(fù)合材料）
2.3D零件加工
實際三維汽車零件異常復(fù)雜，在不了解其表面結(jié)構(gòu)的情況下直接加工 3D 零件是不可行的。為了解決這種復(fù)雜性，3D 組件可以通過使用 ATOS III Triple-scan 傳感器之類的設(shè)備進(jìn)行掃描。掃描文件用于確定刮刀（銑削）軌跡。然后，將此路徑集成到銑削機(jī)器人中，以自動化加工過程，確保精度超過手動加工，無需對組件進(jìn)行預(yù)先掃描。
圖 8 (a) 使用 ATOS Core 80 對復(fù)雜組件進(jìn)行 3D 掃描 (b) 3D 組件的機(jī)器人自動化修復(fù)
3.磨料水射流加工（水切割）
砂輪水射流加工 (AWJM) 是一種利用高速水流和磨料顆粒的組合來加速材料的微侵蝕，從而實現(xiàn)精確的材料去除的技術(shù)。它通過控制噴嘴的運(yùn)動和工藝參數(shù)，可以加工出復(fù)雜的 scarf 幾何形狀，用于粘接修復(fù)。該技術(shù)具有非接觸、環(huán)保、高精度等優(yōu)點，但可能造成分層和水分侵入，且需要精確控制工藝參數(shù)和噴嘴運(yùn)動。
4.激光束加工
激光加工技術(shù)利用高能激光束與聚合物復(fù)合材料之間的相互作用，通過光熱和光化學(xué)反應(yīng)改變材料的表面物理和化學(xué)性質(zhì)。激光加工具有非接觸、精確控制、可自動化等優(yōu)點，但需要注意熱影響區(qū) (HAZ) 的形成和有毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生。
圖 9 用于修復(fù)的激光切割組件
五．表面處理
1.等離子體處理
等離子體處理技術(shù)通過將聚合物表面暴露于低壓力或大氣等離子體中，利用等離子體與材料之間的復(fù)雜相互作用，在表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而提高表面自由能和潤濕性，增強(qiáng)粘接。該技術(shù)具有表面均勻性和可重復(fù)性等優(yōu)點，但需要昂貴設(shè)備，且處理后的表面特性可能隨時間退化。
2.激光處理
激光處理技術(shù)類似于激光加工技術(shù)，也是利用激光束與聚合物復(fù)合材料之間的相互作用，通過光熱和光化學(xué)反應(yīng)改變材料的表面物理和化學(xué)性質(zhì)。激光處理可以精確控制表面特性，無需接觸，可自動化，但需要了解材料的特性和激光參數(shù)，并注意熱影響區(qū)和有毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生。
六．制造技術(shù)
1.硬補(bǔ)片和軟補(bǔ)片
兩種主要的補(bǔ)片修復(fù)方法分別是硬補(bǔ)片和軟補(bǔ)片修補(bǔ)，硬補(bǔ)片是預(yù)先固化好的補(bǔ)片，通常通過模具或機(jī)械加工制成，然后粘接到母體材料上。軟補(bǔ)片則是在現(xiàn)場通過預(yù)浸料或濕法鋪層技術(shù)制成的，需要加熱和加壓固化。硬補(bǔ)片成本較高且制作過程繁瑣，但性能更穩(wěn)定；軟補(bǔ)片更靈活，但需要更復(fù)雜的操作和控制。
圖 10 (a) 硬補(bǔ)片修復(fù)方法的橫截面圖, (b) 預(yù)浸料軟補(bǔ)片修復(fù)方法, (c) 原位樹脂注射修復(fù)方法。
2.注射修復(fù)
注射修復(fù)技術(shù)通過向損壞的復(fù)合材料中注入低粘度樹脂，并在室溫下固化，以修復(fù)損傷。常用的樹脂包括環(huán)氧樹脂、氰酸酯樹脂和氰基丙烯酸酯。注射修復(fù)可以有效恢復(fù)復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度，但無法完全恢復(fù)其抗拉強(qiáng)度。
圖 11 利用 BECy 基質(zhì)的注射修復(fù)方法的設(shè)備配置。
3.固化溫度和壓力
固化溫度和壓力對復(fù)合材料層壓板的固化反應(yīng)和層壓板的壓實程度至關(guān)重要。溫度和固化時間會影響固化反應(yīng)的程度，而壓力則有助于消除氣泡和孔隙，提高粘接強(qiáng)度和材料密度。由于復(fù)合材料的熱導(dǎo)率較低，因此需要精確控制固化溫度和壓力，以避免熱梯度、翹曲、分層、基體開裂和殘余應(yīng)力等問題。
4.熔融焊接技術(shù)
熔融焊接技術(shù)通過加熱兩種材料之間的界面，使聚合物鏈跨越焊接界面并相互擴(kuò)散，從而實現(xiàn)兩種材料的連接。這種技術(shù)無需對焊接材料進(jìn)行表面處理，但需要對熱塑性材料進(jìn)行加熱，且對壓力要求較高。
熔融焊接方法主要有以下四種：感應(yīng)焊接、電阻焊接、超聲焊接和不同材料的熔融焊接。每種方法都涉及加熱和施加壓力的過程，但具體的加熱方式和壓力要求有所不同。
圖 12 融合焊接過程步驟。
七．修復(fù)監(jiān)測和自動化
1.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）技術(shù)利用傳感器監(jiān)測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在加載過程中產(chǎn)生的應(yīng)變或振動信號的變化，以評估結(jié)構(gòu)的完整性。SHM 可以實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)狀態(tài)，預(yù)測損傷發(fā)展，并評估剩余使用壽命。常見的 SHM 技術(shù)包括基于應(yīng)變和振動傳感器的監(jiān)測方法，以及基于導(dǎo)波傳感器的監(jiān)測方法。
2.自動化和可重復(fù)性
自動化技術(shù)在復(fù)合材料修復(fù)中的應(yīng)用，以減少人為錯誤和提高修復(fù)的可靠性和重復(fù)性。自動化系統(tǒng)可以減少修復(fù)時間，提高精度，并確保纖維對齊。自動化技術(shù)可以應(yīng)用于損傷評估、材料去除、表面處理和補(bǔ)片制造等關(guān)鍵步驟。
八．未來趨勢和挑戰(zhàn)
SPC 修復(fù)技術(shù)面臨著一些挑戰(zhàn)，例如實時監(jiān)測技術(shù)的開發(fā)、粘接技術(shù)的改進(jìn)、自動化的應(yīng)用、可持續(xù)性和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的考慮以及修復(fù)方法的標(biāo)準(zhǔn)化。未來研究需要解決這些挑戰(zhàn)，以推動 SPC 修復(fù)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。實時監(jiān)測技術(shù)的開發(fā)需要開發(fā)更先進(jìn)的傳感器和數(shù)據(jù)分析方法，以實現(xiàn)更精確和實時的損傷評估。粘接技術(shù)的改進(jìn)需要開發(fā)更耐久、耐濕和耐高溫的粘接劑，以及更有效的粘接工藝。自動化的應(yīng)用需要開發(fā)更智能的機(jī)器人系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)更高效和可靠的修復(fù)過程。可持續(xù)性和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的考慮需要開發(fā)可回收和可再利用的修復(fù)材料，以及更環(huán)保的修復(fù)工藝。修復(fù)方法的標(biāo)準(zhǔn)化需要制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以確保修復(fù)質(zhì)量的一致性和可靠性。
九．小結(jié)
文章強(qiáng)調(diào)了復(fù)合材料在汽車制造中的重要性，并指出其性能和安全性依賴于有效的結(jié)構(gòu)維護(hù)和修復(fù)。文章回顧了多種修復(fù)技術(shù)，包括先進(jìn)的無損檢測方法、精確的復(fù)合材料的加工、創(chuàng)新的表面處理技術(shù)，以及修補(bǔ)和粘接等疤痕修復(fù)方法。文章還探討了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和自動化在復(fù)合材料修復(fù)中的作用，以及這些技術(shù)在確保修復(fù)質(zhì)量和可靠性方面的潛力。最后，文章指出了未來發(fā)展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，包括實時監(jiān)測技術(shù)的進(jìn)步、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能在損傷檢測和預(yù)測中的應(yīng)用、粘接技術(shù)的改進(jìn)、復(fù)合修復(fù)的自動化、可持續(xù)性和循環(huán)經(jīng)濟(jì)，以及修復(fù)方法和法規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)化。文章強(qiáng)調(diào)，未來的研究應(yīng)專注于解決這些挑戰(zhàn)，以實現(xiàn)更高效、可靠和環(huán)保的汽車復(fù)合材料修復(fù)解決方案。
原始文獻(xiàn)：
Sandeep Olhan, Bindu Antil, B.K. Behera. Review of repair technologies for structural polymeric composites: An automotive perspective. Composite Structures, 352 (2025) 118711.
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118711
來源：復(fù)合材料力學(xué)
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