摘要：由于结构聚合物复合材料（Structural Polymeric Composites，后文缩写为SPC） 具有重量轻、疲劳和抗冲击性能好、阻尼性能优越、强度和刚度高等优点，它们在汽车行业中越来越受欢迎。然而，由于 SPC 设计规则、生产过程和连接技术的成熟度较低，复合材料汽车部件的安全性和效率在很大程度上依赖于有效的结构维护和修复。文章重点关注修复技术，涵盖了汽车行业中与 SPC 材料相关的各种最先进的加工步骤，包括先进的无损检测（NDT）方法、结构复合材料的加工和表面处理技术。此外，文章还探讨了修复方法和修复技术的最新趋势。

 

一．引言

 

近年来，汽车行业对环保和安全的追求日益增强，推动了结构聚合物复合材料 (SPC) 的广泛应用。SPC 具有轻质、高强度、耐腐蚀和优异的阻尼性能等优势，使其成为汽车轻量化设计的理想材料。然而，SPC 也容易受到冲击、疲劳和环境因素的影响，导致损伤。因此，开发有效的修复技术对于确保 SPC 结构的安全性和可靠性至关重要。目前，汽车行业对 SPC 的修复技术仍处于发展阶段。现有的修复方法包括机械连接、粘接修复和注射修复等。机械连接方法如铆接和螺栓连接等，虽然简单易行，但会破坏 SPC 的结构完整性，并增加额外的重量。粘接修复方法如搭接和粘接等，可以恢复 SPC 的强度，但需要复杂的表面处理和粘接工艺。注射修复方法则可以通过将低粘度的树脂注入受损的 SPC 中来修复分层等损伤，但无法完全恢复 SPC 的抗拉强度。

 

近日，《Composite Structures》期刊发表了一篇由印度理工学院和宾夕法尼亚州立大学研究团队完成的有关汽车结构聚合物复合材料修复技术综述。该研究综述了汽车工业中 SPC 材料的修复技术，涵盖了损伤评估、加工、表面处理、粘接修复、修复监测和自动化等方面，并探讨了未来在该领域的研究方向。论文标题为“Review of Repair Technologies for Structural Polymeric Composites: An Automotive Perspective”。   

 

 

 

 

二．结构聚合物复合材料的损伤机理

 

结构聚合物复合材料 (SPC) 的各向异性特性导致其损伤机制复杂多样，包括冲击损伤和疲劳损伤。

 

冲击损伤可能导致分层、纤维拔出、基体开裂和纤维断裂。疲劳损伤则可能导致基体开裂、界面脱粘和分层。冲击损伤通常由高速撞击引起，导致材料内部产生微裂纹和损伤。

 

疲劳损伤则是由重复应力导致的损伤积累，最终导致材料失效。这些损伤机制会影响 SPC 的强度和刚度，降低其结构完整性。因此，准确评估 SPC 损伤程度对于制定有效的修复方案至关重要。

 

图1 车辆测试协议：（a）正面碰撞测试，（b）侧面碰撞测试，以及（c）斜杆测试

 

图2 复合材料修复程序的工艺流程示意图   

 

图 3 在冲击载荷条件下观察到的 SPC 的各种损伤机制

 

三．损伤评估

1.数字剪切散斑测试

数字剪切散斑测试技术(DS) 是一种利用激光技术的光学、全场和非破坏性检测技术。它通过记录加载前后图像的条纹图案来量化位移的导数，即应变，从而克服了光学干涉法对外部振动的敏感性。DS 在检测结构复合材料的分层方面表现出色，并能提供全面的表面应变测量。   

图 4  数字剪切图形装置的示意图

 

2.超声波检测

 

超声波检测是一种广泛使用的非破坏性检测方法，用于检测复合材料内部的损伤。超声波在通过复合材料材料时，会受到内部损伤（如分层或脱粘）的影响，导致局部声阻抗发生变化。直接超声波方法使用传感器发射高频波，这些波进入测试组件，然后被同一传感器或另一个传感器检测。低频波能够更深入地穿透材料，而高频波则更容易受到缺陷的影响。   

 

图 5 超声波测试方法的示意图

 

3.红外热成像测试

 

红外热成像技术 (IFT) 是一种利用红外辐射检测材料缺陷或损伤的非接触方法。复合材料由于其低热导率，非常适合用于 IFT 检测损伤。IFT 可以采用两种方式：被动和主动。被动方法涉及对复合材料进行热扫描，而不应用外部热量，这适用于与周围空气温度不同的材料。主动热成像技术如图 6(a) 所示，主动热成像技术需要对材料进行控制加热，以在材料内部诱导热对比度，并通过材料表面上的温度变化来揭示缺陷。   

 

图 6 红外热像仪：(a) 主动热成像和 (b) 被动热成像

 

四．加工

1.铣削加工

 

铣削是去除材料的主要方法，它受纤维和基体材料性能、层压和纤维体积分数等因素的影响。加工过程中可能会出现纤维拔出、基体开裂和分层等问题。铣削适用于各种复合材料，包括碳纤维增强塑料 (CFRP) 和玻璃纤维增强塑料 (GFRP)。由于复合材料是异质材料，加工过程中会经历纤维和基体的剪切和断裂，导致形成粉末状切屑。加工质量取决于切屑形成模式，这种模式在很大程度上受切削力的影响。分层是常见的加工问题，与垂直于层压板叠层方向的力分量密切相关。因此，精确预测和识别切削力对于防止加工过程中的分层至关重要。研究人员使用实验和有限元分析 (FEA) 方法来分析切屑形成模式。他们观察到纤维方向与切屑形成模式之间存在关联。  

 

图 7  (a) 塑性变形产生的切屑（例如金属）和 (b) 剪切变形产生的切屑（例如复合材料）

 

2.3D零件加工

 

实际三维汽车零件异常复杂，在不了解其表面结构的情况下直接加工 3D 零件是不可行的。为了解决这种复杂性，3D 组件可以通过使用 ATOS III Triple-scan 传感器之类的设备进行扫描。扫描文件用于确定刮刀（铣削）轨迹。然后，将此路径集成到铣削机器人中，以自动化加工过程，确保精度超过手动加工，无需对组件进行预先扫描。

 

图 8 (a) 使用 ATOS Core 80 对复杂组件进行 3D 扫描 (b) 3D 组件的机器人自动化修复    

 

3.磨料水射流加工（水切割）

 

砂轮水射流加工 (AWJM) 是一种利用高速水流和磨料颗粒的组合来加速材料的微侵蚀，从而实现精确的材料去除的技术。它通过控制喷嘴的运动和工艺参数，可以加工出复杂的 scarf 几何形状，用于粘接修复。该技术具有非接触、环保、高精度等优点，但可能造成分层和水分侵入，且需要精确控制工艺参数和喷嘴运动。

 

4.激光束加工

 

激光加工技术利用高能激光束与聚合物复合材料之间的相互作用，通过光热和光化学反应改变材料的表面物理和化学性质。激光加工具有非接触、精确控制、可自动化等优点，但需要注意热影响区 (HAZ) 的形成和有毒副产物的产生。

 

图 9 用于修复的激光切割组件

 

五．表面处理   

1.等离子体处理

 

等离子体处理技术通过将聚合物表面暴露于低压力或大气等离子体中，利用等离子体与材料之间的复杂相互作用，在表面产生化学反应，从而提高表面自由能和润湿性，增强粘接。该技术具有表面均匀性和可重复性等优点，但需要昂贵设备，且处理后的表面特性可能随时间退化。

 

2.激光处理

 

激光处理技术类似于激光加工技术，也是利用激光束与聚合物复合材料之间的相互作用，通过光热和光化学反应改变材料的表面物理和化学性质。激光处理可以精确控制表面特性，无需接触，可自动化，但需要了解材料的特性和激光参数，并注意热影响区和有毒副产物的产生。

 

六．制造技术

1.硬补片和软补片

 

两种主要的补片修复方法分别是硬补片和软补片修补，硬补片是预先固化好的补片，通常通过模具或机械加工制成，然后粘接到母体材料上。软补片则是在现场通过预浸料或湿法铺层技术制成的，需要加热和加压固化。硬补片成本较高且制作过程繁琐，但性能更稳定；软补片更灵活，但需要更复杂的操作和控制。   

 

图 10  (a) 硬补片修复方法的横截面图, (b) 预浸料软补片修复方法, (c) 原位树脂注射修复方法。

 

2.注射修复

 

注射修复技术通过向损坏的复合材料中注入低粘度树脂，并在室温下固化，以修复损伤。常用的树脂包括环氧树脂、氰酸酯树脂和氰基丙烯酸酯。注射修复可以有效恢复复合材料的抗压强度，但无法完全恢复其抗拉强度。    

 

图 11  利用 BECy 基质的注射修复方法的设备配置。

 

3.固化温度和压力

 

固化温度和压力对复合材料层压板的固化反应和层压板的压实程度至关重要。温度和固化时间会影响固化反应的程度，而压力则有助于消除气泡和孔隙，提高粘接强度和材料密度。由于复合材料的热导率较低，因此需要精确控制固化温度和压力，以避免热梯度、翘曲、分层、基体开裂和残余应力等问题。   

 

4.熔融焊接技术

 

熔融焊接技术通过加热两种材料之间的界面，使聚合物链跨越焊接界面并相互扩散，从而实现两种材料的连接。这种技术无需对焊接材料进行表面处理，但需要对热塑性材料进行加热，且对压力要求较高。

 

熔融焊接方法主要有以下四种：感应焊接、电阻焊接、超声焊接和不同材料的熔融焊接。每种方法都涉及加热和施加压力的过程，但具体的加热方式和压力要求有所不同。

 

图 12  融合焊接过程步骤。

 

七．修复监测和自动化

1.结构健康监测

 

结构健康监测（SHM）技术利用传感器监测复合材料结构在加载过程中产生的应变或振动信号的变化，以评估结构的完整性。SHM 可以实时监测结构状态，预测损伤发展，并评估剩余使用寿命。常见的 SHM 技术包括基于应变和振动传感器的监测方法，以及基于导波传感器的监测方法。

 

2.自动化和可重复性

 

自动化技术在复合材料修复中的应用，以减少人为错误和提高修复的可靠性和重复性。自动化系统可以减少修复时间，提高精度，并确保纤维对齐。自动化技术可以应用于损伤评估、材料去除、表面处理和补片制造等关键步骤。

 

八．未来趋势和挑战    

SPC 修复技术面临着一些挑战，例如实时监测技术的开发、粘接技术的改进、自动化的应用、可持续性和循环经济的考虑以及修复方法的标准化。未来研究需要解决这些挑战，以推动 SPC 修复技术的发展和应用。实时监测技术的开发需要开发更先进的传感器和数据分析方法，以实现更精确和实时的损伤评估。粘接技术的改进需要开发更耐久、耐湿和耐高温的粘接剂，以及更有效的粘接工艺。自动化的应用需要开发更智能的机器人系统和控制系统，以实现更高效和可靠的修复过程。可持续性和循环经济的考虑需要开发可回收和可再利用的修复材料，以及更环保的修复工艺。修复方法的标准化需要制定行业标准和规范，以确保修复质量的一致性和可靠性。

 

九．小结 

文章强调了复合材料在汽车制造中的重要性，并指出其性能和安全性依赖于有效的结构维护和修复。文章回顾了多种修复技术，包括先进的无损检测方法、精确的复合材料的加工、创新的表面处理技术，以及修补和粘接等疤痕修复方法。文章还探讨了结构健康监测和自动化在复合材料修复中的作用，以及这些技术在确保修复质量和可靠性方面的潜力。最后，文章指出了未来发展的关键挑战，包括实时监测技术的进步、机器学习和人工智能在损伤检测和预测中的应用、粘接技术的改进、复合修复的自动化、可持续性和循环经济，以及修复方法和法规的标准化。文章强调，未来的研究应专注于解决这些挑战，以实现更高效、可靠和环保的汽车复合材料修复解决方案。

 

原始文献：

Sandeep Olhan, Bindu Antil, B.K. Behera. Review of repair technologies for structural polymeric composites: An automotive perspective. Composite Structures, 352 (2025) 118711.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118711    

 

 

来源：复合材料力学

关键词： 复合材料