林 琛，成 玲

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；2. 天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387；3. 天津工業(yè)大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300387)

纖維增強(qiáng)層合復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、優(yōu)異的可設(shè)計(jì)性等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其在航天航空領(lǐng)域、汽車(chē)行業(yè)和海洋工程中都得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的層合復(fù)合材料在厚度方向上缺乏纖維增強(qiáng)[1]，層間僅靠纖維和樹(shù)脂之間的粘合作用，在受到平面外靜態(tài)或動(dòng)態(tài)載荷時(shí)，易引起層間損傷,限制了層合復(fù)合材料的應(yīng)用。

近年來(lái)，隨著全球海洋資源的開(kāi)發(fā)與利用，復(fù)合材料在海洋環(huán)境中的應(yīng)用需求越來(lái)越迫切。研究表明：傳統(tǒng)的層合復(fù)合材料在濕熱環(huán)境下，由于樹(shù)脂基體吸濕溶脹而產(chǎn)生的塑化作用[2-3]，導(dǎo)致了其力學(xué)性能下降，同時(shí)由于基體的濕/熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于纖維，將會(huì)在纖維/基體界面處產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，造成界面脫粘[4]，嚴(yán)重影響層合復(fù)合材料的層間力學(xué)性能。此外，在鹽霧環(huán)境下還可能存在水分子水解樹(shù)脂基體的分子鏈端，使得層合復(fù)合材料出現(xiàn)裂紋、孔洞、分層等，導(dǎo)致其力學(xué)性能降低[5]?？p合增強(qiáng)是提高層合復(fù)合材料層間力學(xué)性能和耐沖擊損傷性能的一種有效方法，并已獲得了滿(mǎn)意的結(jié)果。縫合方式、縫合密度、縫線(xiàn)粗細(xì)等與縫合復(fù)合材料的力學(xué)性能顯著相關(guān)[6]。在海洋環(huán)境下，縫合參數(shù)與濕熱、鹽霧等環(huán)境因素相互耦合，可對(duì)縫合復(fù)合材料的力學(xué)性能造成更為復(fù)雜的影響[7]。本文綜述了海洋環(huán)境下縫合復(fù)合材料力學(xué)性能的最新研究進(jìn)展，分析了縫合參數(shù)和海洋環(huán)境對(duì)縫合復(fù)合材料力學(xué)性能的影響及其作用機(jī)制，描述了縫合復(fù)合材料在海洋環(huán)境中的應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)其進(jìn)一步的研究開(kāi)發(fā)提出了相應(yīng)建議，為縫合復(fù)合材料在海洋中的應(yīng)用提供參考。

1 縫合復(fù)合材料的層間性能

縫合復(fù)合材料通過(guò)在厚度方向上引入縫線(xiàn)，使織物連接成整體結(jié)構(gòu)，從而大幅度地提高其層間性能。層間性能的改善通常采用張開(kāi)型(Mode I)層間斷裂韌性、滑移型(Mode II)層間斷裂韌性來(lái)表征。

1.1 張開(kāi)型層間斷裂韌性

研究表明，溫度的升高和水分的吸收對(duì)層合復(fù)合材料的Mode I層間斷裂韌性具有改善作用，可提高臨界能量釋放率(GIC)值至145.9%[8-10]。這是由于高溫和濕度會(huì)增加基體材料的延性，可獲得更大范圍的纖維橋接[10-13]，如圖1所示。但對(duì)于碳纖維增強(qiáng)熱塑性基體層合復(fù)合材料，熱塑性基體的吸濕量很小，水分對(duì)GIC值幾乎沒(méi)有影響[14]。值得注意的是，這種纖維橋接效應(yīng)是有限的，長(zhǎng)時(shí)間的濕熱老化會(huì)降低纖維/基體界面的強(qiáng)度[10]，超過(guò)一定的濕熱老化時(shí)間后，層合復(fù)合材料的GIC值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖1 不同濕熱老化階段纖維橋接示意圖Fig.1 Schematic diagram of fiber bridging at different hygrothermal ageing times

縫合能夠大幅度地提高層合復(fù)合材料的斷裂韌性，較未縫合層合復(fù)合材料一般都可提高10倍以上[15]。通過(guò)縫線(xiàn)纖維橋接來(lái)提高分層阻力[16]，其增強(qiáng)效果示意圖如圖2所示。當(dāng)分層裂紋到達(dá)裂紋尖端時(shí)，橋接力會(huì)使開(kāi)口閉合，降低裂紋尖端的拉伸應(yīng)變，抑制裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，從而增強(qiáng)抗分層能力。從能力吸收角度來(lái)看，大規(guī)模的纖維橋接過(guò)程能夠吸收大量作用于分層的能量，從而抑制分層的擴(kuò)展。其中，縫線(xiàn)的斷裂也能吸收一部分能量。

圖2 縫合復(fù)合材料Model I層間增強(qiáng)效果示意圖Fig.2 Schematic diagram of Mode I interlayer enhancement effect of stitched composites. (a) Crack tip; (b)Fiber bridging

通過(guò)對(duì)縫合復(fù)合材料在潮濕環(huán)境中Mode I斷裂行為的研究表明：與干燥的縫合試樣相比，潮濕試樣的起始和擴(kuò)展斷裂韌性分別提高了4.28%和19.63%[17]。這可能是由于水分增加了基體的延性，纖維/基體界面的結(jié)合力減弱，導(dǎo)致更多的纖維橋接，從而改善了層間斷裂韌性[12]。同時(shí)，縫合會(huì)產(chǎn)生富樹(shù)脂區(qū)，更易萌生裂紋，這可能是起始斷裂韌性改善程度較小的原因。此外，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)縫合所導(dǎo)致纖維斷裂和基體變形，可吸收更多的能量，如圖3所示?？p合結(jié)構(gòu)在潮濕環(huán)境下可有效地改善層合復(fù)合材料的Mode I層間性能，優(yōu)于其在干燥環(huán)境下的作用。

圖3 濕環(huán)境下縫合復(fù)合材料Mode I破壞掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM images of Mode I fracture surfaces for stitched composites in wet environment. (a) Moisture induced cavity; (b) Surface degradation; (c) Matrix deformation; (d) Fractured fiber and matrix; (e) Voids and fractured stitch; (f) Fiber bridging

為使縫合復(fù)合材料在海洋環(huán)境下更好地應(yīng)用，Han等[18]將納米二氧化硅顆粒和聚多巴胺加入樹(shù)脂基體中，分別用于增強(qiáng)基體和界面性能，使得GIC值提升了39%，從而改善了縫合復(fù)合材料在鹽霧下的層間性能。Tao等[19]對(duì)芳綸(Kevlar)縫線(xiàn)進(jìn)行化學(xué)接枝處理,提高了縫線(xiàn)的表面潤(rùn)濕性，減少了富樹(shù)脂區(qū)和空隙的數(shù)量,有效地改善了縫合復(fù)合材料的濕熱性能，從而提高縫合復(fù)合材料的層間性能。

1.2 滑移型層間斷裂韌性

縫合工藝可通過(guò)形成抵抗分層擴(kuò)展的縫線(xiàn)纖維橋接[20]，有效提高M(jìn)ode II層間斷裂韌性。研究顯示，縫合能夠提高臨界能量釋放率(GIIC)達(dá)到4倍，且存在穩(wěn)定的裂紋擴(kuò)展[21]。通過(guò)增加縫合密度和縫線(xiàn)纖維強(qiáng)度等方法可有效地提高層合復(fù)合材料GIIC值。

關(guān)于水分和溫度對(duì)于層合復(fù)合材料Mode II層間斷裂韌性的影響，在大量研究中得到了一致的結(jié)論。通常，隨著溫度的升高和水分的吸收，GIIC呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，下降率可達(dá)到50%[11,22-23]?；谠谏郎睾臀鼭癍h(huán)境下觀(guān)察到裸露纖維數(shù)量的增加[10-11,23]，可認(rèn)為是纖維/基體界面的粘合強(qiáng)度下降導(dǎo)致GIIC的下降，同時(shí)，也包括基體性能的變化[24]。

通過(guò)對(duì)縫合復(fù)合材料在潮濕環(huán)境中的Mode II斷裂行為的研究表明：與潮濕的未縫合試樣相比，縫合試樣的起始和擴(kuò)展斷裂韌性分別提高了36.6%和3.12%[25]，說(shuō)明縫合結(jié)構(gòu)能夠有效地改善層合復(fù)合材料在潮濕環(huán)境下的Mode II層間斷裂韌性。此外，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)縫合所造成的富樹(shù)脂區(qū)、纖維斷裂和錯(cuò)位等現(xiàn)象，如圖4所示，這可能是擴(kuò)展斷裂韌性改善程度相對(duì)較小的原因。

圖4 濕環(huán)境下縫合復(fù)合材料Mode II破壞掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 SEM images of Mode II fracture surfaces for stitched composites in wet environment. (a) Cavity and shear fractured fibers; (b) Matrix degradation; (c) Fractured stitch fibers; (d) Fiber breakage and bridging

2 縫合復(fù)合材料抗低速?zèng)_擊損傷性能

應(yīng)用于海洋環(huán)境的層合復(fù)合材料易受到低速?zèng)_擊的破壞，這會(huì)導(dǎo)致層合復(fù)合材料的力學(xué)性能大幅度下降，采用縫合結(jié)構(gòu)能夠有效緩解沖擊帶來(lái)的破壞。

2.1 低速?zèng)_擊下耐沖擊損傷性能

縫線(xiàn)通過(guò)抑制由纖維變形和剪切應(yīng)力共同導(dǎo)致的分層[26]，來(lái)提高低速?zèng)_擊下的耐沖擊損傷性能。Mokhtar等[27]研究發(fā)現(xiàn)濕熱循環(huán)不會(huì)加劇碳纖維增強(qiáng)層合復(fù)合材料的低速?zèng)_擊損傷，但會(huì)對(duì)其損傷形貌造成影響。Qi[28]研究發(fā)現(xiàn)濕熱循環(huán)會(huì)導(dǎo)致縫線(xiàn)周?chē)霈F(xiàn)裂紋，同時(shí)使縫線(xiàn)從周?chē)牧现忻撾x。盡管存在這樣的損傷，縫合復(fù)合材料的抗沖擊損傷性能仍?xún)?yōu)于未縫合層合復(fù)合材料?？p合可有效地減少層合復(fù)合材料的沖擊損傷面積[29]，一般為30%～40%[30]。Chen等[31]采用不同的鋪層順序和縫合方向來(lái)研究濕熱環(huán)境下層合復(fù)合材料的沖擊損傷面積。結(jié)果顯示，濕熱環(huán)境會(huì)使縫合和未縫合層合復(fù)合材料的損傷面積減少，其中縫合復(fù)合材料的面積減少程度要大于未縫合層合復(fù)合材料。這可能是由于水分的吸收增加了相鄰層之間的剛度匹配程度，從而緩解層間剪切應(yīng)力的產(chǎn)生[32]。對(duì)于不同的鋪層，縫合方向的改變對(duì)損傷面積具有不同的影響，但總體而言其影響較小，并以0°縫合最佳。

2.2 低速?zèng)_擊后剩余壓縮強(qiáng)度

通常采用沖擊后剩余壓縮(CAI)強(qiáng)度來(lái)衡量耐沖擊性能的大小，以確定縫合結(jié)構(gòu)起到的作用。Aymerich等[33]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沖擊能量與層合復(fù)合材料厚度之比在3～5 J/mm時(shí)，縫合對(duì)CAI強(qiáng)度起到積極的作用。Chen等[31]采用4.45 J/mm沖擊能量研究縫合復(fù)合材料的濕熱CAI強(qiáng)度變化。在濕熱環(huán)境下，縫合可提高層合復(fù)合材料的CAI強(qiáng)度，提高程度為8%～26%，這與鋪層順序和縫合方向有關(guān)。其中，采用[0/45/0/-45/90/-45/0/45/0]2s(單層布自下而上按0°、45°、0°、-45°、90°、-45°、0°、45°、0°重復(fù)循環(huán)2次，再鏡像對(duì)稱(chēng)1次的順序)鋪層的縫合復(fù)合材料的濕熱CAI強(qiáng)度都優(yōu)于[45/0/-45/90]4s鋪層，且鋪層順序會(huì)影響縫合角度起到的作用，對(duì)于不同的鋪層順序存在著不同的最佳縫合角度。

含沖擊損傷的層合復(fù)合材料在受到壓縮載荷時(shí)，首先會(huì)出現(xiàn)局部的屈曲現(xiàn)象，進(jìn)一步擴(kuò)展到整體，最終導(dǎo)致層合復(fù)合材料的失效。在濕熱環(huán)境下：一方面，吸濕會(huì)減少層合復(fù)合材料的破壞面積；另一方面，吸濕所產(chǎn)生的不利因素，例如塑化、溶脹、界面強(qiáng)度弱化等，使層合復(fù)合材料更易發(fā)生屈曲，從而降低層合復(fù)合材料的CAI強(qiáng)度?？p合能夠有效抑制局部屈曲現(xiàn)象的萌生和擴(kuò)展，使得含低速?zèng)_擊損傷的縫合復(fù)合材料的壓縮失效機(jī)制變?yōu)橐岳w維斷裂為主，從而有效地提高縫合復(fù)合材料的CAI強(qiáng)度。值得注意的是，在濕熱環(huán)境下縫合孔周?chē)母粯?shù)脂區(qū)吸濕，會(huì)弱化縫線(xiàn)和基體之間的界面強(qiáng)度。這可通過(guò)采用樹(shù)脂潤(rùn)濕性?xún)?yōu)異的縫線(xiàn)纖維或改善基體的韌性來(lái)提高縫線(xiàn)和基體之間的界面強(qiáng)度，從而進(jìn)一步提高縫合在濕熱環(huán)境下帶來(lái)的積極作用。

3 縫合復(fù)合材料的面內(nèi)力學(xué)性能

對(duì)于層合復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，拉伸和壓縮性能是其承載的重要力學(xué)參數(shù)?？p合復(fù)合材料由于面內(nèi)纖維的錯(cuò)位和斷裂以及富樹(shù)脂區(qū)的形成，易導(dǎo)致拉伸和壓縮性能下降[34]。但也有研究顯示，縫合結(jié)構(gòu)可提高其面內(nèi)性能，這可能是由于縫線(xiàn)能夠限制面內(nèi)纖維的偏移，使得纖維體積含量增加，并提供一定的抗彎曲性[35]，或是縫合會(huì)使得織物層之間存在更為有效的應(yīng)力分布[36-37]。

3.1 拉伸性能

濕熱環(huán)境會(huì)造成層合復(fù)合材料的拉伸性能下降，下降程度與選用的材料、鋪層順序等相關(guān)?？p合復(fù)合材料還涉及到縫線(xiàn)的材料和尺寸、縫合密度等因素。選用更小直徑(<0.25 mm)的縫線(xiàn)纖維和相對(duì)長(zhǎng)(5～6 mm)的縫合距離，可使得縫合復(fù)合材料的拉伸性能更好[38]，且鋪層順序?qū)p合復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度起主導(dǎo)作用[39]?？p合在改善層間性能的同時(shí)，縫合孔的存在可能會(huì)使其拉伸性能受到濕熱影響的程度更大[40]。

黃濤等[41]研究了[0]16單向鋪層的碳纖維/雙馬來(lái)酰亞胺(BMI)復(fù)合材料的濕熱拉伸性能。結(jié)果顯示，濕熱環(huán)境下縫合復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度保持率為52.86%，僅比未縫合層合復(fù)合材料低5.48%，這可能是由于縫合孔導(dǎo)致了更嚴(yán)重的吸濕[40]。而濕熱環(huán)境對(duì)拉伸模量的影響相對(duì)較小，縫合復(fù)合材料的拉伸模量下降26.35%，比未縫合層合復(fù)合材料略低9.01%?？p合所造成的不利因素在濕熱環(huán)境下是有限的。

進(jìn)一步地，Zhang等[42]研究了 [45/0/-45/90]4s鋪層的縫合碳纖維/BMI復(fù)合材料在潮濕環(huán)境下的拉伸強(qiáng)度。結(jié)果顯示，潮濕環(huán)境下未縫合層合復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度幾乎沒(méi)有受到影響，而縫合復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度卻提高了12%，達(dá)到411 MPa。這些改善可能是由于鋪層角度為45°和-45°的層吸收了水分，使得面內(nèi)剪切應(yīng)變提高，從而提高了層與層之間的應(yīng)力傳遞；并且45°和-45°層的纖維傾向與加載方向一致，從而提高了縫合復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，因此，選用合適的鋪層順序?qū)?yīng)用于海洋環(huán)境下的縫合復(fù)合材料而言是十分關(guān)鍵的。

縫合與未縫合層合復(fù)合材料的破壞形式基本相同，均在垂直于拉伸方向被拉斷[41]，縫合復(fù)合材料集中在針腳處斷裂，斷口整齊，分層面積小[39]。濕熱環(huán)境并不改變拉伸破壞的損傷形式，縫合復(fù)合材料在濕熱環(huán)境下的拉伸破壞的損傷形式如圖5所示?？p合孔附近的富樹(shù)脂區(qū)易吸濕塑化并產(chǎn)生裂紋，成為破壞的初始損傷區(qū)域[37]，還存在縫線(xiàn)兩側(cè)沿纖維方向的裂紋(見(jiàn)圖5(b))。

圖5 濕熱環(huán)境下的拉伸破壞形式Fig.5 Photomicrograph of specimen after tensile testing in hygrothermal environment. (a) Sectional view; (b) In-plane view

為提高縫合復(fù)合材料的拉伸性能，Bilisik等[43]利用超聲波將多臂碳納米管均勻地添加到樹(shù)脂基體中，浸潤(rùn)纖維織物和縫線(xiàn)，可改善由于引入縫線(xiàn)帶來(lái)的纖維變形等產(chǎn)生的不利影響，但其不足之處是碳納米管易團(tuán)聚。與酸處理改性相比，碳納米管的硅烷改性效果更好，增加了縫合復(fù)合材料的界面結(jié)合能力[44]。

3.2 壓縮性能

縫合對(duì)于層合復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度的影響與纖維取向相關(guān)，對(duì)于90°的單向?qū)雍蠌?fù)合材料，縫合幾乎不造成影響；對(duì)于0°的單向?qū)雍蠌?fù)合材料，縫合會(huì)使其壓縮強(qiáng)度下降[45]?？p線(xiàn)材料和尺寸、縫合密度、縫合方向等是影響其力學(xué)性能的主要因素。

NASA[46]的壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在濕熱循環(huán)下縫合復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度總體下降程度并不嚴(yán)重，且集中在初期階段，這是由于濕熱循環(huán)并沒(méi)有進(jìn)一步加劇縫合所引起的裂紋[47]。Furrow[47]的實(shí)驗(yàn)也得到了一致的結(jié)論：經(jīng)過(guò)1 280次濕熱循環(huán)后，未縫合層合復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度下降了10.3%；而采用Kevlar纖維、玻璃纖維縫合的復(fù)合材料分別下降了13.4%、18.3%。

文獻(xiàn)[40，42]研究了不同鋪層順序和縫合角度的縫合碳纖維/BMI復(fù)合材料的濕熱壓縮強(qiáng)度。結(jié)果顯示，縫合方向影響縫合復(fù)合材料的濕熱壓縮強(qiáng)度，且對(duì)于不同鋪層順序的縫合復(fù)合材料產(chǎn)生了不同的影響。采用效果最佳的縫合角度0°，在濕熱環(huán)境下縫合使得 [45/0/-45/90]4s和[0/45/-45/90/-45/0/45/0]2s鋪層的層合復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度下降20%～40%，而 [90/45/90/-45/0/-45/90/45/90]2s鋪層的層合復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度提高了10%。這可能是由于前2個(gè)層合復(fù)合材料鋪層中含0°層的比例遠(yuǎn)高于[90/45/90/-45/0/-45/90/45/90]2s。0°層相較于其他的鋪層，在基體吸濕塑化后更易脫粘，使壓縮強(qiáng)度下降，因此，選用合理的鋪層順序、縫合方向和改善縫線(xiàn)纖維界面性能，是改善縫合復(fù)合材料濕熱壓縮性能的可行方案[39-40，45]。

縫合可改變層合復(fù)合材料在濕熱環(huán)境下壓縮破壞的損傷形式。未縫合層合復(fù)合材料的損傷形式以分層屈曲破壞為主，濕熱環(huán)境加速了其失效；而縫合能夠有效地抑制分層損傷，使得纖維斷裂成為主要的損傷形式，因此，縫合復(fù)合材料大都呈現(xiàn)強(qiáng)度式破壞，在壓縮過(guò)程中形成大量的折帶，且破壞斷口損傷面積較少，表面存在明顯斷裂的縫線(xiàn)[30，40]。

4 縫合復(fù)合材料在海洋環(huán)境中的應(yīng)用

層合復(fù)合材料在海洋環(huán)境下應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)主要在于：一是高比強(qiáng)度、高比剛度；二是抵抗腐蝕和海洋環(huán)境因素[48]；三是介電性能和微波穿透性能突出，適用于軍用艦艇隱身；四是無(wú)磁性，適用于掃雷艇、獵雷艇[49]。除此之外，層合復(fù)合材料還具備阻尼性能優(yōu)異、抗沖擊韌性好等優(yōu)點(diǎn)，因此，層合復(fù)合材料常用于制作船舶、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、油田鉆井平臺(tái)等增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。通過(guò)引入縫合技術(shù)，可很大程度上提高層合復(fù)合材料在海洋環(huán)境下的抗分層能力和抗沖擊性能。

4.1 船 舶

層合復(fù)合材料被廣泛用于制作方向舵、甲板、船艙和船艙壁等增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。其中，碳纖維層合復(fù)合材料的應(yīng)用最廣泛。船舶在海洋環(huán)境下，不可避免地受到外界的沖擊和環(huán)境的老化。通過(guò)引入適當(dāng)?shù)目p合技術(shù)，可增加其層間性能和抗沖擊性能，延長(zhǎng)使用壽命；同時(shí)可采用縫合技術(shù)進(jìn)行局部的增強(qiáng)或連接。

縫合結(jié)構(gòu)還可提高船舶的抗電磁干擾能力。較未縫合層合復(fù)合材料，縫合復(fù)合材料軸向和法向的電磁屏蔽性能都得到了提高[50]。Abdela等[51]采用高強(qiáng)度、脆性的碳纖維縫線(xiàn)和高應(yīng)變的錦綸縫線(xiàn)交替縫合碳纖維預(yù)制體，以實(shí)現(xiàn)最具平衡的力學(xué)性能和電磁屏蔽性能。此外，Kumar等[52]采用縫合工藝使插入高導(dǎo)電石墨烯薄膜的層合復(fù)合材料成為一個(gè)整體，減少分層現(xiàn)象，制備的層合復(fù)合材料可更好地起到防止雷擊作用，適用于海上航行。

4.2 海上風(fēng)電

海上風(fēng)能是可再生清潔能源之一，且與陸地風(fēng)能相比，更為穩(wěn)定，更易獲取，產(chǎn)能更大。近年來(lái)，風(fēng)能需求的快速增長(zhǎng)促使行業(yè)開(kāi)始設(shè)計(jì)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，以降低能源成本，因此，高比強(qiáng)度、高比剛度的層合復(fù)合材料成為制備風(fēng)電葉片的首選材料，以承受葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的高應(yīng)力。常規(guī)的風(fēng)電葉片各部位采用結(jié)構(gòu)膠粘接，因此，膠接區(qū)域是葉片在服役過(guò)程中最易發(fā)生損傷的部位[53]。Venkadesh等[54]對(duì)長(zhǎng)度為70 m的葉片進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果顯示僅靠膠接作用不足以承受相應(yīng)的高載荷，且膠接區(qū)域的后緣部分易出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，導(dǎo)致葉片損傷。同時(shí)，考慮到葉片的大尺寸和海洋環(huán)境的惡劣影響，可采用縫合的方法對(duì)膠接區(qū)域進(jìn)行加固。Venkadesh等[54]對(duì)葉片膠接區(qū)域的后緣部分進(jìn)行縫合，如圖6所示。模擬結(jié)果顯示，縫合后葉片的失效因子都呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，且都低于安全閾值。其中，以外殼和橫梁蓋為碳纖維的葉片降幅最大，達(dá)到了26%。除此之外，縫合結(jié)構(gòu)還可擴(kuò)展應(yīng)用于潮汐能發(fā)電機(jī)葉片[55]。

圖6 葉片局部縫合加固示意圖Fig.6 Schematic diagram of blade local stitched reinforcement

4.3 海底汽油田

層合復(fù)合材料在海洋油氣開(kāi)發(fā)中占領(lǐng)著重要位置[56-57]，油田鉆井平臺(tái)中的生產(chǎn)井管、抽油桿、儲(chǔ)藏槽、海底輸油管等部件常采用碳纖維層合復(fù)合材料制備[58]。由于深海環(huán)境下的高壓強(qiáng)、高腐蝕作用等不利因素，層合復(fù)合材料易受到剪切作用而產(chǎn)生嚴(yán)重的分層失效[57]，而縫合工藝可對(duì)易發(fā)生破壞的區(qū)域進(jìn)行局部加強(qiáng)，很大程度上抑制分層失效的發(fā)生。

5 總結(jié)與展望

縫合復(fù)合材料具有優(yōu)異的抗層間損傷、抗沖擊等性能，在海洋資源開(kāi)發(fā)和利用中具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，大量的研究工作聚焦于縫合工藝對(duì)層合復(fù)合材料性能的影響，以及海洋環(huán)境如濕熱、鹽霧等對(duì)縫合復(fù)合材料性能的影響研究?？p合工藝將增強(qiáng)纖維引入材料的厚度方向，顯著提高了層合復(fù)合材料抗分層、抗沖擊的能力，但同時(shí)對(duì)層合復(fù)合材料的面內(nèi)性能產(chǎn)生一定的不利影響。應(yīng)用于海洋環(huán)境的縫合復(fù)合材料易受到侵蝕，但縫合工藝的優(yōu)勢(shì)仍然突出，受到的不利影響有限?？p合復(fù)合材料的耐久性明顯提高，一些重要的研究結(jié)果對(duì)縫合復(fù)合材料在海洋環(huán)境中的應(yīng)用提供了支撐。

縫合復(fù)合材料在海洋中應(yīng)用的研究仍然存在以下幾個(gè)問(wèn)題：第一，縫合工藝會(huì)對(duì)增強(qiáng)纖維造成一定的損傷，進(jìn)而影響縫合復(fù)合材料的性能，亟待發(fā)展新的縫合工藝，降低縫合過(guò)程中的纖維損傷；第二，濕熱、鹽霧等海洋環(huán)境對(duì)縫合復(fù)合材料侵蝕機(jī)制研究不清晰，特別是多環(huán)境耦合侵蝕機(jī)制研究不深入；第三，縫合復(fù)合材料在海洋環(huán)境中的應(yīng)用研究需進(jìn)一步加強(qiáng)，特別是針對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，縫合工藝的實(shí)現(xiàn)和制造成本的降低仍然存在較大的挑戰(zhàn)。隨著海洋資源的大力發(fā)展，縫合復(fù)合材料具有廣泛的應(yīng)用前景，相關(guān)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)研究亟待進(jìn)一步深入開(kāi)展。