一、引言
随着复合材料在风力发电机叶片等关键领域的广泛应用，其损伤修复技术日益受到关注。然而，这些叶片在长期服役过程中容易受到复杂交变载荷和恶劣环境的影响，导致出现裂纹等损伤。裂纹的产生和扩展容易导致整个叶片的进一步失效，带来巨大的经济损失和安全隐患。近期，多项研究聚焦于复合材料的损伤修复，探索了从局部加热固化到微波快速固化等多种方法，为提升复合材料修复质量与效率提供了新思路。
文章综述了纤维增强复合材料（FRC）风力发电机叶片裂纹损伤的形成机制、检测评估方法以及修复技术。
（一）裂纹损伤形成机理
风力发电机叶片由蒙皮、主梁和腹板等组成，易受环境侵蚀和应力集中影响，导致裂纹、侵蚀、烧伤和脱粘等损伤。叶片制造主要采用树脂传递模塑（RTM）和真空辅助树脂传递模塑（VARTM），这些工艺虽提高效率，但受树脂流动性和润湿性影响，易产生应力梯度和制造缺陷。纤维增强复合材料（FRC）叶片的裂纹扩展复杂，通常沿纤维排列方向，分为四种破坏模式。裂纹扩展路径由宽变窄，扩展速率随储存应变能减少和裂纹扩展所需驱动力增加而下降。目前，叶片维修间隔约半年，但仅靠损伤检测难以满足需求，提前预测叶片裂纹扩展将成为研究热点。
图2 风力涡轮机叶片损伤分布示意图。
（二）损伤检测与评估
及时准确地检测出裂纹损伤的位置和损伤程度是进一步进行损伤评估和修复的基础。否则，一旦这些裂纹持续扩展，将不可避免地导致风力机叶片的局部失稳甚至大面积损伤，同时也会造成巨大的经济损失和安全隐患。鉴于此，学者们已经对纤维增强复合（FRC）材料的损伤检测方法和评估策略开展了一些相关研究。
1.检测方法
风力机叶片损伤检测主要采用无损检测(NDT)方法，包括超声波探测、振动分析、声发射(AE)探测和视觉方法。超声波探测通过发射超声脉冲检测损伤，对叶片损伤敏感且效率高。振动分析通过采集振动信号探测损伤，适用于大型叶片，但受环境因素影响。声发射探测通过接收材料受力或变形产生的声波信号评估结构完整性，可实时监测，但面临信号干扰挑战。视觉方法包括目视检查和机器视觉，利用计算机处理图像进行损伤识别，适用于表面损伤，但对技术和经验要求高。这些方法各有优缺点，需结合使用或开发更高效精确的检测方法。
2.损伤评估
为确保风机叶片运行安全并降低维修成本，需对损伤进行定量评估。评估流程包括判断损伤类型、位置和程度是否适合修复。修复容差的确定参考航空公司维修手册，如F-18战斗机的压痕小于0.4毫米可忽略。风机叶片修复标准缺乏，Mishnaevsky提出平面修复、气动弹性半结构修复和结构性修复等标准。McGugan通过损伤容限指数D量化损伤程度，统一修复标准。D=0表示损伤扩展状态，D→∞表示稳定状态。叶片修复质量有多种衡量属性，需进一步研究公差和标准。
（三）修复技术
1.修复方法
FRC修复方法包括结构机械紧固、树脂注射、外部补片和阶梯式挖补。结构机械紧固可能导致新损伤，通常临时使用。树脂注射修复内部损伤，但难以完全填充。外部补片修复对结构影响小，但不适于大型叶片。阶梯式挖补修复通过去除损坏材料并用粘合剂替换，可恢复大部分机械性能。新提出的修复技术包括自修复和激光修复，但成本高难以推广。阶梯式挖补修复是主要方法，研究聚焦于阶梯角度、粘合剂和补片固化。
2.斜切角的影响
坡口角度对风力机叶片修复效果有显著影响。直槽和斜槽的剪切力随坡口角度变化，抛光可减小剪切力。安全寿命理论和损伤容限中，坡口角度由最大剪应力或应变确定。实际修复中，坡口角度通常根据经验选择。研究表明，较小坡口角度有利于材料性能恢复，但过小可能导致二次损伤。优化坡口设计，如阶梯式坡口，可减少未损伤材料去除量，提高修复强度。修复效果还受坡口槽轨迹形状、表面毛刺和深度等因素影响，需进一步研究。
3.粘合剂的影响
粘合剂在风力机叶片修复中起关键作用，常用环氧树脂、甲基丙烯酸酯和聚氨酯。环氧树脂具有低收缩性和高机械强度，适合延长叶片寿命。甲基丙烯酸酯固化快，延展性好，适用于快速修复。紫外线树脂粘合剂可快速固化，适用于低温环境，有广泛应用前景。粘合剂厚度影响修复效果，适当厚度可提高剪切强度和疲劳强度。过薄或过厚都可能降低修复效果。实际应用中，粘合剂类型和修复条件影响粘合剂厚度选择，需进一步研究。
4.补片固化工艺
风力机叶片补丁固化阶段的化学收缩、热膨胀和固化变形影响修复质量。加热固化结合真空压力降低孔隙率，传统方法为真空袋压法，分为单面和双面固化。单面固化因不均匀压力影响粘结质量，但叶片尺寸大，常采用单面。固化周期和压力影响均匀性和孔隙率，固化压力影响不大，而固化温度和加热速率影响显著。固化温度取决于胶粘剂和补丁材料的自固化温度，中高温更佳。加热设备如烤箱不适用于叶片，常用热风枪等加热，但加热速率不稳定。冷却速率过高导致回弹变形，保温时间延长可降低残余应力，但过长影响效率。新技术如热熔胶、微波固化和紫外固化更具优势。
图12 真空袋固化配置。
图13 不同温度场下的变形和应力。
文章全面总结了FRC风力发电机叶片裂纹损伤的机理、检测评估方法和修复技术。未来需解决的技术问题包括：建立裂纹扩展预测模型；发展适用于恶劣环境中的叶片损伤检测技术；优化修复过程中的坡口角度、粘胶厚度、固化周期和压力；加强修复后质量评估和监测，以预防二次损伤。
