一種自修復(fù)多功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料，特別公開了一種自修復(fù)多功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。該自修復(fù)多功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，包括復(fù)合材料主體，其特征在于：所述復(fù)合材料主體的上表面貼敷有三維金屬網(wǎng)絡(luò)，下表面貼敷有平面金屬網(wǎng)絡(luò)，三維金屬網(wǎng)絡(luò)上表面貼敷有復(fù)合材料上部蓋板，平面金屬網(wǎng)絡(luò)下表面貼敷有復(fù)合材料下部蓋板。本發(fā)明增加了復(fù)合材料厚度方向的強度和模量，增加了復(fù)合材料的層間斷裂韌度和抗分層產(chǎn)生及擴展的能力，增加了復(fù)合材料的抗沖擊損傷能力和抗疲勞分層擴展能力。
【專利說明】
一種自修復(fù)多功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)
[0001](— )
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料，特別涉及一種自修復(fù)多功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。
[0002](二)
【背景技術(shù)】
纖維增強樹脂基復(fù)合材料由于比剛度、比強度高、耐腐蝕性好、性能可設(shè)計等優(yōu)點，成為新一代的高強輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，廣泛地應(yīng)用于航空、航天、汽車等領(lǐng)域。然而受限于疊層結(jié)構(gòu)的特點，復(fù)合材料層合板因受到服役過程中法向載荷、外來物沖擊等而易在層合板之間產(chǎn)生裂紋，也稱為分層損傷。
[0003]分層損傷是層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料最常見的損傷類型，由于其產(chǎn)生于層合板內(nèi)部，難以被方便且可靠地檢測。目前對復(fù)合材料的分層損傷檢測主要采用目視和超聲兩種方式。目視檢測通過發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致分層的外來物沖擊所產(chǎn)生的表面凹坑，來識別分層損傷及其位置。然而，受到凹坑大小、表面涂漆狀態(tài)、光線、檢測距離和方便程度，以及檢測者的人為因素等多方面條件的影響，其檢測可靠度有限。而超聲檢測雖然可靠性較高，但由于效率較低，只能在有限的時間內(nèi)對特定的區(qū)域進行損傷檢測。
[0004]目前已經(jīng)發(fā)展了若干實時結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)，通過壓電傳感器或植入光纖等方式實現(xiàn)實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)，大大提高了結(jié)構(gòu)檢測的可靠性、及時性。但這項技術(shù)由于帶來了額外的重量卻無其他方面的收益，在工程結(jié)構(gòu)中未得到廣泛的應(yīng)用。
[0005]含分層損傷復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修理方法，傳統(tǒng)上采用挖補和貼補等方式。首先將損傷區(qū)域的材料規(guī)則地去除，通過膠接或機械連接的方式將補片連接到損傷區(qū)域，以恢復(fù)結(jié)構(gòu)的承載能力。然而這種傳統(tǒng)技術(shù)不僅昂貴，而且非常耗時。
[0006]由于上述分層損傷對結(jié)構(gòu)帶來的影響，目前層合板復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計都采用了較高的安全裕度來保證結(jié)構(gòu)的安全。最典型的例子是應(yīng)用于民用飛機主結(jié)構(gòu)設(shè)計的“損傷無擴展要求”，即含分層損傷的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在一定服役時間內(nèi)，不得由于承擔(dān)往復(fù)疲勞載荷而產(chǎn)生有害的擴展。為了達到這一安全要求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用了較低的承載應(yīng)力水平等保守的設(shè)計，從而犧牲了結(jié)構(gòu)重量和效率。
[0007](三)

【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明為了彌補現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種性能增強、結(jié)構(gòu)健康實時監(jiān)測的自修復(fù)多功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。
[0008]本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種自修復(fù)多功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，包括復(fù)合材料主體，其特征在于:所述復(fù)合材料主體的上表面貼敷有三維金屬網(wǎng)絡(luò)，下表面貼敷有平面金屬網(wǎng)絡(luò)，三維金屬網(wǎng)絡(luò)上表面貼敷有復(fù)合材料上部蓋板，平面金屬網(wǎng)絡(luò)下表面貼敷有復(fù)合材料下部蓋板。
[0009]本發(fā)明的復(fù)合材料主體由碳纖維或玻璃纖維樹脂基復(fù)合材料制造，也可采用其他纖維樹脂基復(fù)合材料，其制備工藝可以是預(yù)浸料熱壓罐工藝，也可以是干纖維樹脂注塑成型或其他液體成型工藝，其作用為承擔(dān)結(jié)構(gòu)載荷的主體。
[0010]本發(fā)明一方面提高層合板復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的層間強度和抵抗分層產(chǎn)生的能力，另一方面提供了一種在分層裂紋產(chǎn)生后快速的進行修復(fù)，并恢復(fù)結(jié)構(gòu)承載能力的方法;在一方面同時提供了一種可實時進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的手段。
[0011]本發(fā)明的更優(yōu)技術(shù)方案為:
所述三維金屬網(wǎng)絡(luò)的頂部為平面交織的金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)垂直方向上延伸出與其連接的金屬絲，為三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);其作用為:一方面形成沿厚度方向增強的金屬絲，增強結(jié)構(gòu)厚度方向的性能;另一方面使金屬絲相互連接形成網(wǎng)絡(luò)，為加熱覆層和健康監(jiān)測提供電路。
[0012]所述三維金屬網(wǎng)絡(luò)的金屬絲貫穿復(fù)合材料主體并與底部的平面金屬網(wǎng)絡(luò)連接，其作用是在三維金屬網(wǎng)絡(luò)植入到復(fù)合材料主體中后，從復(fù)合材料主體的另外一個方向與三維金屬網(wǎng)絡(luò)的厚度方向金屬絲連接，形成由三維金屬網(wǎng)絡(luò)到平面金屬網(wǎng)絡(luò)的通電回路。
[0013]所述三維金屬網(wǎng)絡(luò)和平面金屬網(wǎng)絡(luò)表面均涂有熱塑性樹脂覆層，覆層在受熱后即可流動到附近相連的分層和裂紋出，起到修復(fù)作用。
[0014]所述復(fù)合材料主體、復(fù)合材料上部蓋板和復(fù)合材料下部蓋板均為碳纖維或玻璃纖維樹脂基復(fù)合材料，也可采用類似性能的其他樹脂基復(fù)合材料，上下部蓋板的作用是起密封作用，防止在結(jié)構(gòu)修復(fù)過程中受熱的熱塑性樹脂流出。
[0015]所述三維金屬網(wǎng)絡(luò)和平面金屬網(wǎng)絡(luò)上設(shè)置有若干個通電端子，實現(xiàn)了電流的輸入和輸出。
[0016]本發(fā)明增加了復(fù)合材料厚度方向的強度和模量，增加了復(fù)合材料的層間斷裂韌度和抗分層產(chǎn)生及擴展的能力，增加了復(fù)合材料的抗沖擊損傷能力和抗疲勞分層擴展能力，可對復(fù)合材料中的分層和裂紋進行修復(fù)，以恢復(fù)結(jié)構(gòu)的承載能力，可以實現(xiàn)對復(fù)合材料分層損傷區(qū)域和大小的檢測，增加了復(fù)合材料的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。
[0017](四)
【附圖說明】
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
[0018]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為三維金屬網(wǎng)絡(luò)植入復(fù)合材料主體的狀態(tài)示意圖；
圖3為分層在復(fù)合材料中產(chǎn)生但未引起金屬絲斷裂的情況示意圖；
圖4為圖3所述情況下進行結(jié)構(gòu)修復(fù)時熱塑性樹脂的流動情況示意圖；
圖5為分層在復(fù)合材料中產(chǎn)生同時引起金屬絲斷裂的情況示意圖；
圖6為圖5所述情況下進行結(jié)構(gòu)修復(fù)時熱塑性樹脂的流動情況示意圖。
[0019]圖中，I復(fù)合材料主體，2三維金屬網(wǎng)絡(luò)，3平面金屬網(wǎng)絡(luò)，4復(fù)合材料上部蓋板，5復(fù)合材料下部蓋板，11通電端子，21金屬網(wǎng)，22金屬絲，101分層裂紋，102分層引起金屬絲斷裂的部分，201金屬網(wǎng)絲，202熱塑性樹脂覆層，203沿分層裂紋的流動覆層。
[0020](五)
【具體實施方式】
附圖為本發(fā)明的一種具體實施例。該實施例包括復(fù)合材料主體I，所述復(fù)合材料主體I的上表面貼敷有三維金屬網(wǎng)絡(luò)2，下表面貼敷有平面金屬網(wǎng)絡(luò)3，三維金屬網(wǎng)絡(luò)2上表面貼敷有復(fù)合材料上部蓋板4，平面金屬網(wǎng)絡(luò)3下表面貼敷有復(fù)合材料下部蓋板5;所述三維金屬網(wǎng)絡(luò)2的頂部為平面交織的金屬網(wǎng)21，金屬網(wǎng)21垂直方向上延伸出與其連接的金屬絲22;所述三維金屬網(wǎng)絡(luò)2的金屬絲22貫穿復(fù)合材料主體I并與底部的平面金屬網(wǎng)絡(luò)3連接;所述三維金屬網(wǎng)絡(luò)2和平面金屬網(wǎng)絡(luò)3表面均涂有熱塑性樹脂覆層202;所述復(fù)合材料主體1、復(fù)合材料上部蓋板4和復(fù)合材料下部蓋板5均為碳纖維或玻璃纖維樹脂基復(fù)合材料;所述三維金屬網(wǎng)絡(luò)2和平面金屬網(wǎng)絡(luò)3上設(shè)置有若干個通電端子11。
[0021]采用如下的成形工藝制備本發(fā)明中的多功能復(fù)合材料:
采用傳統(tǒng)鋪疊方式進行復(fù)合材料主體I的鋪疊，可采用預(yù)浸料單向帶、織物，也可以采用干絲單向帶或織物。如采用預(yù)浸料，可用熱壓法將三維金屬網(wǎng)絡(luò)2植入到鋪疊后的預(yù)成形體中；如采用干絲材料，可用直接壓入法將三維金屬網(wǎng)絡(luò)2植入到鋪疊后的預(yù)成形體中。根據(jù)復(fù)合材料主體I的厚度來設(shè)計三維金屬網(wǎng)絡(luò)2中金屬絲22的高度，使之植入后能從底部伸出一定長度，通過局部熱熔法或機械方法，去除伸出部分的熱塑性樹脂覆層202。將平面金屬網(wǎng)絡(luò)3放置到底部后，對金屬絲22的伸出部分進行彎折、壓入，使之與平面金屬網(wǎng)絡(luò)3連接形成通電回路。將復(fù)合材料上部蓋板4和復(fù)合材料下部蓋板5鋪層鋪疊后，按需要植入一定數(shù)量的通電端子11。
[0022]固化工藝根據(jù)復(fù)合材料主體的材料而定，對于預(yù)浸料采用熱壓罐工藝固化，固化溫度應(yīng)低于三維金屬網(wǎng)絡(luò)2中的熱塑性樹脂覆層202的熔融溫度。如果固化溫度高于熱塑性樹脂覆層202熔融溫度，則應(yīng)當(dāng)分階段固化，第一階段固化溫度低于覆層熔融溫度，第二階段再施加要求的固化溫度。對于干絲材料，可直接采用樹脂注塑成形或其他液體成形固化工藝。
[0023]在通過如超聲掃描等檢測手段發(fā)現(xiàn)發(fā)生附圖3中所示的分層裂紋時，在通電端子11之間接通電源使得金屬網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生所需要的電流而發(fā)熱，樹脂覆層受熱熔融流動，如附圖4所示，填充了分層裂紋從而實現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)修復(fù)。
[0024]在實現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測功能時，通電端子11之間施加一個小的電壓來測量它們之間的電阻。當(dāng)發(fā)生附圖5中所示的分層裂紋時，通電端子11之間的電阻由于斷裂位置附近的金屬絲被切斷而有所增加，與標定的標準電阻相對比，可以判斷出分層產(chǎn)生的區(qū)域和大小。這時通過電熱毯或紅外線加熱等外部熱源來熔融樹脂覆層使之流動，如附圖6所示，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的修復(fù)。
【主權(quán)項】
1.一種自修復(fù)多功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，包括復(fù)合材料主體(I)，其特征在于:所述復(fù)合材料主體(I)的上表面貼敷有三維金屬網(wǎng)絡(luò)(2)，下表面貼敷有平面金屬網(wǎng)絡(luò)(3)，三維金屬網(wǎng)絡(luò)(2)上表面貼敷有復(fù)合材料上部蓋板(4)，平面金屬網(wǎng)絡(luò)(3)下表面貼敷有復(fù)合材料下部蓋板(5)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自修復(fù)多功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述三維金屬網(wǎng)絡(luò)(2)的頂部為平面交織的金屬網(wǎng)(21)，金屬網(wǎng)(21)垂直方向上延伸出與其連接的金屬絲(22)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自修復(fù)多功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述三維金屬網(wǎng)絡(luò)(2)的金屬絲(22)貫穿復(fù)合材料主體(I)并與底部的平面金屬網(wǎng)絡(luò)(3)連接。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自修復(fù)多功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述三維金屬網(wǎng)絡(luò)(2)和平面金屬網(wǎng)絡(luò)(3)表面均涂有熱塑性樹脂覆層(202)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自修復(fù)多功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述復(fù)合材料主體(1)、復(fù)合材料上部蓋板(4)和復(fù)合材料下部蓋板(5)均為碳纖維或玻璃纖維樹脂基復(fù)合材料。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自修復(fù)多功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述三維金屬網(wǎng)絡(luò)(2)和平面金屬網(wǎng)絡(luò)(3)上設(shè)置有若干個通電端子(11)。
【文檔編號】B32B33/00GK105965996SQ201610219792
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月11日
【發(fā)明人】何帥, 凱恩·平卡拉瓦, 馬特·多諾, 彭雷
【申請人】山東利普索航空科技有限公司