CN113085229A - 碳纤维增强热固性树脂基复合材料分层损伤修复装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种碳纤维增强热固性树脂基复合材料分层损伤修复装置及方法，该修复装置包括：电极、压头组件及外接电源，所述压头组件将待修复的碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件上下夹持于其中；所述压头组件在内置动力源及压力传感器的协同作用下能够针对不同工况调节压力大小；所述外接电源在内置电源及变压器的协同作用下能够针对不同尺寸、材料组分的碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件调节电流参数。根据本发明，其使得修复后的复合材料构件分层损伤未再扩展，性能能够恢复至损伤前的80％～90％，满足了实际维修需求，大大缩短修复周期，将构件替换式维修变为修复式维修，大大节约了维修成本。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料修复领域，特别涉及一种碳纤维增强热固性树脂基复合材料分层损伤修复装置及其修复方法。
背景技术
碳纤维增强复合材料具有轻质高强、耐高温、耐久性好以及具有出色导电性的特点，被广泛的应用在航空航天、土木建筑等领域。随着制备工艺的成熟，材料性能的不断提升，复合材料的应用逐渐由装饰性、次承力构件向主承力构件过度。然而复合材料结构在服役过程中不可避免的会受到低速冲击等动荷载作用，这将造成层间分层等损伤导致结构承载力出现显著下降，进而形成安全隐患。因此碳纤维复合材料层间损伤的发现及修复对于结构安全具有重要意义。
热固性材料如环氧树脂由于综合性能优异且价格较低被广泛的用作碳纤维复合材料的基体材料。但是热固性材料在复合材料结构发生分层等损伤后基体材料也由于破碎而损伤失效，进而导致复合材料结构承载力不能达到使用要求从而丧失服役能力，因此复合材料分层损伤后的修复一直是业内热点研究课题。目前，复合材料损伤修复工艺主要采用以下三种：1、挖补法，即通过剥离去除单个损伤层片，并添加替换层片使层状复合材料恢复性能；2、胶接贴补法，即在缺陷补强区涂刷层间粘胶剂并铺设碳纤维布，用不锈钢薄带紧固后固化修复；3、机械连接修补法，即将特制补片与层压复合材料叠层后铰孔并安装钛合金螺栓进行紧固修复。挖补法的缺点是损伤了复合层板的层间性能，并且对于热固性树脂基复合材料来讲，难以剥离去除单个损伤层片或者剥离后基体材料容易粘连，从而导致工艺复杂条件要求苛刻；胶接贴补法的缺点是严重影响构件的外观尺寸，不能应用于外观覆盖件及对外观尺寸严格限定要求的构件；机械连接修补法的缺点是破坏了纤维的连续性且螺栓连接处易产生电化学腐蚀及应力腐蚀从而造成进一步损伤。
有鉴于此，实有必要开发一种碳纤维增强热固性树脂基复合材料分层损伤修复装置及其修复方法，用以解决上述问题。
发明内容
为了克服上述复合材料损伤修复工艺所存在的问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种简单易操作且修复后性能恢复优秀的碳纤维增强热固性树脂基复合材料分层损伤修复装置，使得修复后的复合材料构件分层损伤未再扩展，性能能够恢复至损伤前的80％～90％，满足了实际维修需求，大大缩短修复周期，将构件替换式维修变为修复式维修，大大节约了维修成本。
就修复装置而言，本发明为解决上述技术问题的碳纤维增强热固性树脂基复合材料分层损伤修复装置包括：电极、压头组件及外接电源，所述压头组件将待修复的碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件上下夹持于其中；所述压头组件在内置动力源及压力传感器的协同作用下能够针对不同工况调节压力大小；所述外接电源在内置电源及变压器的协同作用下能够针对不同尺寸、材料组分的碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件调节电流参数。
可选的，所述电极通过将导电材料涂敷在碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件的四周形成。
可选的，待修复的碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件为平面板构件。
可选的，待修复的碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件为弧形板构件。
可选的，待修复的碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件为圆管型构件。
与此相应，本发明另一个要解决的技术问题是提供一种简单易操作且修复后性能恢复优秀的碳纤维增强热固性树脂基复合材料分层损伤修复方法，采用该方法修复后的复合材料构件分层损伤未再扩展，性能能够恢复至损伤前的80％～90％，满足了实际维修需求，大大缩短修复周期，将构件替换式维修变为修复式维修，大大节约了维修成本。
就修复方法而言，本发明为解决上述技术问题的碳纤维增强热固性树脂基复合材料分层损伤修复方法包括如下步骤：
步骤S1，使用燃烧器对碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件的分层损伤区域进行烧蚀处理，使得分层损伤区域中的热固性树脂碳化并将碳化后的热固性树脂进行清理以形成修复空间；
步骤S2，通过CT扫描确定分层损伤区域的形貌，并最终确定所述修复空间的位置及空间尺寸；
步骤S3，计算所需热塑性树脂的填充用量；
步骤S4，将导电材料涂敷在碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件的四周以形成电极并将电极与外接电源电连接，然后将热塑性树脂粉末填充在烧蚀清理后的所述修复空间中；
步骤S5，将碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件夹设在压头组件中，并通过所述压头组件对所述修复空间中填充的热塑性树脂粉末上下施加压力，同时利用外接电源给为碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件施加电压，通过所述修复空间中的碳纤维产生的电热使得所述修复空间中的热塑性树脂粉末发生熔融并流动填充至整个所述修复空间中；
步骤S6，关闭外接电源，保持所述压头组件的压力不变，使得熔融后的热塑性树脂能够充分填充所述修复空间，待熔融后的热塑性树脂冷却固化后即完成碳纤维增强热固性树脂基复合材料分层损伤的修复作业。
可选的，步骤S3中所需热塑性树脂的填充用量的计算过程包括以下步骤：
步骤T1，根据步骤S2获得分层损伤区域的投影面积S与平均损伤深度t，由此得到所述修复空间的空间体积为St；
步骤T2，由构件中碳纤维的体积分数Vf可以计算得到损伤区域处热固性材料的体积也即所需热塑性树脂的填充体积为V1＝St×(1-Vf)。
可选的，由于热塑性树脂具有较大的冷却体积收缩率，为了避免由于热塑性材料的冷却收缩导致损伤区域不能被完全填充，因此在考虑热塑性材料的体积收缩率后使其能在冷却固化后的体积等于上述所需填充的体积，由此得到所需热塑性树脂修正后的填充体积为：V2＝St×(1-Vf)/(1-a)，进而得到所需热塑性树脂的填充质量为：
其中，M-所需热塑性树脂的填充质量；
ρ-热塑性树脂的密度；
S—修复空间的投影面积；
t—修复空间的平均深度；
Vf—构件碳纤维的体积分数；
a—热塑性树脂的体积收缩率。
可选的，步骤S4和S5之间还包括：
步骤S41：使用夹具将填充有热塑性树脂粉末的碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件进行预夹持，当夹具的接触面为导电金属时，需将夹具的接触面用绝缘材料进行包裹，避免夹具与导纤维接触导电。
可选的，步骤S6中通过控制外接电源的电流衰减速率使热塑性树脂的温度以缓慢的速率下降，避免因冷却速度过快导致热塑性材料在冷却过程中出现开裂及翘曲等缺陷，待热塑性树脂冷却固化即完复合材料构件的损伤修复作业。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：相较于传统挖补法修复工艺会损伤复合层板的层间性能，难以剥离去除热固性树脂基复合材料构件的单个损伤层片，施工工艺复杂，条件要求苛刻等缺点，本修复方法通过烧蚀工艺能够较彻底地去除热固性树脂基复合材料构件损伤区域中的热固性树脂基体材料并保留原构件的碳纤维增强材料，使得能够大幅保留复合层板的层间性能，修复后能够有效避免分层损伤在复合材料层板内部进一步扩散，最大化地恢复了损伤前的基本力学性能，满足了构件的使用需求。
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：无需添加修补材料或针对损伤部位进行机械加工，通过碳纤维导电后发热的特性使得热塑性修补材料在复合层板内部自身熔融固化愈合，简化了修复工艺的同时极大地降低了修复成本，并且不会影响复合层板构件的外观尺寸及轮廓。
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：对热塑性修补材料所需用量进行修正，避免由于热塑性材料的冷却收缩导致损伤区域不能被完全填充。
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：控制热塑性材料熔融固化的冷却梯度，使热塑性树脂的温度以缓慢的速率下降，避免因冷却速度过快导致热塑性材料在冷却过程中出现开裂及翘曲等缺陷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制，其中：
图1为烧蚀碳化损伤环氧树脂过程图；
图2为平板构件通电自修复过程图；
图3为弧形板构件通电自修复过程剖面图；
图4为管状构件通电自修复过程剖面图；
图5为平板构件修复前后的冲击接触力对比。
附图标记：
1：损伤的复合材料构件(平板状)
2：燃烧器
3：损伤区域
4：碳化的环氧树脂
5：聚苯乙烯
6：裸露出的碳纤维
7：压头
8：电极
9：外接电源
10：损伤的复合材料构件(弧形)
11：损伤的复合材料构件(圆管型)
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在附图中，为清晰起见，可对形状和尺寸进行放大，并将在所有图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
在下列描述中，诸如中心、厚度、高度、长度、前部、背部、后部、左边、右边、顶部、底部、上部、下部等用词是相对于各附图中所示的构造进行定义的，特别地，“高度”相当于从顶部到底部的尺寸，“宽度”相当于从左边到右边的尺寸，“深度”相当于从前到后的尺寸，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化，所以，也不应当将这些或者其他的方位用于解释为限制性用语。
涉及附接、联接等的术语(例如，“连接”和“附接”)是指这些结构通过中间结构彼此直接或间接固定或附接的关系、以及可动或刚性附接或关系，除非以其他方式明确地说明。
根据本发明的一实施方式结合图1和图2的示出，可以看出，碳纤维增强热固性树脂基复合材料分层损伤修复装置，包括：电极8、压头组件7及外接电源9，所述压头组件7将待修复的碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件1上下夹持于其中；所述压头组件7在内置动力源及压力传感器的协同作用下能够针对不同工况调节压力大小；所述外接电源9在内置电源及变压器的协同作用下能够针对不同尺寸、材料组分的碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件7调节电流参数。
参照图2，所述电极8通过将导电材料涂敷在碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件7的四周形成。
再次参照图2，待修复的碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件为平面板构件。
参照图3，待修复的碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件为弧形板构件。
参照图4，待修复的碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件为圆管型构件。
本案还公开一种利用如上述碳纤维增强热固性树脂基复合材料分层损伤修复装置进行修复的修复方法，包括以下步骤：
步骤S1，使用燃烧器对碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件的分层损伤区域进行烧蚀处理，使得分层损伤区域中的热固性树脂碳化并将碳化后的热固性树脂进行清理以形成修复空间；
步骤S2，通过CT扫描确定分层损伤区域的形貌，并最终确定所述修复空间的位置及空间尺寸；
步骤S3，计算所需热塑性树脂的填充用量；
步骤S4，将导电材料涂敷在碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件的四周以形成电极并将电极与外接电源电连接，然后将热塑性树脂粉末填充在烧蚀清理后的所述修复空间中；
步骤S5，将碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件夹设在压头组件中，并通过所述压头组件对所述修复空间中填充的热塑性树脂粉末上下施加压力，同时利用外接电源给为碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件施加电压，通过所述修复空间中的碳纤维产生的电热使得所述修复空间中的热塑性树脂粉末发生熔融并流动填充至整个所述修复空间中；
步骤S6，关闭外接电源，保持所述压头组件的压力不变，使得熔融后的热塑性树脂能够充分填充所述修复空间，待熔融后的热塑性树脂冷却固化后即完成碳纤维增强热固性树脂基复合材料分层损伤的修复作业。
进一步地，步骤S3中所需热塑性树脂的填充用量的计算过程包括以下步骤：
步骤T1，根据步骤S2获得分层损伤区域的投影面积S与平均损伤深度t，由此得到所述修复空间的空间体积为St；
步骤T2，由构件中碳纤维的体积分数Vf可以计算得到损伤区域处热固性材料的体积也即所需热塑性树脂的填充体积为V1＝St×(1-Vf)。
进一步地，由于热塑性树脂具有较大的冷却体积收缩率，为了避免由于热塑性材料的冷却收缩导致损伤区域不能被完全填充，因此在考虑热塑性材料的体积收缩率后使其能在冷却固化后的体积等于上述所需填充的体积，由此得到所需热塑性树脂修正后的填充体积为：V2＝St×(1-Vf)/(1-a)，进而得到所需热塑性树脂的填充质量为：
其中，M-所需热塑性树脂的填充质量；
ρ-热塑性树脂的密度；
S-修复空间的投影面积；
t-修复空间的平均深度；
Vf-构件碳纤维的体积分数；
a-热塑性树脂的体积收缩率。
进一步地，步骤S4和S5之间还包括：
步骤S41：使用夹具将填充有热塑性树脂粉末的碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件进行预夹持，当夹具的接触面为导电金属时，需将夹具的接触面用绝缘材料进行包裹，避免夹具与导纤维接触导电。
进一步地，步骤S6中通过控制外接电源的电流衰减速率使热塑性树脂的温度以缓慢的速率下降，避免因冷却速度过快导致热塑性材料在冷却过程中出现开裂及翘曲等缺陷，待热塑性树脂冷却固化即完复合材料构件的损伤修复作业。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1：
1、制备带有分层损伤的平面板构件。首先通过真空辅助成型(VARI)工艺制备碳纤维/环氧树脂复合材料层合板，计算成型后构件的纤维体积分数80％。所选碳纤维为T700级，其燃烧氧化温度在400℃左右；所选环氧树脂为双酚A环氧树脂，其燃烧碳化温度在200摄氏度以上。随后利用落锤冲击试验机对层合板进行低速冲击处理。选择不大于试件穿透能量的速度进行落锤低速冲击，使试件出现层间分层、环氧树脂破碎等损伤，得到出现分层损伤的平板构件1。冲击载荷施加的过程中，同步收集复合材料构件的冲击接触力，并绘制成如图5所示的时间-冲击接触力图(修复前部分)。
2、计算所需热塑性材料的用量。对损伤的平板构件1进行CT扫描，通过扫描结果得到损伤区域3的位置和损伤区域3的面积2cm2以及深度0.5cm。通过查阅资料得到所使用的热塑性材料聚苯乙烯的密度和体积收缩率分别为1.05g/cm3和0.3％。因此通过公式①即可得到所需聚苯乙烯的用量为0.2106g。
3、碳化损伤的环氧树脂。选择丁烷燃烧器2对层合板损伤区域3处进行灼烧。通过调整火焰大小以及火焰距层合板的距离控制施加在层合板上的温度在300℃左右，由于该温度超过环氧树脂的碳化温度而未达到碳纤维的氧化温度，因此在这一温度下层合板损伤区域的环氧树脂将会逐渐碳化，而碳纤维并不会受到很大影响。待环氧树脂全部碳化后，关闭燃烧器。随后清理掉碳化的环氧树脂4，此时损伤区域3处仅剩下碳纤维。
4、将热塑性材料熔融并填充在损伤区域。将导电银浆涂敷在在层合板四周形成电极8，将热塑性材料聚苯乙烯5(熔点在180℃左右)填充在层合板损伤区域3处。在损伤区域3的上下利用压头7施加压力使聚苯乙烯5熔融固化后能完全填充再损伤区域3处。随后利用导线将电极连接至外接电源9上，通过调整外接电源9输出的电流控制碳纤维产生自热的温度在200℃，此时聚苯乙烯5即可熔化并流动填充到损伤区域。
5、热塑性材料的冷却固化。待聚苯乙烯5填满损伤区域3后控制外接电源9的电流衰减速率使热塑性材料以5℃/min的冷却速率冷却至室温。此时聚苯乙烯5冷却硬化即完成损伤的平板试件1的自修复过程。
6、试件修复效果测试。采用和步骤1相同的条件对修复好的试件进行低速冲击实验，通过对比实验结果发现修复后的试件最大接触力达到损伤前的86.2％，并绘制成如图5所示的时间-冲击接触力图(修复后部分)，证明此方法具有很好的修复效果。
实施例2：本实施例与实施例1不同的是：步骤1中利用VARI工艺制备的构件为弧形板构件。
实施例3：本实施例与实施例1不同的是：步骤1中利用VARI工艺制备的构件为圆管型构件。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。
Claims (10)
1.一种碳纤维增强热固性树脂基复合材料分层损伤修复装置，包括：电极、压头组件及外接电源，其特征在于，所述压头组件将待修复的碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件上下夹持于其中；所述压头组件在内置动力源及压力传感器的协同作用下能够针对不同工况调节压力大小；所述外接电源在内置电源及变压器的协同作用下能够针对不同尺寸、材料组分的碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件调节电流参数。
2.如权利要求1所述的碳纤维增强热固性树脂基复合材料分层损伤修复装置，其特征在于，所述电极通过将导电材料涂敷在碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件的四周形成。
3.如权利要求1所述的碳纤维增强热固性树脂基复合材料分层损伤修复装置，其特征在于，待修复的碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件为平面板构件。
4.如权利要求1所述的碳纤维增强热固性树脂基复合材料分层损伤修复装置，其特征在于，待修复的碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件为弧形板构件。
5.如权利要求1所述的碳纤维增强热固性树脂基复合材料分层损伤修复装置，其特征在于，待修复的碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件为圆管型构件。
6.一种利用如权利要求1所述的碳纤维增强热固性树脂基复合材料分层损伤修复装置进行修复的修复方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，使用燃烧器对碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件的分层损伤区域进行烧蚀处理，使得分层损伤区域中的热固性树脂碳化并将碳化后的热固性树脂进行清理以形成修复空间；
步骤S2，通过CT扫描确定分层损伤区域的形貌，并最终确定所述修复空间的位置及空间尺寸；
步骤S3，计算所需热塑性树脂的填充用量；
步骤S4，将导电材料涂敷在碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件的四周以形成电极并将电极与外接电源电连接，然后将热塑性树脂粉末填充在烧蚀清理后的所述修复空间中；
步骤S5，将碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件夹设在压头组件中，并通过所述压头组件对所述修复空间中填充的热塑性树脂粉末上下施加压力，同时利用外接电源给为碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件施加电压，通过所述修复空间中的碳纤维产生的电热使得所述修复空间中的热塑性树脂粉末发生熔融并流动填充至整个所述修复空间中；
步骤S6，关闭外接电源，保持所述压头组件的压力不变，使得熔融后的热塑性树脂能够充分填充所述修复空间，待熔融后的热塑性树脂冷却固化后即完成碳纤维增强热固性树脂基复合材料分层损伤的修复作业。
7.如权利要求6所述的碳纤维增强热固性树脂基复合材料分层损伤的修复方法，其特征在于，步骤S3中所需热塑性树脂的填充用量的计算过程包括以下步骤：
步骤T1，根据步骤S2获得分层损伤区域的投影面积S与平均损伤深度t，由此得到所述修复空间的空间体积为St；
步骤T2，由构件中碳纤维的体积分数Vf可以计算得到损伤区域处热固性材料的体积也即所需热塑性树脂的填充体积为V1＝St×(1-Vf)。
8.如权利要求7所述的碳纤维增强热固性树脂基复合材料分层损伤的修复方法，其特征在于，由于热塑性树脂具有较大的冷却体积收缩率，为了避免由于热塑性材料的冷却收缩导致损伤区域不能被完全填充，因此在考虑热塑性材料的体积收缩率后使其能在冷却固化后的体积等于上述所需填充的体积，由此得到所需热塑性树脂修正后的填充体积为：V2＝St×(1-Vf)/(1-a)，进而得到所需热塑性树脂的填充质量为：
其中，M—所需热塑性树脂的填充质量；
ρ—热塑性树脂的密度；
S—修复空间的投影面积；
t—修复空间的平均深度；
Vf—构件碳纤维的体积分数；
a—热塑性树脂的体积收缩率。
9.如权利要求6所述的碳纤维增强热固性树脂基复合材料分层损伤的修复方法，其特征在于，步骤S4和S5之间还包括：
步骤S41：使用夹具将填充有热塑性树脂粉末的碳纤维增强热固性树脂基复合材料构件进行预夹持，当夹具的接触面为导电金属时，需将夹具的接触面用绝缘材料进行包裹，避免夹具与导纤维接触导电。
10.如权利要求6所述的碳纤维增强热固性树脂基复合材料分层损伤的修复方法，其特征在于，步骤S6中通过控制外接电源的电流衰减速率使热塑性树脂的温度以缓慢的速率下降，避免因冷却速度过快导致热塑性材料在冷却过程中出现开裂及翘曲等缺陷，待热塑性树脂冷却固化即完复合材料构件的损伤修复作业。
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