CN102922834B - 一种热塑性纤维复合材料开孔制件的补强片设计及补强方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热塑性复合材料开孔制件的补强片设计及补强方法。具体地，本发明根据制件开孔部位的形状和大小设计相匹配的具有径向纤维轨迹层和环向纤维轨迹层的补强片，然后用所述补强片对热塑性复合材料开孔制件进行补强。该补强片具有设计简便、补强效果优异、无需裁剪、适合于批量化生产等优点。使用该补强片进行补强，成型工艺简单灵活，大大提高了补强效率，具有十分广阔的应用前景。

Description

一种热塑性纤维复合材料开孔制件的补强片设计及补强方法

技术领域

本发明涉及热塑性复合材料技术领域，尤其涉及一种提高热塑性复合材料开孔制件性能的开孔部位补强片制作方法，及用所述补强片对开孔制件进行补强的方法。

背景技术

纤维增强热塑性复合材料具有高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强、韧性高、无贮存时间限制、制造周期短、吸湿率低、可焊接、可重复加工等一系列优异性能，被广泛应用于航空航天、航海、国防、交通运输、土木建筑、能源、化工机械、体育娱乐等领域。热塑性复合材料层合板在实际应用中由于部件连接、检修、减重等原因常常需要开孔。开孔切断了纤维，引起应力集中，大大降低了结构的承载能力，使其成为复合材料结构中容易发生破坏的薄弱环节，因此一般需要对开孔部位进行局部补强。

热塑性复合材料开孔制件常见的开孔补强方法主要包括采用传统纤维织物补强和机械连接补强等。采用纤维织物制备开孔补强片时，开孔处纤维被打断，纤维的承载性能大幅下降，补强效果不佳，且纤维织物补强片在裁剪过程中纤维易散落和变形，纤维浪费量也较大。

综上所述，本领域迫切需要一种纤维浪费量小、补强效果佳、设计和制造简单，适合实际应用的补强方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有热塑性复合材料开孔制件开孔补强方法存在补强效果不佳、补强结构可靠性不高、质量不易控制、工序繁琐、工作效率低、补强片设计繁琐耗时等不足，提供一种设计简便、普遍适用、补强效果优异、无需裁剪、适合于批量化生产等优点的补强片。

本发明的第一方面，提供了一种热塑性复合材料开孔制件的补强片，所述的补强片包括迭放在一起的径向纤维轨迹层和环向纤维轨迹层，

其中，所述径向纤维轨迹层与开孔周围的热塑性复合材料存在第一重叠区域而与开孔区域不存在重叠区域；

所述环向纤维轨迹层与开孔周围的热塑性复合材料存在第二重叠区域而与开孔区域不存在重叠区域；

所述径向纤维轨迹层的中心与所述环向纤维轨迹层的中心基本重合。

在另一优选例中，所述径向纤维轨迹层的总体形状为围绕开孔的环形。

在另一优选例中，所述第一重叠区域的内沿与开孔的边缘基本重合。

在另一优选例中，所述第二重叠区域的内沿与开孔的边缘基本重合。

在另一优选例中，所述的环向纤维轨迹层的纤维轨迹为圆形、近圆形、椭圆形、近椭圆形或螺旋线形，或其组合。

在另一优选例中，所述的环向纤维轨迹层的纤维轨迹和/或总体形状与开孔相似或相同。

在另一优选例中，所述的径向纤维轨迹层每层由1-100根纤维构成，较佳地由1-20根纤维构成，更佳地由1-5根纤维构成，最佳地由1根纤维构成。

在另一优选例中，两层或多层径向纤维轨迹层由1根纤维构成。

在另一优选例中，所述的径向纤维轨迹层具有从中心向外分散的多个径向纤维轴。较佳地，每层径向纤维层的径向纤维轴数量为10～10，000，000根，较佳地为15-1000根。

在另一优选例中，按开孔的周长计算，径向纤维层的径向纤维轴的密度通常为3-50根/cm，较佳地为5-25根/cm。

在另一优选例中，所述补强片包括多个径向纤维轨迹层和多个环向纤维轨迹层。

在另一优选例中，每个径向纤维轨迹层的径向纤维轨迹的取向可以相同，可以不同。例如，第一层取向45度，第二层取向-45度。

在另一优选例中，所述的径向纤维轴在补强片的各个位置具有相同或基本相同的分布密度。

在另一优选例中，所述的径向纤维轴在补强片的各个位置具有不同的分布密度。

在另一优选例中，所述的径向纤维轴可以为直线、曲线，或其组合。

在另一优选例中，每层环向纤维轨迹层由1-100根纤维构成，较佳地由1-20根纤维构成，更佳地由1-5根纤维构成，最佳地由1根纤维构成。

在另一优选例中，两层或多层环向纤维轨迹层由1根纤维构成。

在另一优选例中，两层或多层的径向纤维轨迹层和环向纤维轨迹层都由1根纤维构成。

在另一优选例中，所述的环向纤维轨迹层呈螺旋形铺放。较佳地可为圆形、近圆形、椭圆、近椭圆形或螺旋线形，或其组合，较佳地为螺旋线形，且每一层环向纤维轨迹层的纤维圈数为3～1,000圈。

在另一优选例中，所述的纤维轨迹由1-20层径向纤维轨迹层和1-20层环向纤维轨迹层组成，更佳地由1-10层径向纤维轨迹层和1-10层环向纤维轨迹层组成，最佳地由1-5层径向纤维轨迹层和1-5层环向纤维轨迹层组成。

在另一优选例中，所述补强片至少由1层径向纤维轨迹层和1层环向纤维轨迹层组成单层，且单层的厚度为0.2～3mm，最佳地所述补强片由一根纤维组成。

在另一优选例中，所述补强片的径向纤维层的外径R与热塑性复合材料开孔制件开孔的半径r的比例R/r=1.5～6.0，较佳地为1.5～3.5。

在另一优选例中，所述的补强片的纤维丝束为混杂纤维，较佳地，所述补强片的纤维丝束为由热塑性树脂纤维和增强纤维组成的混杂纤维，且其中热塑性树脂纤维的体积分数为40%-80%，增强纤维的体积分数为20%-60%。

在另一优选例中，所述的热塑性树脂纤维为结晶形或无定形树脂纤维，较佳地，所述的热塑性树脂纤维选自下组：聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚乳酸、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺、聚醚醚酮，或其组合。

在另一优选例中，所述的增强纤维选自下组：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、天然纤维，或其组合。

在另一优选例中，所述的增强纤维包括玻璃纤维和/或碳纤维。

本发明的第二方面，提供了一种如本发明第一方面所述的补强片的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

i)根据制件开孔的形状和大小设计形状、尺寸相匹配的径向和环向纤维轨迹；

ii)按照所设计的纤维丝束轨迹、几何形状及尺寸，采用缝合线或粘合剂将纤维丝束固定在底材上，制得所需的补强片。

在另一优选例中，所述的步骤i)包括：对待加固补强部位进行受力分析，确定待加固补强部位主要承受载荷的方向和大小，并结合待加固补强部位的几何形状及尺寸大小设计补强片，使补强片的纤维丝束轨迹与待加固补强部位的受力承载方向一致或基本一致，几何形状以及尺寸大小与待加固补强部位相匹配；

在另一优选例中，所述的热塑性复合材料是由热塑性树脂基体材料与增强纤维材料形成的复合材料。

在另一优选例中，所述的纤维丝束为混杂丝束，较佳地，所述的纤维丝束是由热塑性树脂纤维和增强纤维组合成的混杂丝束。

本发明的第三方面，提供了一种本发明第一方面所述的补强片的用途，所述补强片用于开孔制件的补强。

在另一优选例中，所述的开孔制件为具有一个或多个开孔的复合材料制件；较佳地，为具有一个或多个开孔的热塑性复合材料开孔制件。

在另一优选例中，所述的开孔的形状为圆形、椭圆形、近圆形、近椭圆形、三角形、方形、多边形以及不规则形状。

在另一优选例中，所述的补强片是通过如本发明第二方面所述方法制备得到。

本发明的第四方面，提供了一种热塑性复合材料开孔制件的补强方法，其中，

所述方法包括步骤(1)：

(1)在制备热塑性复合材料开孔制件的过程中，当制得的热塑性复合材料开孔制件的纤维预成型体后，将补强片铺放在纤维预成型体的开孔部位，然后通过模压成型工艺将补强片与纤维预成型体一体化固化成型，得到开孔补强的热塑性复合材料开孔制件；

或所述方法包括步骤(2)：

(2)将补强片直接铺放在已固化的热塑性复合材料开孔制件的开孔部位的表面，然后通过模压成型工艺进行二次固化成型，得到开孔补强的热塑性复合材料开孔制件。

在另一优选例中，所述的补强方法包括：用如本发明第一方面提供的补强片进行制件补强。

在另一优选例中，所述的步骤(1)中，补强片可任选地铺放在纤维预成型体的上表面或下表面，或者铺放在纤维预成型体的不同层之间。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

图1是本发明实施例中复合材料开孔层合板的结构与所受拉伸载荷方向示意图；

图2是本发明实施例中混杂纤维丝束补强片的纤维轨迹示意图；图中，灰色线条层表示径向纤维轨迹层，黑色线条层表示环向纤维轨迹层。

图3是本发明对比实施例中纤维布补强片的形状示意图；

图4是本发明实施例1与对比实施例1中的开孔补强法模压成型工艺示意图。

图5是本发明实施例2与对比实施例中2的开孔补强法模压成型工艺示意图。

图4和图5中的附图标记为：下模具1、热塑性复合材料制件1’、脱模剂2、预成型体3、补强片4、密封橡胶条5、上模具6。

具体实施方式

本发明人经过长期而深入的研究，意外地发现，具有径向纤维轨迹层和环向纤维轨迹层共同组成的纤维轨迹的补强片具有很高的强度，可以简便而高效地对制件进行补强。具有所述纤维轨迹的补强片制备工艺简单，可批量化生产，且适用范围广，因而非常适合用于对热塑性材料开孔制件进行补强。基于上述发现，发明人完成了本发明。

本发明根据制件开孔部位的形状和大小设计相匹配的补强片，该补强片的纤维轨迹由径向纤维轨迹层和环向纤维轨迹层组成，采用热塑性树脂纤维和增强纤维组合成的混杂纤维丝束根据设计好的纤维轨迹制备补强片，然后将补强片铺放在开孔补强部位，采用模压成型工艺进行一体化固化成型或二次固化成型将该补强片固化在开孔部位，实现对热塑性复合材料开孔制件的补强。

径向纤维轨迹层

如本文所用，术语“径向纤维轨迹”指与开孔的边缘相交且呈径向排列的纤维轨迹。通常，每个径向排列的纤维轨迹形成或构成一个径向纤维轴。各个径向纤维轨迹中心线(或中轴)可以指向或基本指向并汇聚于开孔的中心或中心区域。

虽然，在同一径向纤维轨迹层中，各径向纤维轴的取向(或与开孔边缘形成的夹角大小)可以相同或不同，但优选相同或基本相同。

此外，当含有多个径向纤维轨迹层时，各径向纤维轨迹层的径向纤维轨迹的取向可以相同，可以不同。例如，第一层取向45度，第二层取向-45度。

在本发明中，径向纤维轴的数量没有特别限制，通常取决于开孔的大小以及所需达到的补强程度。一般，按开孔的周长计算，径向纤维层的径向纤维轴的密度通常为3-50根/cm，较佳地为5-25根/cm。

在另一优选例中，每一层径向纤维层的径向纤维轴数量为10～10，000，000根，较佳地为15-1000根。

在本发明中，每层径向纤维轨迹层可由一根或多根纤维构成，较佳地由一根纤维构成，即一个径向纤维轨迹层中的所有径向纤维轴由单根纤维形成。

更优选地，多个或所有径向纤维轨迹层是由一根纤维构成。

环向纤维轨迹层

如本文所用，术语“环向纤维轨迹”指中心与开孔的中心基本重合的环向纤维的轨迹。较佳地，本发明的环向纤维轨迹的形状为螺旋形。

在本发明中，所述的环向纤维轨迹可为圆形、近圆形、椭圆形、近椭圆形或螺旋线形或其他与开孔形状相似或相近的形状，或其组合。环向纤维轨迹可以是封闭的(如圆形)，也可以是不封闭的(如螺旋形)。

较佳地，本发明的环向纤维轨迹的形状为螺旋形。优选为螺旋线形。

在本发明中，环向纤维轨迹的圈数没有特别限制，通常取决于开孔的大小以及所需达到的补强程度。一般，按补强区域的宽度(R-r)计算，环向纤维轨迹层的纤维圈数通常为1-50根/cm，较佳地为3-25根/cm。

在另一优选例中，每一层环向纤维轨迹层的纤维圈数为3～1,000圈。

在本发明中，环向纤维轨迹层可由一根或多根纤维构成，较佳地由一根纤维构成，即一个环向纤维轨迹层中的所有环向纤维由单根纤维形成(尤其是螺旋形环向纤维轨迹层)。

更优选地，多个或所有环向纤维轨迹层是由一根纤维构成的。

在本发明中，一种特别优选的方式是补强片中的多个或所有的径向纤维轨迹层和环向纤维轨迹层都由一根纤维构成的。这样，使得补强片中所有的纤维轨迹是连续的，从而可以显著提高强度。

开孔制件的补强片

本发明所述的补强片由树脂纤维和增强纤维轨迹构成。可用于本发明的树脂纤维包括(但不限于)：聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚乳酸、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚醚酮，或其组合。

本发明所用的补强片具有径向纤维轨迹层和环向纤维轨迹层组成的纤维轨迹，较佳地，具有由1-20层径向纤维轨迹层和1-20层环向纤维轨迹层组成的纤维轨迹，其中，径向纤维轨迹层和环向纤维轨迹层可以任意比例和数量叠加组合，且至少含有1层径向纤维轨迹层和1层环向纤维轨迹层。

所述的补强片可为任意大小，一种优选的补强片的径向纤维的外径R与热塑性复合材料制件开孔部位的半径r的比例为1.5～6.0，较佳地为1.5～3.5。

所述的补强片的增强纤维丝束可用常规方法制备，或可通过市售途径购得。例如，可使用市售的各自不同类型纤维，包括各种不同公称直径(如2-50微米)和线密度(如600-10000tex)的纤维丝束。优选的纤维丝束包括(但并不限于)玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、天然纤维，或其组合；

在另一优选例中，所述的纤维丝束为树脂纤维和增强纤维的混杂纤维丝束，较佳地，所述的纤维丝束为由热塑性树脂纤维和增强纤维组成的混杂纤维。

在另一优选例中，热塑性树脂纤维占总纤维的体积分数为40%-80%，增强纤维占总纤维的体积分数为20%-60%；

所述的补强片的单层(包括一层径向纤维轨迹层和一层环向纤维轨迹层)厚度为0.05～10mm，较佳地为0.1～5mm，更佳地为0.2～3mm。

在另一优选例中，本发明所述补强片的轨迹在各个方向呈或基本呈对称分布。

补强片的制作

优选的本发明中的补强片的制作方法如下：

1)根据制件开孔部位的形状和大小，设计相匹配的补强片。所述的补强片可为任意大小，一种优选的补强片的径向纤维的外径R与热塑性复合材料制件开孔部位的半径r的比例为1.5～3.5。

2)按照所设计的纤维丝束轨迹、几何形状及尺寸，采用缝合线或粘合剂将热塑性树脂纤维和增强纤维组合成的混杂纤维丝束铺放并固定在底材上，制得所需的补强片。

补强方法

采用本发明提供的补强片，通过如下步骤(1)或步骤(2)得到开孔补强的热塑性复合材料开孔制件：

步骤(1)：在制备热塑性复合材料开孔制件的过程中，当制得的热塑性复合材料开孔制件的纤维预成型体后，将补强片铺放在纤维预成型体的开孔部位，然后通过模压成型工艺将补强片与纤维预成型体一体化固化成型，得到开孔补强的热塑性复合材料开孔制件；

在另一优选例中，所述的补强片可以铺放在纤维预成型体的上表面或下表面，或者铺放在纤维预成型体的层与层之间。

步骤(2)：将补强片直接铺放在已固化的开孔制件的开孔部位的表面，然后采用模压成型工艺进行二次固化成型，得到开孔补强的开孔制件。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.补强片的设计和制作简单方便，工程上适用性强，可批量化生产，成本低。

2.补强片可设计性强，可根据开孔部位的大小，灵活设计补强片的尺寸。

3.补强片由纤维丝束铺放而成，几乎不产生纤维的浪费，当补强部位面积大或大批量生产时纤维节约量尤其明显；

4.补强片由径向纤维轨迹层和环向纤维轨迹层组成，在各个方向可几乎呈对称分布，可以适用于各种不同受力情况下开孔制件的补强，且补强效果优异，大大提高开孔补强效果和工作效率，具有十分广阔的应用前景。

5.补强工艺简单灵活，既可以与复合材料开孔制件一起成型，也可以用于开孔制件的后期修补。

6.操作方便简单，使得开孔补强部位具备足够结构刚度和结构强度。

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。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数是重量百分比和重量份数。

方法和仪器

拉伸性能测试：拉伸测试在INSTRON 5985万能试验机上室温下进行，测试速度为2mm/min。

实施例1：

本实施例中，热塑性复合材料开孔制件是由四层聚苯硫醚薄膜和四层CF300 3K碳纤维斜纹织物制备的碳纤维/聚苯硫醚复合材料开孔层合板，该复合材料层合板承受单轴向拉伸载荷，其结构和所受拉伸载荷方向如图1所示；开孔部位孔直径Φ为20mm；补强片4采用聚苯硫醚纤维和CF300 3K碳纤维的混杂纤维丝束制备，该补强片4与该碳纤维/聚苯硫醚复合材料开孔层合板的预成型体3经图4所示的一体化固化模压成型工艺，得到开孔补强的碳纤维/聚苯硫醚复合材料层合板。具体方法包括如下步骤：

步骤1、根据碳纤维/聚苯硫醚复合材料开孔层合板制件开孔部位的形状和大小设计相匹配的补强片4，补强片外径与开孔部位直径之比为2.0，由一层径向纤维轨迹层和一层近圆形螺旋线纤维轨迹层组成补强片，如图2所示；

步骤2、采用聚苯硫醚纤维和碳纤维的混杂纤维丝束按照步骤1设计的纤维丝束轨迹、几何形状及尺寸，采用缝合线或粘合剂将该混杂纤维丝束固定在无纺布上制得所需的补强片4，聚苯硫醚纤维体积分数为55%，碳纤维的体积分数为45%；

步骤3、采用四层聚苯硫醚薄膜和四层CF300 3K碳纤维斜纹织物制备形状如图1所示的碳纤维/聚苯硫醚复合材料开孔层合板预成型体，聚苯硫醚薄膜和碳纤维斜纹织物交叉叠放形成预成型体3，通过如图4所示的模压成型工艺，将步骤2制得的补强片4放入下模具1，然后将热塑性复合材料开孔层合板预成型体3铺放在补强片4上(开孔部位对齐)，再将步骤2制得的补强片4铺放在该预成型体3上（开孔部位对齐），从下模具1表面开始的铺放次序为：脱模剂2、补强片4、预成型体3、补强片4、脱模剂2、密封橡胶条5、上模具6；

如图4所示，将所述的补强片4铺放在预成型体3的上表面，该补强片4也可以铺放在预成型体3的下表面，或者当预成型体3为多层结构时，可铺放在预成型体3的层间；

步骤4、闭合上模具6与下模具1，压实模腔，在320℃、15MPa下保压10min，得到开孔部位补强的碳纤维/聚苯硫醚复合材料开孔层合板。

碳纤维/聚苯硫醚复合材料开孔层合板拉伸强度见表1。

实施例2：

本实施例中，已固化成型的热塑性复合材料开孔制件1’是采用四层聚丙烯/玻璃纤维平纹布制备成的玻璃纤维/聚丙烯复合材料开孔层合板，该复合材料层合板承受单轴向拉伸载荷，其结构和所受拉伸载荷方向如图1所示；开孔部位孔直径Φ为20mm；补强片4采用聚丙烯纤维和玻璃纤维的混杂纤维丝束制备，该补强片4通过图5所示的二次固化模压成型工艺固化在玻璃纤维/聚丙烯复合材料开孔层合板的开孔部位，得到开孔补强的玻璃纤维/聚丙烯复合材料开孔层合板。具体方法包括如下步骤：

步骤1、根据玻璃纤维/聚丙烯复合材料开孔层合板制件开孔部位的形状和大小设计相匹配的补强片4，补强片外径与开孔部位直径之比为2.0，由一层径向纤维轨迹层和一层近圆形螺旋线纤维轨迹层组成补强片，如图2所示；

步骤2、采用聚丙烯纤维和玻璃纤维的混杂纤维丝束按照步骤1设计的纤维丝束轨迹、几何形状及尺寸，采用缝合线或粘合剂将该混杂纤维丝束固定在无纺布上制得所需的补强片4，聚丙烯纤维体积分数为64%，玻璃纤维的体积分数为36%；

步骤3、如图5所示，将已固化成型的纤维复合材料制件1’(相当于预成型体3)放入下模具1，将步骤2制备得到的补强片4铺放在已固化成型的纤维复合材料制件1’的开孔部位（开孔部位对齐），从模具1表面开始的铺放次序为：脱模剂2、纤维复合材料制件1’、补强片4、脱模剂2、密封胶条5、上模具6；

步骤4、闭合上模具6与下模具1，压实模腔，在210℃、10MPa下保压10min，得到开孔部位补强的玻璃纤维/聚丙烯复合材料开孔层合板。

玻璃纤维/聚丙烯复合材料开孔层合板拉伸强度见表1。

对比实施例1：

本实施例是实施例1的对比实施例。其中，热塑性复合材料开孔制件及其开孔补强部位与实施例1中完全相同，所不同的是补强片4采用现有技术中的聚苯硫醚薄膜和CF300 3K碳纤维斜纹织物制备，其形状如图3所示。

该补强片4与该碳纤维/聚苯硫醚复合材料开孔层合板的预成型体3经图4所示的一体化固化模压成型工艺，得到开孔补强的开孔碳纤维/聚苯硫醚复合材料层合板。具体方法包括如下步骤：

步骤1、采用四层聚苯硫醚薄膜和四层CF300 3K碳纤维斜纹织物交叉叠放制备形状如图1所示的碳纤维/聚苯硫醚复合材料开孔层合板预成型体3；

步骤2、采用两层聚苯硫醚薄膜和两层CF300 3K碳纤维斜纹织物交叉叠层制备形状如图3所示的碳纤维布补强片4，其中碳纤维和聚苯硫醚薄膜的重量分别与实施例1的补强片的碳纤维和聚苯硫醚纤维的重量相同；

步骤3、通过如图4所示的模压成型工艺，将步骤2制得的补强片4放入下模具1，然后将步骤1制得的热塑性复合材料开孔层合板预成型体3铺放在补强片4上(开孔部位对齐)，再将步骤2制得的补强片4铺放在该预成型体3上（开孔部位对齐），从下模具1表面开始的铺放次序为：脱模剂2、补强片4、预成型体3、补强片4、脱模剂2、密封橡胶条5、上模具6；

如图4所示，将所述的补强片4铺放在预成型体3的上表面，该补强片4也可以铺放在预成型体3的下表面，或者当预成型体3为多层结构时，铺放在预成型体3的层间；

步骤4、闭合上模具6与下模具1，压实模腔，在320℃、15MPa下保压10min，得到开孔部位补强的碳纤维/聚苯硫醚复合材料开孔层合板。

碳纤维/聚苯硫醚复合材料开孔层合板拉伸强度见表1。

对比实施例2：

本实施例是实施例2的对比实施例。其中，热塑性复合材料制件1’及其开孔固补强部位与实施例2中完全相同，所不同的是补强片4采用现有技术中的聚丙烯/玻璃纤维平纹布，其形状如图3所示。

该补强片4通过图5所示的二次固化模压成型工艺固化在玻璃纤维/聚丙烯复合材料开孔层合板的开孔部位，得到开孔补强的开孔玻璃纤维/聚丙烯复合材料层合板。具体方法包括如下步骤：

步骤1、采用两层玻璃纤维/聚丙烯平纹布制备形状如图3所示的玻璃纤维布补强片，其中玻璃纤维和聚丙烯的重量与实施例2的补强片的玻璃纤维和聚丙烯纤维的重量分别相同；

步骤2、将已固化成型的纤维复合材料制件1’(相当于预成型体3)放入下模具1，将步骤1制备得到的补强片4铺放在已固化成型的纤维复合材料制件1’的开孔部位，从模具1表面开始的铺放次序为：脱模剂2、纤维复合材料制件1’、补强片4、脱模剂2、密封胶条5、上模具6；

步骤3、闭合上模具6与下模具1，压实模腔，在210℃、10MPa下保压10min，得到开孔部位补强的玻璃纤维/聚丙烯复合材料开孔层合板。

玻璃纤维/聚丙烯复合材料开孔层合板拉伸强度见表1。

实验结果：

表1开孔补强后热塑性复合材料开孔制件的单轴向拉伸强度

复合材料层合板

拉伸强度(MPa)

提高幅度

纤维浪费量

实施例1	600	35％	无
				对比实施例1	445	-	大
实施例2	201	31％	无
				对比实施例2	154	-	大

由表1可知：对通过上述实施例1与对比实施例1两种补强方式对热塑性复合材料开孔层合板分别沿图1所示的单轴向拉伸载荷方向进行拉伸测试，拉伸强度测试结果表明采用本发明的方法对开孔部位进行补强后，拉伸强度显著提高，比采用传统碳纤维布补强后的拉伸强度提高了35%。

对通过上述实施例2与对比实施例2两种补强方式对热塑性复合材料开孔层合板分别沿图1所示的单轴向拉伸载荷方向进行拉伸测试，拉伸强度测试结果表明采用本发明的方法对开孔部位进行补强后，拉伸强度显著提高，比采用聚丙烯/玻璃纤维布补强后的拉伸强度提高了31%。

此外，采用上述实施例与对比实施例两种补强方式对图1所示结构的热塑性复合材料开孔层合板的开孔部位进行加固补强时所用补强片4的纤维浪费量进行测试，结果如表1所示。表明采用本发明方法在制备所需的补强片时几乎无纤维的浪费，而传统织物裁剪成所需补强片时会产生边角废料，当补强部位面积大或进行批量化生产时，采用本发明方法制备补强片时纤维的节约量尤其明显，特别是对于价格较昂贵的碳纤维，经济效益显著。

应理解，上述实施例1和2中的补强片可任选地制成具有多层径向纤维和/或环向纤维的补强片，且当径向纤维和/或环向纤维的层数增加时，使用所述补强片补强的制件具有更大的强度。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，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。

Claims (17)

1.一种热塑性复合材料开孔制件的补强片，其特征在于，所述的补强片包括迭放在一起的径向纤维轨迹层和环向纤维轨迹层，

其中，所述径向纤维轨迹层与开孔周围的热塑性复合材料存在第一重叠区域而与开孔区域不存在重叠区域；

所述环向纤维轨迹层与开孔周围的热塑性复合材料存在第二重叠区域而与开孔区域不存在重叠区域；

所述径向纤维轨迹层的中心与所述环向纤维轨迹层的中心基本重合；

其中，补强片中的多个或所有的径向纤维轨迹层和环向纤维轨迹层是由一根纤维构成的；

按补强区域的宽度计算，环向纤维轨迹层的纤维圈数为1-50根/cm；并且

所述的径向纤维轨迹层具有从中心向外分散的多个径向纤维轴，且按开孔的周长计算，径向纤维层的径向纤维轴的密度为3-50根/cm；且各径向纤维层的径向纤维轴数量为10～10,000,000根，且每一层环向纤维轨迹层的纤维圈数为3～1,000圈。

2.如权利要求1所述的补强片，其特征在于，所述补强片包括多个径向纤维轨迹层和多个环向纤维轨迹层，并且两层或多层径向纤维轨迹层由1根纤维构成；以及两层或多层环向纤维轨迹层由1根纤维构成。

3.如权利要求1所述的补强片，其特征在于，所述的纤维轨迹由1-20层径向纤维轨迹层和1-20层环向纤维轨迹层组成。

4.如权利要求1所述的补强片，其特征在于，所述的纤维轨迹由1-10层径向纤维轨迹层和1-10层环向纤维轨迹层组成。

5.如权利要求1所述的补强片，其特征在于，所述的纤维轨迹由1-5层径向纤维轨迹层和1-5层环向纤维轨迹层组成。

6.如权利要求1所述的补强片，其特征在于，所述补强片至少由1层径向纤维轨迹层和1层环向纤维轨迹层组成单层，且单层的厚度为0.2～3mm。

7.如权利要求1或6所述的补强片，其特征在于，所述补强片由一根纤维组成。

8.如权利要求1所述的补强片，其特征在于，所述补强片的每个径向纤维轨迹层的径向纤维轨迹的取向不同，第一层取向45度，第二层取向-45度。

9.如权利要求1或2任一所述的补强片，其特征在于，所述补强片的径向纤维层的外径R与热塑性复合材料开孔制件开孔的半径r的比例R/r＝1.5～6.0。

10.如权利要求1或2任一所述的补强片，其特征在于，所述补强片的径向纤维层的外径R与热塑性复合材料开孔制件开孔的半径r的比例R/r为1.5～3.5。

11.如权利要求1所述的补强片，其特征在于，所述的补强片的纤维丝束为由热塑性树脂纤维和增强纤维组成的混杂纤维，且其中热塑性树脂纤维的体积分数为40％-80％，增强纤维的体积分数为20％-60％。

12.如权利要求11中所述的补强片，其特征在于，所述的热塑性树脂纤维为结晶形或无定形树脂纤维。

13.如权利要求12所述的补强片，其特征在于，所述的热塑性树脂纤维选自下组：聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚乳酸、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺、聚醚醚酮，或其组合。

14.如权利要求11所述的补强片，其特征在于，所述的增强纤维选自下组：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、天然纤维，或其组合。

15.一种如权利要求1所述的补强片的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

i)根据制件开孔的形状和大小设计形状、尺寸相匹配的径向和环向纤维轨迹；

ii)按照所设计的纤维丝束轨迹、几何形状及尺寸，采用缝合线或粘合剂将纤维丝束固定在底材上，制得所需的补强片。

16.如权利要求1～14中任一所述的补强片的用途，其特征在于，所述补强片用于开孔制件的补强。

17.一种热塑性复合材料开孔制件的补强方法，其特征在于，

所述方法包括步骤(1)：

(1)在制备热塑性复合材料开孔制件的过程中，当制得的热塑性复合材料开孔制件的纤维预成型体后，将补强片铺放在纤维预成型体的开孔部位，然后通过模压成型工艺将补强片与纤维预成型体一体化固化成型，得到开孔补强的热塑性复合材料开孔制件；

或所述方法包括步骤(2)：

(2)将补强片直接铺放在已固化的热塑性复合材料开孔制件的开孔部位的表面，然后通过模压成型工艺进行二次固化成型，得到开孔补强的热塑性复合材料开孔制件；

且所述的补强片是如权利要求1所述的补强片。