CN102935721A - 一种纤维复合材料开孔制件的补强片设计及补强方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维复合材料开孔制件的补强片设计及补强方法。该方法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轨迹层和环向纤维轨迹层组成，采用预浸或未浸树脂的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，结合一体化固化成型工艺或二次固化成型工艺将该补强片固化在开孔部位，实现对纤维复合材料开孔制件的开孔补强。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，具有十分广阔的应用前景。

Description

一种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

本发明涉及纤维复合材料技术领域，尤其涉及一种提高纤维复合材料开孔制件性能的开孔部位补强片设计及补强方法。

背景技术

纤维增强复合材料具有高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强等一系列优异性能，已被广泛应用于航空航天、航海、国防、交通运输、化工机械等领域。然而，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。开孔部位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。

纤维复合材料开孔制件常见的开孔补强方法包括传统纤维织物如纤维斜纹布结合树脂浸渍补强法、纤维缠绕补强法和机械连接补强法等。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；纤维缠绕补强法采用预浸树脂的纤维丝带直接对开孔处补强，避免打断纤维，但需要专用缠绕设备，工序比较繁琐，效率低，产品质量不易控制；机械连接补强法采用的金属零件多，工序多，应力集中较大，加固补强结构可靠性不高。

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

本发明针对现有的纤维复合材料开孔制件开孔补强方法存在的补强效果不佳、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问题，提供了一种设计简便、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。

本发明的一个目的是提供一种工程上能普遍适用的补强片设计方法。

本发明的另一个目的是提供一种纤维复合材料开孔制件的开孔补强方法。

本发明的第一方面，提供了一种纤维复合材料开孔制件的补强片，包括径向纤维轨迹层和螺旋线纤维轨迹层的未浸或预浸树脂的增强纤维丝束，

其中，所述径向纤维轨迹层与开孔周围的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，所述的每层径向纤维轨迹层由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，两层或多层径向纤维轨迹层由1根纤维构成。

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，各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的纤维轨迹呈螺旋形铺放。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，所述补强片由至少1层径向纤维轨迹层和至少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与复合材料开孔制件开孔的半径r的比例R/r=1.5～6，较佳地为1.5～3.5。

在另一优选例中，所述的补强片的增强纤维丝束选自下组：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维，陶瓷纤维、天然纤维，或其组合。

在另一优选例中，所述的补强片的纤维丝束的预浸树脂基体为热固性树脂或热塑性树脂，较佳地，所述的树脂选自下组：环氧树脂、聚氨酯树脂、阴离子开环聚合聚酰胺类树脂、聚对苯二甲酸环丁二醇酯树脂，聚丙烯树脂、聚乙烯树脂、聚酰胺树脂、聚乳酸树脂、聚苯硫醚树脂、聚醚醚酮树脂、聚醚酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂等。

本发明的第二方面，提供了一种本发明第一方面所述的补强片的制作方法，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，所述的形状、尺寸相匹配指补强片的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，所述的步骤i)还包括：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。

在另一优选例中，所述的复合材料是由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，所述的纤维丝束为预浸或未浸基体树脂的纤维丝束。

在另一优选例中，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。

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、多边形及不规则形状等。

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。

本发明的第三方面，提供了一种纤维复合材料开孔制件的补强方法，其中所述方法包括步骤(1a)：

(1a)在制备纤维复合材料开孔制件的过程中，当制得的纤维复合材料开孔制件的纤维预成型体后，将本发明第一方面的补强片铺放在纤维预成型体的开孔部位，然后将补强片与纤维预成型体一体化固化成型，得到开孔补强的纤维复合材料开孔制件；

或所述方法包括步骤(1b)

(1b)将本发明第一方面的补强片直接铺放在已固化的复合材料开孔制件的开孔部位的表面，然后进行二次固化成型，得到开孔补强的复合材料开孔制件。

在另一优选例中，所述的步骤(1a)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。

在另一优选例中，所述的步骤（1a）中的固化成型工艺包括复合材料液体模塑成型工艺、热压罐成型工艺或模压成型工艺。

在另一优选例中，所述的复合材料液体模塑成型工艺包括树脂传递模塑成型工艺、真空辅助树脂注射成型工艺或树脂膜渗透成型工艺。

在另一优选例中，所述的步骤（1b）中的固化成型工艺包括真空辅助树脂注射成型工艺、树脂膜渗透成型工艺、热压罐成型工艺或模压成型工艺。

在另一优选例中，所述纤维复合材料制件的树脂基体选自不饱和树脂、环氧树脂、乙烯基酯类树脂、聚氨酯树脂、阴离子开环聚合聚酰胺类树脂、聚对苯二甲酸环丁二醇酯树脂、聚丙烯树脂、聚乙烯树脂、聚酰胺树脂、聚苯硫醚树脂、聚醚醚酮树脂、聚乳酸树脂、聚醚酰亚胺树脂，或聚酰亚胺树脂。

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1中碳纤维/环氧树脂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1中碳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是本发明实施例1中碳纤维丝束补强片的实物图；

图4是本发明对比实施例1中碳纤维经编织物补强片的实物图；

图5是本发明实施例1与对比实施例1中的开孔补强法一体化固化RTM成型工艺示意图；

图6是本发明实施例2中玻璃纤维/环氧树脂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7是本发明实施例2中玻璃纤维丝束补强片的实物图；

图8是本发明对比实施例2中玻璃纤维平纹布补强片的实物图；

图9是本发明实施例2与对比实施例2中的开孔补强法二次固化真空辅助树脂注射成型工艺示意图；

图10是本发明实施例3中的开孔补强法一体化固化真空辅助树脂注射成型工艺示意图；

图11是本发明实施例4中的开孔补强法一体化固化热压罐成型工艺示意图；

图12是本发明实施例5中的开孔补强法一体化模压成型工艺示意图；

图13是本发明实施例6中开孔补强法二次固化热压罐成型工艺示意图；

图14是本发明实施例7中开孔补强法二次固化模压成型工艺示意图。

附图标识

图5以及图9至图14中的附图标记为：下模具1、纤维复合材料制件1’、脱模剂2、干纤维预成型体3、预浸树脂基体材料的纤维预成型体3’、补强片4、密封橡胶条5、上模具6、真空袋软模具6’、脱模布7、隔离膜8、导流介质9、真空接头10、透气毡11。

具体实施方式

本发明人经过长期而深入的研究，提供了一种设计简便、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。使用该补强片对复合材料开孔制件进行补强，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。

首先，根据制件开孔部位的形状和大小设计相匹配的补强片；然后，采用预浸或未浸树脂基体的纤维丝束按照所设计的纤维丝束轨迹制备所需的补强片；最后，将补强片铺放在开孔部位，采用如下步骤(1)或步骤(2)得到开孔补强的纤维复合材料开孔制件；

综上所述，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轨迹层和环向纤维轨迹层组成，采用预浸或未浸树脂的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，结合一体化固化成型工艺或二次固化成型工艺将该补强片固化在开孔部位，实现对纤维复合材料开孔制件的补强。

复合材料层合板

如本文所用，术语“复合材料层合板”“复合材料制件”“复合材料开孔制件”“纤维复合材料制件”“纤维复合材料开孔制件”“纤维增强复合材料制件”可互换使用，均指本发明补强片用于补强的，由树脂基体材料与纤维材料形成的复合材料经常规工艺制成的纤维复合材料制件。

本发明中补强的纤维复合材料制件为具有需要补强的区域(如开孔)的制件。其中，所述的纤维复合材料层合板可以通过市售途径购买，也可用市售的复合材料，如Toray T700 12K四轴向碳纤维经编织物，通过现有技术制备。

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。

复合材料开孔制件补强片的设计与制备

本发明所述的补强片由径向纤维轨迹层和环向纤维轨迹层的未浸或预浸树脂的增强纤维丝束构成。

可用于本发明的纤维丝束可以是用树脂经过预浸处理或未经树脂预浸处理的纤维丝束。较佳地，本发明的纤维丝束选自下组：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维、天然纤维，或其组合。

可用于本发明的预浸处理的树脂包括(但不限于)：环氧树脂、聚氨酯树脂、阴离子开环聚合聚酰胺类树脂、聚对苯二甲酸环丁二醇酯树脂，聚丙烯树脂、聚乙烯树脂、聚酰胺树脂、聚乳酸树脂、聚苯硫醚树脂、聚醚醚酮树脂、聚醚酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂等。

在另一优选例中，所述的径向纤维在补强片中分布均匀。

本发明所用的补强片为环形(如圆环状，近圆环状，方形环状，多边形环状)，且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。

径向纤维轨迹层和环向纤维轨迹层可以以任意次序或比例叠加组合，且至少含有1层径向纤维轨迹层和1层环向纤维轨迹层。较佳地，本发明的补强片的纤维轨迹由1-10层径向纤维轨迹层和1-10层环向纤维轨迹层组成。

本发明所用的补强片由至少一层径向纤维轨迹层和至少一层环向纤维轨迹层组成单层，且单层的厚度优选为0.2～3mm。较佳地，每一层单层由一根纤维铺放而成。

较佳地，所述的补强片具有与开孔边缘相似的形状，且径向纤维的外径R与纤维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。

按照所设计的纤维轨迹，采用缝合线或粘合剂将纤维丝束固定在底材上，从而制得所需的补强片。

补强方法

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

步骤(1a)：在制备纤维复合材料开孔制件的过程中，当制得纤维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，得到开孔补强的纤维复合材料开孔制件；

其中，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层间。

步骤（1a）所述的成型工艺包括复合材料液态模塑成型工艺、热压罐成型工艺和模压成型工艺。其中，所述的复合材料液态模塑成型工艺包括但不限于树脂传递模塑(RTM)成型工艺、真空辅助树脂注射成型工艺和树脂膜渗透成型工艺。

步骤(1b)：将补强片直接铺放在已固化的纤维复合材料开孔制件的开孔部位的表面，然后采用成型工艺进行二次固化成型，得到开孔补强的纤维复合材料开孔制件。

步骤（1b）所述的成型工艺包括但不限于真空辅助树脂注射成型工艺、树脂膜渗透成型工艺、热压罐成型工艺和模压成型工艺。

在本发明中，可根据树脂基体的所用树脂种类、粘度、以及所用纤维的种类，选用合适的成型工艺，尤其是模压成型技术和渗透成型技术。代表性的成型工艺包括(但并不限于)：模压成型工艺、树脂传递模塑成型工艺(RTM)、真空辅助树脂传递模塑成型工艺（VRTM）、真空辅助树脂注射成型工艺、树脂膜渗透成型工艺和热压罐成型工艺。

例如，当补强片的纤维(或纤维丝束)中包括热塑性树脂或树脂基体为热塑性树脂(如聚丙烯树脂、聚乙烯树脂、聚酰胺树脂、聚苯硫醚树脂、聚醚醚酮)时，优选的成型工艺包括：真空辅助树脂注射成型工艺和模压成型工艺。

当补强片的纤维(或纤维丝束)中不包括热塑性树脂或树脂基体为热固性树脂时，优选的成型工艺包括：RTM、真空辅助树脂注射成型工艺、树脂膜渗透成型工艺和热压罐成型工艺。

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，在各个方向几乎可呈对称分布，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；

(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，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，否则百分比和份数按重量计算。

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1：一体化固化RTM成型工艺的碳纤维/环氧树脂复合材料开孔层合板补强实验

本实施例中，纤维复合材料开孔制件是由两层Toray T700 12K四轴向碳纤维经编织物制备的碳纤维/环氧树脂复合材料开孔层合板，铺层为[0/+45/90/-45]s，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采用未浸树脂基体的Toray T700 12K碳纤维丝束制备，该补强片4与该碳纤维/环氧树脂复合材料开孔层合板的预成型体3经图5所示的一体化固化RTM成型工艺，得到开孔补强的碳纤维/环氧树脂复合材料层合板。具体方法包括如下步骤：

步骤1、根据碳纤维/环氧树脂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形轨迹层组成补强片，如图2所示；

步骤2、采用未浸润树脂基体的Toray T700 12K碳纤维丝束按照步骤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固定该碳纤维丝束制得所需的补强片4；

步骤3、采用两层Toray T700 12K四轴向碳纤维经编织物制备形状如图1所示的碳纤维/环氧树脂复合材料开孔层合板预成型体3，通过如图5所示的RTM成型工艺，将步骤2制得的补强片4放入下模具1，然后将纤维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的开孔部位，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5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，压实模腔内的干纤维织物，检查密封后注入EP312环氧树脂体系(EP312-A环氧树脂和EP312-B固化剂的质量比为2:1)固化成型，得到开孔部位补强的碳纤维/环氧树脂复合材料开孔层合板。

碳纤维/环氧树脂复合材料开孔层合板最大拉伸载荷见表1。

对比实施例1：Toray T700 12K四轴向碳纤维经编织物补强片的碳纤维/环氧树脂复合材料开孔层合板补强实验

本实施例是实施例1的对比实施例。其中，纤维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Toray T700 12K四轴向碳纤维经编织物制备，其形状如图4所示。

该补强片4与该碳纤维/环氧树脂复合材料开孔层合板的预成型体3经图5所示的一体化固化RTM成型工艺，得到开孔补强的碳纤维/环氧树脂复合材料开孔层合板。具体方法包括如下步骤：

步骤1、采用两层Toray T700 12K四轴向碳纤维经编织物制备形状如图1所示的碳纤维/环氧树脂复合材料开孔层合板预成型体3；

步骤2、采用两层Toray T700 12K四轴向碳纤维经编织物制备形状如图4所示的碳纤维经编织物补强片4，其中碳纤维的重量与实施例1的补强片的碳纤维重量相同；

步骤3、通过如图5所示的RTM成型工艺，将步骤2制得的补强片4放入下模具1，然后将纤维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的开孔部位，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5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，压实模腔内的干纤维织物，检查密封后注入EP312环氧树脂体系(EP312-A环氧树脂和EP312-B固化剂的质量比为2:1)固化成型，得到开孔部位加固补强的碳纤维/环氧树脂复合材料开孔层合板。

碳纤维/环氧树脂复合材料开孔层合板最大拉伸载荷见表1。

实施例2：二次固化真空辅助树脂注射成型工艺的开孔玻璃纤维/环氧树脂复合材料层合板补强实验

本实施例中，纤维复合材料开孔制件1’采用4层EW400-1000玻璃纤维平纹布制备成玻璃纤维/环氧树脂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6所示；开孔部位孔直径Φ为18mm；补强片4采用未浸树脂基体的SC11-2400W玻璃纤维丝束制备，该补强片4通过图9所示的二次固化真空辅助树脂注射成型工艺固化在玻璃纤维/环氧树脂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/环氧树脂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/环氧树脂复合材料开孔层合板制件开孔部位的大小设计相匹配的补强片4，补强片外径与开孔直径之比为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，纤维轨迹如图2所示，补强片形状如图7所示；

步骤2、采用未浸润树脂基体的SC11-2400W玻璃纤维丝束按照步骤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固定该碳纤维丝束制得所需的补强片4；

步骤3、如图9所示，将步骤2制备得到的补强片4直接铺放在已固化成型的纤维复合材料制件1’(相当于模具1)表面，从纤维复合材料制件1’开始的铺放次序为：补强片4、脱模布7、隔离膜8、导流介质9包括导流网和导流管、真空接头10、密封胶条5、真空袋软模具6’；

步骤4、抽真空至不高于2.4kPa，检查密封后注入EP312环氧树脂体系(EP312-A环氧树脂和EP312-B固化剂的质量比为2:1)固化成型，得到开孔补强的玻璃纤维/环氧树脂复合材料开孔层合板。

玻璃纤维/环氧树脂复合材料开孔层合板最大拉伸载荷见表1。

对比实施例2：EW400-1000玻璃纤维平纹布补强片的玻璃纤维/环氧树脂复合材料开孔层合板补强实验

本实施例是实施例2的对比实施例。其中，纤维复合材料制件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EW400-1000玻璃纤维平纹布，其形状如图8所示。

该补强片4通过图9所示的二次固化真空辅助树脂注射成型工艺固化在玻璃纤维/环氧树脂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/环氧树脂复合材料开孔层合板。具体方法包括如下步骤：

步骤1、采用EW400-1000玻璃纤维平纹布制备形状如图8所示的玻璃纤维平纹布补强片，其中玻璃纤维的重量和实施例2的补强片的玻璃纤维的重量相同；

步骤2、如图9所示，将玻璃纤维布补强片4直接铺放在已固化成型的纤维复合材料制件1’(相当于模具1)表面，从纤维复合材料制件1’开始的铺放次序为：补强片4、脱模布7、隔离膜8、导流介质9包括导流网和导流管、真空接头10、密封胶条5、真空袋软模具6’；

步骤2、抽真空至不高于2.4kPa，检查密封后注入EP312环氧树脂体系(EP312-A环氧树脂和EP312-B固化剂的质量比为2:1)固化成型，得到开孔补强的玻璃纤维/环氧树脂复合材料开孔层合板。

玻璃纤维/环氧树脂复合材料开孔层合板最大拉伸载荷见表1。

实验结果

表1开孔补强后纤维复合材料开孔制件的单轴向拉伸失效载荷

复合材料层合板	拉伸失效载荷(KN)	纤维浪费量
			实施例1	42.5	无
对比实施例1	30.1	大
			实施例2	25.4	无
对比实施例2	18.8	大

由表1可知：对通过上述实施例1与对比实施例1两种补强方式对纤维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，拉伸失效载荷测试结果表明采用本发明的方法对开孔部位进行补强后，拉伸失效载荷显著提高，比采用传统碳纤维经编织物补强后的拉伸失效载荷提高了41.1%；对通过上述实施例2与对比实施例2两种补强方式对纤维复合材料开孔层合板分别沿图6所示的单轴向拉伸载荷方向进行拉伸测试，拉伸失效载荷测试结果表明采用本发明的方法对开孔部位进行补强后，拉伸失效载荷显著提高，比采用传统玻璃纤维平纹布补强后的拉伸失效载荷提高了35.1%。

采用上述实施例1(或2)与对比实施例1(或2)两种补强方式对图1(或图6)所示结构的纤维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，而传统纤维布裁剪成所需补强片时会产生边角废料，当补强部位面积大、批量化生产等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。

实施例3：一体化固化真空辅助树脂注射成型工艺的纤维复合材料开孔层合板补强实验

本实施例中，采用未浸树脂的纤维丝束制备补强片4，该补强片与纤维复合材料开孔制件的预成型体3经图10所示的一体化固化真空辅助树脂注射成型工艺，得到开孔补强的纤维复合材料开孔制件。具体方法包括如下步骤：

步骤1、根据纤维复合材料制件开孔部位形状和大小设计相匹配的补强片4；

步骤2、采用未浸润树脂基体的纤维丝束按照步骤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固定纤维丝束制得所需的补强片4；

其中，所述的纤维丝束可以选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维、天然纤维其中的一种或几种混合而成；所述的树脂基体包括不饱和树脂、环氧树脂、乙烯基酯类树脂、阴离子开环聚合聚酰胺类树脂、聚对苯二甲酸环丁二醇酯树脂等；

所述的补强片径向纤维的外径R与纤维复合材料制件开孔部位的半径r的比例为1.5～6.0，所述的补强片的纤维轨迹由1层径向纤维轨迹层和1层环向纤维轨迹层组成。所述的补强片的单层厚度为0.2～3mm。

步骤3、采用真空辅助树脂注射成型工艺制备开孔补强的纤维复合材料开孔制件的过程中，将干纤维预成型体3放入下模具1准备模塑成型时，如图10所示，将步骤2制备得到的补强片4铺放在干纤维预成型体3的开孔部位，从模具1表面开始的铺放次序为：脱模剂2、干纤维预成型体3、补强片4、脱模布7、隔离膜8、导流介质9包括导流网和导流管、真空接头10、密封胶条5、真空袋软模具6’；

如图10所示，所述的补强片4铺放在干纤维预成型体3的上表面，该补强片4也可以铺放在干纤维预成型体3的下表面，或者当干纤维预成型体3为多层结构时，铺放在干纤维预成型体3的层间；

步骤4、抽真空至不高于2.4kPa，检查密封后注入树脂基体固化成型，得到开孔补强的纤维复合材料开孔制件。

实施例4：一体化固化热压罐成型工艺的纤维复合材料开孔层合板补强实验

本实施例中，采用预浸树脂基体的纤维丝束制备补强片4，该补强片与纤维复合材料开孔制件的预成型体3，经图11所示的一体化固化热压罐成型工艺，得到开孔补强的纤维复合材料开孔制件。具体方法包括如下步骤：

步骤1、根据纤维复合材料制件开孔部位形状和大小设计相匹配的补强片4；

步骤2、采用预浸树脂基体的纤维丝束按照步骤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（预浸树脂可以相当于粘合剂）固定纤维丝束制得所需的补强片4；

其中，所述的纤维丝束可以选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维、天然纤维其中的一种或几种混合而成；所述的树脂基体包括环氧树脂和乙烯基酯类树脂等；

所述的补强片径向纤维的外径R与纤维复合材料制件开孔部位的半径r的比例为1.5～6.0，所述的补强片的纤维轨迹由1层径向纤维轨迹层和1层环向纤维轨迹层组成。所述的补强片的单层厚度为0.2～3mm。

步骤3、采用热压罐成型工艺制备开孔补强的纤维复合材料开孔制件的过程中，将预浸树脂基体材料的纤维预成型体3’放入下模具1准备热压成型时，如图11所示，将步骤2制备得到的补强片4铺放在预浸树脂基体材料的纤维预成型体3’的开孔部位，从模具1表面开始的铺放次序为：脱模剂2、预浸树脂基体材料的纤维预成型体3’、补强片4、脱模布7、隔离膜8、透气毡11、真空接头10、密封胶条5、真空袋软模具6’；

如图11所示，所述的补强片4铺放在预浸树脂基体材料的纤维预成型体3’的上表面，该补强片4也可以铺放在纤维预成型体3’的下表面，或者当纤维预成型体3’为多层结构时，铺放在纤维预成型体3’的层间；

步骤4、将真空袋系统组合到热压罐中，抽真空至不高于2.4kPa，检查密封后加热固化成型，得到开孔补强的纤维复合材料开孔制件。

实施例5：一体化模压成型工艺的纤维复合材料开孔层合板补强实验

本实施例中，采用预浸树脂基体的纤维丝束制备补强片4，该补强片与纤维复合材料开孔制件的预成型体3，经图12所示的一体化模压成型工艺，得到开孔补强的纤维复合材料开孔制件。具体方法包括如下步骤：

步骤1、根据纤维复合材料制件开孔部位形状和大小设计相匹配的补强片4；

步骤2、采用预浸树脂基体的纤维丝束按照步骤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固定纤维丝束制得所需的补强片4；

其中，所述的纤维丝束可以选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维、天然纤维其中的一种或几种混合而成；所述的树脂基体聚氨酯树脂、阴离子开环聚合聚酰胺类树脂、聚对苯二甲酸环丁二醇酯树脂，聚丙烯树脂、聚乙烯树脂、聚酰胺树脂、聚乳酸树脂、聚苯硫醚树脂、聚醚酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂、或聚醚醚酮树脂；

所述的补强片径向纤维的外径R与纤维复合材料制件开孔部位的半径r的比例为1.5～6.0，所述的补强片的纤维轨迹由1层径向纤维轨迹层和1层环向纤维轨迹层组成。所述的补强片的单层厚度为0.2～3mm。

步骤3、采用模压成型工艺制备开孔补强的纤维复合材料开孔制件的过程中，将预浸树脂基体材料的纤维预成型体3’放入下模具1准备模压成型时，如图12所示，将步骤2制备得到的补强片4铺放在预浸树脂基体材料的纤维预成型体3’的开孔部位，从模具1表面开始的铺放次序为：脱模剂2、预浸树脂基体材料的纤维预成型体3’、补强片4、脱模剂2、密封胶条5、上模具6；

如图12所示，所述的补强片4铺放在预浸树脂基体材料的纤维预成型体3’的上表面，该补强片4也可以铺放在纤维预成型体3’的下表面，或者当纤维预成型体3’为多层结构时，铺放在纤维预成型体3’的层间；

步骤4、闭合上模具6与下模具1，压实模腔内的纤维织物，检查密封后加热加压模压成型，得到开孔补强的纤维复合材料开孔制件。

实施例6：二次固化热压罐成型工艺的纤维复合材料开孔层合板补强实验

本实施例中，采用预浸树脂基体的纤维丝束制备补强片4，该补强片直接铺放在已固化成型的纤维复合材料开孔制件1’的开孔部位，经图13所示的二次固化热压罐成型工艺，得到开孔补强的纤维复合材料开孔制件。具体方法包括如下步骤：

步骤1、根据纤维复合材料制件开孔部位形状和大小设计相匹配的补强片4；

步骤2、采用预浸树脂基体的纤维丝束按照步骤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固定纤维丝束制得所需的补强片4；

其中，所述的纤维丝束可以选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维、天然纤维其中的一种或几种混合而成；所述的树脂基体包括环氧树脂和乙烯基酯类树脂等；

所述的补强片径向纤维的外径R与纤维复合材料制件开孔部位的半径r的比例为1.5～6.0，所述的补强片的纤维轨迹由1层径向纤维轨迹层和1层环向纤维轨迹层组成。所述的补强片的单层厚度为0.2～3mm。

步骤3、如图13所示，将步骤2制备得到的补强片4直接铺放在已固化成型的纤维复合材料开孔制件1’(相当于模具1)表面，从纤维复合材料制件1’开始的铺放次序为：补强片4、脱模布7、隔离膜8、透气毡11、真空接头10、密封胶条5、真空袋软模具6’；

步骤4、将真空袋系统组合到热压罐中，抽真空至不高于2.4kPa，检查密封后加热固化成型，得到开孔补强的纤维复合材料开孔制件。

实施例7：二次固化模压成型工艺的纤维复合材料开孔层合板补强实验

本实施例中，采用预浸树脂基体的纤维丝束制备补强片4，该补强片直接铺放在已固化成型的纤维复合材料开孔制件1’的开孔部位，经图14所示的二次固化模压成型工艺，得到开孔补强的纤维复合材料开孔制件。具体方法包括如下步骤：

步骤1、根据纤维复合材料制件开孔部位形状和大小设计相匹配的补强片4；

步骤2、采用预浸树脂基体的纤维丝束按照步骤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固定纤维丝束制得所需的补强片4；

其中，所述的纤维丝束可以选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维、天然纤维其中的一种或几种混合而成；所述的树脂基体包括：聚氨酯树脂、阴离子开环聚合聚酰胺类树脂、聚对苯二甲酸环丁二醇酯树脂，聚丙烯树脂、聚乙烯树脂、聚酰胺树脂、聚乳酸树脂、聚苯硫醚树脂、聚醚酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂、或聚醚醚酮树脂；

所述的补强片径向纤维的外径R与纤维复合材料制件开孔部位的半径r的比例为1.5～6.0，所述的补强片的纤维轨迹由1层径向纤维轨迹层和1层环向纤维轨迹层组成。所述的补强片的单层厚度为0.2～3mm。

步骤3、如图14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，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；

如图14所示，所述的补强片4铺放在已固化成型的纤维复合材料开孔制件1'的上表面，该补强片4也可以铺放在纤维复合材料开孔制件1’的下表面；

步骤4、闭合上模具6与下模具1，压实模腔内的纤维织物，检查密封后加热加压模压成型，得到开孔补强的纤维复合材料开孔制件。

本发明所述补强片设计和补强方法具有设计简便、补强效果优异、无需裁剪、适合于批量化生产等优点。使用该补强片对复合材料开孔制件进行补强，成型工艺简单灵活，大大提高了补强效率。同时，该补强片的纤维轨迹在各个方向几乎可呈对称分布，可以普遍应用于各种不同受力情况下开孔制件的补强，具有十分广阔的应用前景。

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 (10)

1.一种纤维复合材料开孔制件的补强片，其特征在于，所述的补强片包括径向纤维轨迹层和螺旋线纤维轨迹层的未浸或预浸树脂的增强纤维丝束，

其中，所述径向纤维轨迹层与开孔周围的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。

2.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，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。

3.如权利要求1所述的补强片，其特征在于，所述补强片由至少1层径向纤维轨迹层和至少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。

4.如权利要求1或2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与复合材料开孔制件开孔的半径r的比例R/r=1.5～6，较佳地为1.5～3.5。

5.如权利要求1所述的补强片，其特征在于，所述的补强片的增强纤维丝束选自下组：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维，玄武岩纤维、陶瓷纤维、天然纤维，或其组合。

6.如权利要求1中所述的补强片，其特征在于，所述的补强片的纤维丝束的预浸树脂基体为热固性树脂或热塑性树脂，较佳地，所述的树脂选自下组：环氧树脂、聚氨酯树脂、阴离子开环聚合聚酰胺类树脂、聚对苯二甲酸环丁二醇酯树脂，聚丙烯树脂、聚乙烯树脂、聚酰胺树脂、聚乳酸树脂、聚苯硫醚树脂、聚醚醚酮树脂、聚醚酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂等。

7.一种如权利要求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。

8.如权利要求1～6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。

9.一种纤维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(1a)：

(1a)在制备纤维复合材料开孔制件的过程中，当制得的纤维复合材料开孔制件的纤维预成型体后，将权利要求1所述的补强片铺放在纤维预成型体的开孔部位，然后将补强片与纤维预成型体一体化固化成型，得到开孔补强的纤维复合材料开孔制件；

或所述方法包括步骤(1b)：

(1b)将权利要求1所述的补强片直接铺放在已固化的复合材料开孔制件的开孔部位的表面，然后进行二次固化成型，得到开孔补强的复合材料开孔制件。

10.如权利要求9所述的补强方法，其特征在于，所述方法具有一个或多个选自下组的特征：

所述的步骤（1a）中的固化成型工艺包括复合材料液体模塑成型工艺、热压罐成型工艺、或模压成型工艺；较佳地，所述的复合材料液体模塑成型工艺包括树脂传递模塑成型工艺、真空辅助树脂注射成型工艺或树脂膜渗透成型工艺；

所述的步骤（1b）中的固化成型工艺包括真空辅助树脂注射成型工艺、树脂膜渗透成型工艺、热压罐成型工艺和模压成型工艺；和

所述纤维复合材料制件的树脂基体选自不饱和树脂、环氧树脂、乙烯基酯类树脂、聚氨酯树脂、阴离子开环聚合聚酰胺类树脂、聚对苯二甲酸环丁二醇酯树脂、聚丙烯树脂、聚乙烯树脂、聚酰胺树脂、聚苯硫醚树脂、聚醚醚酮树脂、聚乳酸树脂、聚醚酰亚胺树脂，或聚酰亚胺树脂。

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