CN105172317A

CN105172317A - 一种已固化复合材料及其修补结构和连接结构的增强方法

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Publication number: CN105172317A
Application number: CN201510619630.1A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2015-12-23

Abstract

本发明公开了一种已固化复合材料及其修补结构和连接结构的增强方法，属于复合材料增强方法。具体涉及在已固化复合材料层合板损伤部位、补片修补部位及其连接部位制作一定数量小孔；之后在小孔中嵌入浸有胶粘剂的细棒；最后固化胶粘剂，使细棒与周围材料粘结为一体。采用本发明所述的方法，所加工小孔直径较小，较少切断纤维，对复合材料层合板面内性能影响较低，并且细棒与周围材料的胶结可大大提高复合材料层合板的层间强度和韧性，有效解决现有技术无法对固化后的复合材料层合板特定部位和结构进行增强的问题，改善复合材料结构及其修理结构和连接结构的力学性能，提高复合材料结构承载效率，推动复合材料的更广泛应用。

Description

一种已固化复合材料及其修补结构和连接结构的增强方法

技术领域

本发明涉及一种已固化复合材料及其修补结构和连接结构的增强方法，具体涉及在固化后复合材料层合板需要增强的部位及其周围加工若干小孔，并在孔中嵌入浸有胶粘剂的细棒，固化胶粘剂使细棒与其周围的材料粘结在一起，实现层合复合材料的层间增强和增韧，以及复合材料修理效果的提高和复合材料连接结构承载能力的提高。。

背景技术

相比传统的金属材料，树脂基纤维增强复合材料具有高比强、高比模、各向异性、耐疲劳、耐高温、耐腐蚀、阻尼减震性好、性能可设计、多功能性和可发展性等优势，广泛应用于对减重要求严苛的航空、航天、车辆、船舶、建筑、石油、桥梁、风电和建筑等工程领域结构。

目前广泛采用的复合材料层合板不同单层之间依靠树脂结合，层间强度和韧性较低，大大限制了其应用。因此，应用各种Z向增强技术(包括缝合技术、三维编织、z-pin增强技术等)提高层间性能是复合材料层合板结构的重要研究内容。其中缝合技术、三维编织技术适用于干法铺层或者织物，z-pin适于预浸料成型工艺。应用上述Z向增强技术可大大提高复合材料的层间强度和韧性。然而，这些增强技术都只能在复合材料固化前使用（即先将这些技术应用于预制件或预浸料，然后将预制件或预浸料固化制成复合材料），使其存在以下限制。

1）只适用于某单一复合材料制件和复合材料共固化装配件，无法对已固化复合材料层合板的特定部位进行增强。复合材料制件在制备和使用过程中可能出现空穴、脱胶、分层等损伤，这些损伤的位置和程度无法在复合材料制备阶段进行准确预测，应用常规z-pin等增强方法无法应对这些固化过程中以及固化后所产生的损伤。在已固化复合材料应用z-pin工艺，一方面会折弯或折断z-pin，另一方面对复合材料产生较大的破坏。

2）无法应用于复合材料与复合材料的连接结构。航天复合材料结构件具有大型化、多样化的特点，很难把所有零件同时固化成型，而已固化零件之间的连接（包括胶接和机械连接等）部位通常最容易发生破坏和失效。

3）无法应用于复合材料与金属混杂结构。复合材料相比金属材料具有耐湿热性差、挤压强度低、抗冲击能力低、价格昂贵等缺点，其现阶段在航天结构上还不能完全取代金属材料。因此，复合材料虽然可以整体成型成大型构件，但在某些部位还不可避免地需要与金属结构通过胶接或机械连接等方式进行连接。相比复合材料与复合材料，复合材料与金属属于异质材料之间的连接，更容易发生提前失效。但前面所提常规z-pin等增强工艺难以穿透钛合金、合金钢等金属材料，不能用于复合材料与金属的混杂连接结构。

因此，需要发展对已固化复合材料层合板的特定部位及其修补部位和连接部位进行增强的方法。

发明内容

本发明的目的在于，克服目前各种Z向增强技术无法应用于固化后复合材料层合板及其修理结构和连接结构的不足，而提供一种对固化后复合材料层合板及其补片修理结构和连接结构进行增强的方法，使得复合材料及其修理结构和连接结构具有更高的承载能力。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

（1）确定需要增强的部位；

（2）制定增强所需使用细棒的直径、长度、材料和排布以及所需使用的胶粘剂；

（3）应用激光穿孔或微型钻头切削等方法，在需要增强的部位加工直径为0.2至2毫米的小孔；

（4）把浸有胶粘剂的细棒嵌入小孔；

（5）固化胶粘剂，使细棒与周围材料粘结。

进一步地，所述复合材料为纤维增强复合材料层合板，并且既可为热固性复合材料，也可为热塑性复合材料。

进一步地，所述修补包括贴补和挖补，并且，贴补和挖补分别需用的外搭补片和嵌入补片的初始形态包括预浸料、预制件和预固化片三种。

进一步地，所述连接件可能为复合材料与复合材料之间的连接结构，也可能为复合材料与金属之间的连接。

进一步地，步骤一所述需要增强的部位包括：已固化复合材料层合板内部的损伤部位及其周围，复合材料补片修理部位，复合材料与金属材料胶接结构的胶接区，以及复合材料与复合材料机械连接结构的紧固件孔边，尤其是复合材料受挤压一侧。

进一步地，所述步骤二中小孔的直径比欲安装细棒的直径大0.1~0.3毫米，一方面便于细棒的嵌入，另一方面可以产生良好的细棒与其周围材料之间的胶结质量。

进一步地，所述步骤二小孔制作使用高能且生热较少的TruMicro5050等激光器或微型钻头，采用激光穿孔或机械加工方法制成，保证制孔部位的复合材料不会或较少被烧蚀。

进一步地，为适应具体结构所受载荷的需要，在同一应用中，所述步骤三中细棒具有以下特征：

a，细棒材料既可为是合金钢、铝合金和钛合金等金属材料，也可为尼龙、化纤、芳纶纤维、硼纤维、玻璃纤维、碳纤维等非金属材料；

b，细棒直径为0.1~2毫米；

c，细棒轴线可与层合板法向重合，也可呈一夹角；

d，在同一应用中细棒的直径可相同或不同，可互相平行或呈不同的角度，可规则排列或不规则排布；

e，细棒在增强部位的植入面积密度为1~5%。

进一步地，所述步骤五胶粘剂的固化，根据所用胶粘剂固化要求，胶粘剂在室温下固化，或使用红外灯、吹风机、加热毯或微波加热等方法进行局部加热固化。

进一步地，所述已固化复合材料层合板内部的损伤，其特征在于：所述损伤包括分层、脱胶、压陷、空隙、裂纹、划伤、冲击损伤和胶层退化等类型，这些损伤在厚度方向上有一处或多处，损伤类型相同或不同，不同损伤的范围相同或不同。

本发明具有的优点和有益效果。本发明提出一种对已固化复合材料层合板及其修理结构和连接结构进行增强的新型方法，采用本发明的增强方法，细棒直径较小，较少切断纤维，对复合材料层合板面内性能影响较小，并且胶粘剂固化后使细棒与周围材料粘结，起到层间增强、增韧的作用。此增强方法应用于复合材料层合板，可增强复合材料层合板的面外强度和韧性，并而提高复合材料结构件的承载能力。应用于复合材料补片修补结构，可提高修补的效果。应用于复合材料胶接结构，则不但可提高复合材料连接件的面外强度和韧性，还可改善胶接结构的力学性能，提高胶接结构的承载能力。应用于复合材料机械连接孔边，则可增强孔边的抗分层能力和抗止裂能力，提高机械连接结构的强度。此增强方法的另一较大优势是其可用于复合材料与金属材料的连接结构，实现复合材料与金属这两种异质材料之间连接结构的增强。总之，该方法可有效解决对已固化复合材料层合板特定部位和结构进行增强的问题，提高复合材料结构承载效率，推动复合材料的更广泛应用。

附图说明

图1复合材料层合板增强示意图；

图2复合材料层合板增强正视图；

图3是复合材料贴补结构1增强示意图；

图4是复合材料贴补结构2增强示意图；

图5是复合材料挖补结构增强示意图；

图6是复合材料胶接增强示意图；

图7是复合材料胶接增强正视图；

图8是复合材料机械连接增强示意图；

图9是复合材料机械连接增强正视图；

图中，11是复合材料层合板，12是细棒，21是复合材料层合板，22是细棒，31是复合材料层合板，32是外搭补片，33是胶膜，34是细棒，41是复合材料层合板，42是外搭补片，43是胶膜，44是细棒，51是复合材料层合板，52是嵌入补片，53是胶膜，54是细棒，61是复合材料胶接件，62是钛合金胶接件，63是胶层，64是细棒,71是复合材料胶接件，72是钛合金胶接件，73是胶层，74是细棒,81是复合材料机械连接件，82是钛合金机械连接件，83是紧固件，84是细棒,91是复合材料机械连接件，92是钛合金机械连接件，93是紧固件，94是细棒。

具体实施方式

以下结合附图和实施方式对本方面做进一步说明。

实施例1

应用所提出方法对含分层损伤的2毫米厚复合材料层合板进行增强，如图1或2所示，步骤如下：

（1）应用超声C扫方法测得已固化复合材料层合板（11或21）的分层损伤的位置及程度，确定增强范围，如图1所示；

（2）根据损伤情况，确定使用浸渍室温固化胶粘剂SY-23B的钛合金棒，其直径为1毫米，长度为2毫米，排布情况如图1所示；

（3）在分层部位及周围应用微型金刚石钻头加工若干直径为1.2毫米的小孔；

（4）把浸有胶粘剂的钛合金细棒（12或22）嵌入所加工的小孔内部，如图1或2所示；

（5）根据所使用胶粘剂SY-23B的固化要求，在室温下固化胶粘剂，固化时间为3天，使细棒与其周围的复合材料粘接在一起。

采用本增强方法，对复合材料层合板面内性能影响较小，并且可提高损伤区的层间强度和韧性，增加或恢复受损复合材料层合板的承载能力。

实施例2

复合材料内部较大的分层或纤维断裂损伤可采用贴补方法进行修复（其中复合材料层合板的厚度为2毫米，补片的厚度为1毫米），如图3和4所示。图3所示方法为直接在损伤区外表面贴补复合材料补片。图4所示方法为把损伤区材料挖除后，在外表面贴补复合材料补片。应用所提出方法，对以上两种贴补修理结构进行增强的步骤如下：

（1）确定增强位置为贴补补片修理部位；

（2）根据外搭补片（32或42）形状、尺寸及其对复合材料层合板（31或41）损伤修补方案，确定使用浸渍高温固化胶粘剂J-116的碳纤维棒，直径为0.5毫米，长度为3毫米（补片倒角区所使用的细棒长度，以复合材料层合板与细棒植入处补片的厚度之和确定），排布情况如图3或4所示；

（3）根据增强工艺参数，在补片（32或42）及周围区域应用微型金刚石钻头加工若干小孔，小孔贯穿补片以及与补片重叠的复合材料层合板，并且直径比细棒大0.6毫米；

（4）把浸有胶粘剂的细棒（34或44）嵌入所加工的小孔内部；

（5）根据所使用高温固化胶粘剂J-116的固化要求，使用加热毯对细棒分布区域进行加热，并保持加热区温度为180±5^oC，时间为3个小时，以固化胶粘剂，使细棒与其周围的复合材料粘接在一起。

采用本增强方法，对复合材料层合板面内性能影响较小，细棒连同补片与被修理层合板之间的胶层（33或43）一起传递补片与层合板之间的载荷，从而提高复合材料层合板的贴补修理效果，增加修理后复合材料层合板的承载能力。

实施例3

应用所提出方法，对厚度为4毫米的复合材料挖补修理结构进行增强，如图5所示，增强步骤如下：

（1）确定增强位置为嵌入补片部位；

（2）根据外搭补片（52）形状、尺寸及其对复合材料层合板（51）损伤修补方案，确定使用浸渍高温固化胶粘剂J-116的碳纤维棒，直径为1.5毫米，长度为4毫米，排布情况如图5所示；

（3）根据增强工艺参数，在补片（52）区域应用TruMicro5050激光器加工若干直径为1.8毫米的小孔，小孔贯穿补片以及与补片重叠的复合材料层合板；

（4）把浸有胶粘剂的细棒（54）嵌入所加工的小孔内部；

采用本增强方法，对复合材料层合板面内性能影响较小，细棒连同补片与被修理层合板之间的胶层（53）一起传递补片与层合板之间的载荷，从而提高复合材料层合板的贴补修理效果，增加修理后复合材料层合板的承载能力。

实施例4

应用所提出方法，对厚度为2毫米的复合材料连接件（61或71）与厚度为2毫米的钛合金连接件（62或72）胶接结构进行增强，如图6或7所示，步骤如下：

（1）确定增强位置为复合材料胶接区；

（2）根据胶接结构及其受力特点，确定使用浸渍室温固化胶粘剂SY-23B的碳纤维棒，直径为1.5毫米，长度为4毫米，排布情况如图5所示；

（3）在胶接区应用TruMicro5050激光器加工若干直径为1.8毫米的小孔，小孔贯穿胶接区的复合材料连接件（61或71）和钛合金连接件（62或72）以及二者之间的胶层（63或73）；

（4）把浸有胶粘剂的细棒（64或74）嵌入所加工的小孔内部；

（5）根据所使用室温固化胶粘剂SY-23B的固化要求，在室温下固化胶粘剂，固化时间为3天，使细棒与其周围的材料粘接在一起。

采用本增强方法，对复合材料层合板面内性能影响较小，细棒连同补片与被修理层合板之间的胶层（63或73）一起传递连接件之间的载荷，从而提高复合材料与金属胶接结构的承载能力。

实施例5

应用所提出方法，对厚度为2毫米的复合材料连接件（81或91）与厚度为2毫米的钛合金连接件（82或92）机械连接结构进行增强，如图8或9所示，步骤如下：

（1）确定增强位置为机械连接孔边，尤其是复合材料孔边受挤压一侧；

（2）根据机械连接结构及其受力特点，确定使用浸渍室温固化胶粘剂SY-23B的碳纤维棒，直径为1.2毫米，长度为4毫米，排布情况如图5所示；

（3）在紧固件孔边应用TruMicro5050激光器加工若干直径为1.4毫米的小孔，小孔贯穿胶接区的复合材料连接件（81或91）和钛合金连接件（82或92）；

（4）把浸有胶粘剂的细棒（84或94）嵌入所加工的小孔内部；

采用本增强方法，对复合材料层合板面内性能影响较小，提高复合材料孔边的抗挤压能力。而且，细棒贯穿连接区的复合材料和金属材料，与紧固件（83或93）一同传递连接件的载荷，提高复合材料机械连接结构的承载能力。

Claims

1.一种已固化复合材料及其修补结构和连接结构的增强方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定需要增强的部位；

(2)制定增强所需使用细棒的直径、长度、材料和排布以及所需使用的胶粘剂；

(3)在已固化复合材料层合板需要增强的部位及其周围制作若干小孔；

(4)在小孔中嵌入浸有胶粘剂的细棒；

(5)固化胶粘剂，使细棒与其周围材料粘接。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述复合材料为纤维增强复合材料层合板，并且既可为热固性复合材料，也可为热塑性复合材料。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述修补包括贴补和挖补，并且，贴补和挖补分别需用的外搭和嵌入补片的初始形态包括预浸料、无胶织物和预固化片三种。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述连接件材料可相同，也可不同；可均为复合材料，也可包括复合材料和金属材料。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述步骤一需要增强的部位包括：已固化复合材料层合板内部的损伤部位及其周围，复合材料补片修理部位，复合材料与复合材料/金属材料胶接结构的胶接区，以及复合材料与复合材料/金属材料机械连接结构的紧固件孔边。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述步骤二中细棒具有以下特征：

a，细棒材料既可为是和金刚、铝合金和钛合金等金属材料，也可为尼龙、化纤、芳纶纤维、硼纤维、玻璃纤维、碳纤维等非金属材料；

b，细棒直径为0.1~2毫米；

c，细棒轴线可与层合板法向重合，也可也可呈一夹角；

e，细棒在增强部位的植入面积密度为1~5%。

7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤三中小孔的直径比欲安装细棒的直径大0.1~0.3毫米。

8.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述步骤三小孔制作采用高能且生热较少的激光器或微型金刚石钻头。

9.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述步骤五中胶粘剂的固化，根据所用胶粘剂的固化要求，在室温下或使用红外灯、吹风机、加热毯或微波加热等方法进行局部加热以固化胶粘剂。

10.根据权利要求5所述增强部位，其特征在于：所述层合板损伤包括分层、脱胶、压陷、空隙、裂纹、划伤、冲击损伤和胶层退化等类型，这些损伤在厚度方向上有一处或多处，损伤类型相同或不同，不同损伤的范围相同或不同。