CN106626454A - 一种自感应修复的树脂基复合材料结构及制备修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于智能复合材料领域，具体涉及一种自感应修复树脂基复合材料结构及制备修复方法。目前提出的各种原理性方案均采用相互分开的损伤感知传感系统和修复剂供应系统，系统接口复杂，附加增重多。本发明包括树脂基复合材料，其包括若干复合材料单元，在每个复合材料单元内设置有相互连通的中空脉管，该结构还包括设置在树脂基复合材料表面的修复剂输送管路，其中充满修复剂，该修复剂输送管路与所述每个复合材料单元的中空脉管连通，且在连接管道内安装有单向的止回阀和流量检测元件。不需要两套分开的损伤感应系统和修复剂供应系统，而是将修复剂供应与损伤感应集成，大大降低了系统复杂度，材料本体力学性能下降小，结构简单可靠。

Description

一种自感应修复的树脂基复合材料结构及制备修复方法

技术领域

本发明属于智能复合材料领域，具体涉及一种自感应修复树脂基复合材料结构及制备修复方法。

背景技术

在自然界的生命系统中，存在着很多复合材料结构，如骨骼和象牙等是由胶原蛋白纤维与羟基磷灰石纳米晶组成的复合材料。它们不仅轻质高强，且具有良好的环境适应性，对微小损伤能自感应并自修复。有研究表明人体胫骨如没有自修复能力，其疲劳寿命不超过3年，可见自修复功能可显著提高生物体环境生存能力，并大大延长寿命。

相比之下，目前在武器装备和民用领域得到广泛应用的纤维增强树脂基复合材料Fiber reinforced polymer composites，FRP却不具备自然生命系统的自感应和自修复能力。由于缺乏自我响应和保护机制，先进复合材料在遭受损伤时只能被动地利用剩余承载能力，并且在服役环境中损伤容易继续扩展，扩展到一定程度则会导致灾难性破坏。尽管先进复合材料具有轻质高强的优势，并且采取了增加检测、采用损伤容限设计和提高设计冗余等措施，但这些措施存在增加成本、检测受限、降低应用效能等问题。为此人们从自然界生物体的自修复功能和机制中寻找灵感，试图给FRP复合材料赋予自感应修复功能。

自然界生物经亿万年演化出许多精巧的高承载性能生物复合材料结构，它们往往含有许多脉管结构。承载的生物材料脉管化后获得许多重要的功能，脉管中具有用于营养供应和信号传感的液体，使得这些材料可以进行损伤感应和组织修复。当生物体遭受损伤时，脉管将功能物质输送至损伤部位，通过组织增生和转化过程，生成新生组织，最终实现伤口愈合，组织功能得以恢复。

因此，从生物体借助机体内部脉管传输具有特定生理功能的物质实现自感应修复功能的方法得到启发，提出了多种具有智能仿生特征的复合材料自感应修复方案。一类是在复合材料中预埋光纤等来感知损伤和修复复合材料。此类复合材料的力学性能差，只限于科学研究，应用价值小。另外一类是在复合材料内预埋管线或者形成无异质管壁的中空脉管，以微脉管作为感应损伤和传递修复剂的载体。目前，提出的各种原理性方案均采用相互分开的损伤感知传感系统和修复剂供应系统，系统接口复杂，附加增重多。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于多模块中空脉管的智能仿生复合材料自感应修复的解决方案，该方案系统复杂度低，材料本体力学性能下降小，结构简单可靠，从而实现自感应修复复合材料规模化应用。

本发明的自感应修复树脂基复合材料结构，包括树脂基复合材料，其包括若干复合材料单元，在每个复合材料单元内设置有相互连通的中空脉管，该结构还包括设置在树脂基复合材料表面的修复剂输送管路，其中充满修复剂，该修复剂输送管路与所述每个复合材料单元的中空脉管连通，且在连接管道内安装有单向的止回阀和流量检测元件。

进一步地，所述连接管道的端部具有细直径针管。

进一步地，各复合材料单元的中空脉管相互独立。

进一步地，复合材料单元的划分根据实际复合材料应用的力学或者易受损情况确定，包括规则形状的、不规则的、或者随形的。

进一步地，所述修复剂是环氧树脂、双马来酰胺树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂或者不饱和聚酯树脂，室温粘度是50-200Pa.s。

一种如上述自感应修复树脂基复合材料结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、形成无异质管壁的中空脉管

将牺牲线放入干纤维织物或者预浸料铺层中，复合材料树脂固化成型，之后通过化学或者物理方法将牺牲线去除并隔断复合材料单元之间的脉管网络，在树脂基复合材料的每个复合材料单元中形成对裂纹敏感的无异质管壁的中空脉管；

步骤二、安装修复剂输送管路

在所述树脂基复合材料的表面安装修复剂输送管路，该修复剂输送管路上通过若干连接管道与每个复合材料单元对应连通，在该连接管道内安装有止回阀和流量检测元件；

步骤三、内部冲压

向所述中空脉管中充入有一定压力的气体，该气体压力大于所述修复剂输送管路内的液体压力。

进一步地，固化成型后，将牺牲线拔出或者分解挥发。

进一步地，所述牺牲线是涂覆脱模剂的尼龙线、金属线或者聚乳酸PLA线。

一种如上述自感应修复树脂基复合材料结构的修复方法，包括以下步骤：

当所述自感应修复树脂基复合材料结构未受损伤时，所述止回阀在压力差的作用下处于关闭状态；当损伤发生并扩展到中空脉管时，中空脉管内的气体压力下降，当气体压力小于所述修复剂输送管路内的液体压力时，所述止回阀打开，修复剂通过中空脉管流入至损伤位置，固化后实现修复。

进一步地，所述流量检测元件检测修复剂的流动状态，从而感知损伤发生并确定损伤所在的位置。

本发明的有益效果是：引入中空脉管对复合材料力学性能负面影响小，使该复合材料结构在力学性能要求高的航空航天领域的应用成为可能；VaSC方法可以与复合材料制备的预浸料铺层或者真空辅助树脂传递模塑VARTM结合，可以实现大规模制造和应用于大型复合材料制件的自感应修复；在脉管加入高压空气，利用损伤后脉管压力变化来实现修复剂注入和损伤自感应，结构简单可靠。

集成了最新的含脉管复合材料设计与制备技术，巧妙结合成熟的控制、传感和微机电技术。不需要两套分开的损伤感应系统和修复剂供应系统，而是将修复剂供应与损伤感应集成，大大降低了系统复杂度，材料本体力学性能下降小，结构简单可靠，具备规模化应用前景。

附图说明

图1自感应修复复合材料结构示意图，

图2复合材料自感应修复过程，

图3是含一维中空脉管复合材料的C扫描图像，

图4是一维中空脉管的显微照片。

具体实施方式

下面对本发明进一步作具体说明，但本发明不局限于此。

下述实例中所使用的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；下述实例中所用的试剂和材料等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

一种自感应修复树脂基复合材料结构，包括树脂基复合材料1，其包括若干复合材料单元，在每个复合材料单元内设置有相互连通的中空脉管3，该结构还包括设置在树脂基复合材料1表面的修复剂输送管路4，其中充满修复剂5，该修复剂输送管路4与所述每个复合材料单元的中空脉管3连通，且在连接管道内安装有单向的止回阀6和流量检测元件7。

所述连接管道的端部具有细直径针管8。各复合材料单元的中空脉管3相互独立。

复合材料单元的划分根据实际复合材料应用的力学或者易受损情况确定，包括规则形状的、不规则的、或者随形的。

所述修复剂5是环氧树脂、双马来酰胺树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂或者不饱和聚酯树脂，室温粘度是50-200Pa.s。

一种如上述自感应修复树脂基复合材料结构的制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、形成无异质管壁的中空脉管

将牺牲线2放入干纤维织物或者预浸料铺层中，复合材料树脂固化成型，之后通过化学或者物理方法将牺牲线去除并隔断复合材料单元之间的脉管网络，在树脂基复合材料1的每个复合材料单元中形成对裂纹敏感的无异质管壁的中空脉管3；

步骤二、安装修复剂输送管路

在所述树脂基复合材料1的表面安装修复剂输送管路4，该修复剂输送管路4上通过若干连接管道与每个复合材料单元对应连通，在该连接管道内安装有止回阀6和流量检测元件7；

步骤三、内部冲压

向所述中空脉管3中充入有一定压力的气体，该气体压力大于所述修复剂输送管路4内的液体压力。

其中，固化成型后，将牺牲线2拔出或者分解挥发。

所述牺牲线2是涂覆脱模剂的尼龙线、金属线或者聚乳酸PLA线。

一种如上述自感应修复树脂基复合材料结构的修复方法，包括以下步骤：

当所述自感应修复树脂基复合材料结构未受损伤时，所述止回阀6在压力差的作用下处于关闭状态；当损伤发生并扩展到中空脉管3时，中空脉管3内的气体压力下降，当气体压力小于所述修复剂输送管路4内的液体压力时，所述止回阀6打开，修复剂5通过中空脉管3流入至损伤位置，固化后实现修复。

所述流量检测元件7检测修复剂的流动状态，从而感知损伤发生并确定损伤所在的位置。

实施例1含中空脉管的玻璃纤维增强树脂基复合材料GFRP制备

将预浸料按照如下设定的铺层顺序进行铺贴：预埋线PSL的位置[0/0/0/0/PSL/0/0/0/0]，预埋线的直径为100-500μm。在设定层间中加入预埋线，预埋线间隔1-20mm，然后继续铺贴设定铺层的玻璃织物增强环氧树脂SW280/3218预浸料，采用热压罐工艺成型复合材料。热压罐固化工艺为：室温抽真空，真空度不小于-0.095MPa，加热至60℃，保温0.5h，加压0.3MPa,以1.5℃/min的升温速率升温至130℃，恒温2h，自然冷却至60℃以下出罐。将预埋线从复合材料中拔出，得到含中空脉管的GFRP复合材料。

实施例2含中空脉管的GFRP复合材料制备

将预浸料按照如下设定的铺层顺序进行铺贴：预埋线PSL的位置[45/0/-45/90/PSL/45/0/-45/90]s，预埋线的直径为100-500μm。在设定层间中加入预埋线，预埋线间隔1-20mm，两层预埋线错开2-10mm，继续铺贴设定铺层的玻璃织物增强环氧树脂SW280/3218预浸料，采用热压罐工艺成型复合材料。热压罐固化工艺为：室温抽真空，真空度不小于-0.095MPa，加热至60℃，保温0.5h，加压0.3MPa，以1.5℃/min的升温速率升温至130℃，恒温2h，自然冷却至60℃以下出罐。将预埋线从复合材料中拔出，得到含中空脉管的GFRP复合材料。

实施例3含中空脉管的碳纤维增强树脂基复合材料CFRP制备

将预浸料按照如下设定的铺层顺序进行铺贴：预埋线PSL的位置[0/0/0/0/0/0/0/0/PSL/0/0/0/0/0/0/0/0]，预埋线的直径为100μm-500μm。在设定层间中加入预埋线，预埋线间隔1-20mm，然后继续铺贴设定铺层的碳纤维增强环氧树脂单向带LT-03A/T700，采用热压罐工艺成型复合材料。热压罐固化工艺为：室温抽真空，真空度不小于-0.095MPa，加热至40℃，加压0.4MPa,以1.5℃/min的升温速率升温至125℃，恒温2h，自然冷却至60℃以下出罐。将预埋线从复合材料中拔出，得到含中空脉管的CFRP复合材料。

实施例4

由上述实例2得到的含中空脉管的GFRP，将其中空脉管通过止回阀和流量检测元件与外部管路路连接，外部管路中放入修复剂，预加压力0.06-0.09MPa。中空脉管预加压力0.1-0.15MPa。低速冲击后复合材料破坏，脉管中压力下降，修复剂流入脉管到达损伤位置，实现修复。修复剂通过流量检测元件时，流量检测元件将信号传输给中央处理器，从而实现损伤感应。

Claims (10)

1.一种自感应修复树脂基复合材料结构，其特征在于：包括树脂基复合材料(1)，其包括若干复合材料单元，在每个复合材料单元内设置有相互连通的中空脉管(3)，该结构还包括设置在树脂基复合材料(1)表面的修复剂输送管路(4)，其中充满修复剂(5)，该修复剂输送管路(4)与所述每个复合材料单元的中空脉管(3)连通，且在连接管道内安装有单向的止回阀(6)和流量检测元件(7)。

2.根据权利要求1所述的自感应修复树脂基复合材料结构，其特征在于：所述连接管道的端部具有细直径针管(8)。

3.根据权利要求2所述的自感应修复树脂基复合材料结构，其特征在于：各复合材料单元的中空脉管(3)相互独立。

4.根据权利要求1或2所述的自感应修复树脂基复合材料结构，其特征在于：复合材料单元的划分根据实际复合材料应用的力学或者易受损情况确定，包括规则形状的、不规则的、或者随形的。

5.根据权利要求1或2所述的自感应修复树脂基复合材料结构，其特征在于：所述修复剂(5)是环氧树脂、双马来酰胺树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂或者不饱和聚酯树脂，室温粘度是50-200Pa.s。

6.一种如权利要求1-5所述自感应修复树脂基复合材料结构的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、形成无异质管壁的中空脉管

将牺牲线(2)放入干纤维织物或者预浸料铺层中，复合材料树脂固化成型，之后通过化学或者物理方法将牺牲线去除并隔断复合材料单元之间的脉管网络，在树脂基复合材料(1)的每个复合材料单元中形成对裂纹敏感的无异质管壁的中空脉管(3)；

步骤二、安装修复剂输送管路

在所述树脂基复合材料(1)的表面安装修复剂输送管路(4)，该修复剂输送管路(4)上通过若干连接管道与每个复合材料单元对应连通，在该连接管道内安装有止回阀(6)和流量检测元件(7)；

步骤三、内部冲压

向所述中空脉管(3)中充入有一定压力的气体，该气体压力大于所述修复剂输送管路(4)内的液体压力。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：固化成型后，将牺牲线(2)拔出或者分解挥发。

8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于：所述牺牲线(2)是涂覆脱模剂的尼龙线、金属线或者聚乳酸(PLA)线。

9.一种如权利要求1-5所述自感应修复树脂基复合材料结构的修复方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

当所述自感应修复树脂基复合材料结构未受损伤时，所述止回阀(6)在压力差的作用下处于关闭状态；当损伤发生并扩展到中空脉管(3)时，中空脉管(3)内的气体压力下降，当气体压力小于所述修复剂输送管路(4)内的液体压力时，所述止回阀(6)打开，修复剂(5)通过中空脉管(3)流入至损伤位置，固化后实现修复。

10.根据权利要求9所述的修复方法，其特征在于：所述流量检测元件(7)检测修复剂的流动状态，从而感知损伤发生并确定损伤所在的位置。