CN110369861A - 一种制备复合材料层合板预埋分层缺陷的方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种制备复合材料层合板预埋分层缺陷的方法，包括根据复合材料层合板的厚度和预埋分层缺陷的位置确定出激光的参数；根据所述预埋分层缺陷的位置、长度和宽度确定黑色吸收层的位置、长度和宽度，将所述黑色吸收层粘贴在所述复合材料层合板两表面的相应位置；在所述黑色吸收层的表面分别设置透明约束层；利用具有所述参数的激光对所述复合材料层合板的两个表面依次进行冲击，直至完成所需冲击区域的冲击。上述制备复合材料层合板预埋分层缺陷的方法，能够快速准确制备不同位置、不同尺寸的更加真实的层合板预埋分层缺陷。

Description

一种制备复合材料层合板预埋分层缺陷的方法

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，特别是涉及一种制备复合材料层合板预埋分层缺陷的方法。

背景技术

复合材料因其优越的性能现已被广泛应用于航空航天、汽车和医疗等领域，其中，纤维增强树脂基复合材料层合板已大量应用于飞机的蒙皮、格板、翼面上的肋腹板等部件。由于增强纤维铺设方向的不一致常导致铺层间刚度的不匹配，引发较高的层间应力，而层间应力的主要传递介质是较弱的树脂基体，因此对于复合材料层合板，分层是其主要的损伤形式且分层常存在于结构内部，复合材料层合板在装配与服役过程中受到交变载荷后会产生疲劳裂纹扩展及由此引起的分层，从而加速材料的老化，造成材料的强度与刚度的急剧损失和承载能力严重下降，大大降低材料的使用寿命，甚至会造成灾难性后果，因此，需要对复合材料层合板结构疲劳寿命的评估、对含分层损伤复合材料层合板分层机制和分层扩展规律进行研究。

在对复合材料层合板进行分层机制和分层扩展规律研究时需要制备预埋分层缺陷，目前制备预埋分层缺陷的常用方法是在层合板热压固化前，在层合板不同厚度位置处置入不同大小的贯穿型聚四氟乙烯薄膜，来制备具有不同厚度位置、不同尺寸预埋分层缺陷的层合板。然而，由于填充物的存在，该方法制备的分层缺陷并不能完全代替复合材料层合板在使用过程中真实产生的分层缺陷。

因此，如何制备能够反映真实的复合材料层合板内的预埋分层缺陷的方法，是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种制备复合材料层合板预埋分层缺陷的方法，能够快速准确制备不同位置、不同尺寸的更加真实的层合板预埋分层缺陷。

本发明提供的一种制备复合材料层合板预埋分层缺陷的方法，包括：

根据复合材料层合板的厚度和预埋分层缺陷的位置确定出激光的参数；

根据所述预埋分层缺陷的位置、长度和宽度确定黑色吸收层的位置、长度和宽度，将所述黑色吸收层粘贴在所述复合材料层合板两表面的相应位置；

在所述黑色吸收层的表面分别设置透明约束层；

利用具有所述参数的激光对所述复合材料层合板的两个表面依次进行冲击，直至完成所需冲击区域的冲击。

优选的，在上述制备复合材料层合板预埋分层缺陷的方法中，所述根据复合材料层合板的厚度和预埋分层缺陷的位置、长度和宽度确定出激光的参数包括：

根据复合材料层合板的厚度确定出激光的方形光斑边长，根据预埋分层缺陷的位置确定延迟激光束和延迟时间。

优选的，在上述制备复合材料层合板预埋分层缺陷的方法中，所述黑色吸收层为黑色胶带层。

优选的，在上述制备复合材料层合板预埋分层缺陷的方法中，所述透明约束层为水流层。

优选的，在上述制备复合材料层合板预埋分层缺陷的方法中，所述利用具有所述参数的激光对所述复合材料层合板的两个表面依次进行冲击，直至完成所需冲击区域的冲击包括：

对复合材料层合板两个表面的起始位置进行一次激光冲击，对冲击后的区域进行检测，确定本次冲击产生的分层区域的长度和宽度，根据制备预埋分层缺陷的长度和宽度和本次冲击分层区域的长度和宽度，确定激光冲击重叠率和冲击路径；

保持激光的参数不变，根据所述激光冲击重叠率和所述冲击路径对所述复合材料层合板的表面依次进行后续冲击，直至完成所需区域的冲击。

优选的，在上述制备复合材料层合板预埋分层缺陷的方法中，所述根据所述预埋分层缺陷的长度和宽度确定黑色吸收层的长度和宽度为：

当所述预埋分层缺陷的长度为a、宽度为b时，确定黑色吸收层的长度m＝a+2d，宽度n＝b+2d，其中d为激光的方形光斑边长。

通过上述描述可知，本发明提供的上述制备复合材料层合板预埋分层缺陷的方法，由于先根据复合材料层合板的厚度和预埋分层缺陷的位置确定出激光的参数；根据所述预埋分层缺陷的位置、长度和宽度确定黑色吸收层的位置、长度和宽度，将所述黑色吸收层粘贴在所述复合材料层合板两表面的相应位置；在所述黑色吸收层的表面分别设置透明约束层；利用具有所述参数的激光对所述复合材料层合板的两个表面依次进行冲击，直至完成所需冲击区域的冲击，因此避免了采用填充物来制作缺陷，这种激光方式制作的缺陷更接近真实的分层缺陷的情况，从而可见，这种方法能够快速准确制备不同位置、不同尺寸的更加真实的层合板预埋分层缺陷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的一种制备复合材料层合板预埋分层缺陷的方法的示意图；

图2为制作预埋分层缺陷的操作情况示意图；

图3为激光冲击重叠度及冲击路径示意图；

图4为黑色吸收层的尺寸和粘贴位置示意图；

图5为制备的预埋分层缺陷位置在复合材料层合板的中面处的示意图；

图6为制备的预埋分层缺陷位置在复合材料层合板中面的左侧距离中面n_l层处的示意图；

图7为制备的预埋分层缺陷位置在复合材料层合板中面的右侧距离中面n_r层处的示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种制备复合材料层合板预埋分层缺陷的方法，能够快速准确制备不同位置、不同尺寸的更加真实的层合板预埋分层缺陷。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。

本申请提供的一种制备复合材料层合板预埋分层缺陷的方法如图1所示，图1为本申请提供的一种制备复合材料层合板预埋分层缺陷的方法的示意图，该方法包括如下步骤：

S1：根据复合材料层合板的厚度和预埋分层缺陷的位置确定出激光的参数；

根据复合材料层合板界面的动态断裂强度选择合适的激光脉冲能量，激光参数的选择依据为：激光能量产生的叠加的两个冲击波，在经层合板表面反射后叠加的拉应力波的强度需大于复合材料层合板界面的动态断裂强度，使层合板在进行激光冲击后可在界面处产生层裂。

S2：根据预埋分层缺陷的位置、长度和宽度确定黑色吸收层的位置、长度和宽度，将黑色吸收层粘贴在复合材料层合板两表面的相应位置；

该黑色吸收层的作用主要是保护工件不被激光灼伤并增强对激光能量的吸收，目前常用的吸收层材料有黑胶带、黑漆和铝箔等

S3：在黑色吸收层的表面分别设置透明约束层；

该透明约束层除了能约束等离子体的膨胀从而提高冲击波的峰值压力外，还能通过对冲击波的反射延长其作用时间，目前常用的约束层为水流层、K9玻璃和透明胶带等等。

S4：利用具有参数的激光对复合材料层合板的两个表面依次进行冲击，直至完成所需冲击区域的冲击。

具体而言，这里所说的激光的参数可以是方形激光的光斑边长d，如图2中所示的那样，图2为制作预埋分层缺陷的操作情况示意图，其中采用的部件包括第一激光器101，其发射出的激光经过第一反射镜102的反射之后利用第一聚焦透镜103进行聚焦，再穿过第一光学衍射元件104之后形成第一激光束105，该第一激光束105依次穿过第一透明约束层106和第一黑色吸收层107之后在复合材料层合板内形成第一应力波108，在复合材料层合板的另一侧，第二激光器201发射出的激光经过第二反射镜202的反射之后利用第二聚焦透镜203进行聚焦，再穿过第二光学衍射元件204之后形成第二激光束205，该第二激光束205依次穿过第二透明约束层206和第二黑色吸收层207之后，在复合材料层合板内形成第二应力波208，其中复合材料层合板包括相互间隔的复合材料层合板铺层9和复合材料层合板界面10，在其中制作出预埋分层缺陷11。

通过上述描述可知，本申请提供的上述制备复合材料层合板预埋分层缺陷的方法的实施例中，由于先根据复合材料层合板的厚度和预埋分层缺陷的位置确定出激光的参数；根据预埋分层缺陷的位置、长度和宽度确定黑色吸收层的位置、长度和宽度，将黑色吸收层粘贴在复合材料层合板两表面的相应位置；在黑色吸收层的表面分别设置透明约束层；利用具有参数的激光对复合材料层合板的两个表面依次进行冲击，直至完成所需冲击区域的冲击，因此避免了采用填充物来制作缺陷，这种激光方式制作的缺陷更接近真实的分层缺陷的情况，从而可见，这种方法能够快速准确制备不同位置、不同尺寸的更加真实的层合板预埋分层缺陷。

在一个具体的制备复合材料层合板预埋分层缺陷的方法的实施例中，上述根据复合材料层合板的厚度和预埋分层缺陷的位置、长度和宽度确定出激光的参数的步骤可以具体包括：根据复合材料层合板的厚度确定出激光的方形光斑边长，根据预埋分层缺陷的位置确定延迟激光束和延迟时间。

在一个优选实施例中，上述黑色吸收层可以为黑色胶带层，这样在后续去除过程中比较方便，当然还可以根据具体情况选用其他类型的吸收层，例如一些黑色涂层等等，此处并不限定，而且，黑色吸收层中心点必须与需要制备预埋分层缺陷的中心点在层合板的厚度方向位于同一条直线上。

在另一个优选实施例中，上述透明约束层可以为水流层，当然这是优选方案，还可以用与黑色吸收层同样尺寸的透明胶带层来代替这种水流层实现同样的功能。

又一个实施例中，上述利用具有参数的激光对复合材料层合板的两个表面依次进行冲击，直至完成所需冲击区域的冲击的步骤可以优选的包括：对复合材料层合板两个表面的起始位置进行一次激光冲击，对冲击后的区域进行检测，确定本次冲击产生的分层区域的长度和宽度，根据制备预埋分层缺陷的长度和宽度和本次冲击分层区域的长度和宽度，确定激光冲击重叠率和冲击路径，然后，保持激光的参数不变，根据激光冲击重叠率和冲击路径对复合材料层合板的表面依次进行后续冲击，直至完成所需区域的冲击，这样能提高制作位置的准确性，保证得到的预埋分层缺陷符合预期要求。

更具体的一个例子中，参考图4，图4为黑色吸收层的尺寸和粘贴位置示意图，上述根据预埋分层缺陷的长度和宽度确定黑色吸收层的长度和宽度可以具体为：当预埋分层缺陷的长度为a、宽度为b时，确定黑色吸收层的长度m＝a+2d，宽度n＝b+2d，其中d为激光的方形光斑边长。

下面以多个具体情况的例子对上述方法进行说明：

(1)根据需要制备预埋分层缺陷复合材料层合板的厚度w选择方形激光光斑边长d，例如d＝w～2w，根据需要制备预埋分层缺陷在复合材料层合板厚度方向的位置确定延迟激光束和延迟时间。

其中，延迟激光束和延迟时间的确定方法：

当复合材料层合板的中面落在复合材料层合板界面内(即复合材料层合板铺层的数量为偶数)时：

如需要制备的预埋分层缺陷位置在复合材料层合板的中面处，参考图5，图5为制备的预埋分层缺陷位置在复合材料层合板的中面处的示意图，第一激光束和第二激光束同时对复合材料层合板进行冲击，延迟时间ΔT＝0；

如需要制备的预埋分层缺陷位置在复合材料层合板中面的左侧距离中面n_l层处，参考图6，图6为制备的预埋分层缺陷位置在复合材料层合板中面的左侧距离中面n_l层处的示意图，需要延迟的为第二激光束，延迟时间ΔT为：

如需要制备的预埋分层缺陷位置在复合材料层合板中面的右侧距离中面n_r层处，参考图7，图7为制备的预埋分层缺陷位置在复合材料层合板中面的右侧距离中面n_r层处的示意图，需要延迟冲击的为第一激光束，延迟时间ΔT为：

当复合材料层合板的中面落在复合材料层合板铺层内(即复合材料层合板铺层的数量为奇数)时：

如需要制备的预埋分层缺陷位置在复合材料层合板中面的左侧距离中面n_l层处，则需要延迟冲击的为第二激光束，延迟时间ΔT为：

如需要制备的预埋分层缺陷位置在复合材料层合板中面的右侧距离中面n_r层处，则需要延迟冲击的为第一激光束，延迟时间ΔT为：

其中，H_p为复合材料层合板铺层厚度；H_i为复合材料层合板界面厚度；C_p为冲击波在复合材料层合板铺层中的传播速度；C_i为冲击波在复合材料层合板界面中的传播速度。

(2)根据需要制备预埋分层缺陷的长度a和宽度b确定第一黑色吸收层和第二黑色吸收层的长度m(m＝a+2d)和宽度n(n＝b+2d)，根据需要制备预埋分层缺陷在复合材料层合板分层面的位置确定第一黑色吸收层和第二黑色吸收层在复合材料层合板两表面的粘贴位置，根据复合材料层合板界面的动态断裂强度选择合适的激光脉冲能量(所设激光能量产生的第一冲击波和第二冲击波在经层合板表面反射后叠加的拉应力波的强度需大于复合材料层合板界面的动态断裂强度，使层合板在进行激光冲击后可在界面处产生层裂)。

(2)在复合材料层合板两个表面粘贴第一黑色吸收层和第二黑色吸收层，对第一激光器和第二激光器的脉冲能量进行设定。

(3)在第一黑色吸收层和第二黑色吸收层的表面分别制作第一透明约束层和第二透明约束层，根据上面步骤确定的延迟激光束和延迟时间ΔT，对复合材料层合板两个表面的起始点进行一次激光冲击，然后去掉第一透明约束层和第二透明约束层(可以但不限于为停止施加第一水流层和第二水流层)，对冲击后的区域进行检测，确定本次冲击产生的分层区域的长度和宽度，根据制备预埋分层缺陷的长度和宽度大小和本次冲击分层区域的长度和宽度大小，确定激光冲击的横向重叠率η_x和纵向重叠率η_y及其冲击路径，参考图3，图3为激光冲击重叠度及冲击路径示意图。

(4)保持激光束各参数不变，在第一黑色吸收层和第二黑色吸收层的表面分别制作第一透明约束层和第二透明约束层，根据上述步骤确定的激光冲击重叠率及其冲击路径对复合材料两表面依次进行后续冲击，直至完成所需冲击区域后停止激光器，去除第一黑色吸收层、第二黑色吸收层、第一透明约束层和第二透明约束层，即可获得所需制备的预埋分层缺陷。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种制备复合材料层合板预埋分层缺陷的方法，其特征在于，包括：

根据复合材料层合板的厚度和预埋分层缺陷的位置确定出激光的参数；

根据所述预埋分层缺陷的位置、长度和宽度确定黑色吸收层的位置、长度和宽度，将所述黑色吸收层粘贴在所述复合材料层合板两表面的相应位置；

在所述黑色吸收层的表面分别设置透明约束层；

利用具有所述参数的激光对所述复合材料层合板的两个表面依次进行冲击，直至完成所需冲击区域的冲击。

2.根据权利要求1所述的制备复合材料层合板预埋分层缺陷的方法，其特征在于，所述根据复合材料层合板的厚度和预埋分层缺陷的位置、长度和宽度确定出激光的参数包括：

根据复合材料层合板的厚度确定出激光的方形光斑边长，根据预埋分层缺陷的位置确定延迟激光束和延迟时间。

3.根据权利要求1所述的制备复合材料层合板预埋分层缺陷的方法，其特征在于，所述黑色吸收层为黑色胶带层。

4.根据权利要求1所述的制备复合材料层合板预埋分层缺陷的方法，其特征在于，所述透明约束层为水流层。

5.根据权利要求1-4任一项所述的制备复合材料层合板预埋分层缺陷的方法，其特征在于，所述利用具有所述参数的激光对所述复合材料层合板的两个表面依次进行冲击，直至完成所需冲击区域的冲击包括：

对复合材料层合板两个表面的起始位置进行一次激光冲击，对冲击后的区域进行检测，确定本次冲击产生的分层区域的长度和宽度，根据制备预埋分层缺陷的长度和宽度和本次冲击分层区域的长度和宽度，确定激光冲击重叠率和冲击路径；

保持激光的参数不变，根据所述激光冲击重叠率和所述冲击路径对所述复合材料层合板的表面依次进行后续冲击，直至完成所需区域的冲击。

6.根据权利要求2所述的制备复合材料层合板预埋分层缺陷的方法，其特征在于，所述根据所述预埋分层缺陷的长度和宽度确定黑色吸收层的长度和宽度为：

当所述预埋分层缺陷的长度为a、宽度为b时，确定黑色吸收层的长度m＝a+2d，宽度n＝b+2d，其中d为激光的方形光斑边长。