CN110435164A - 一种降低脆性材料开孔结构应力集中的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降低脆性材料开孔结构应力集中的方法，应用于脆性材料技术领域，采用局部粘贴高强度共形补片的方式，首先对开孔部位进行表面预处理，然后涂刷底胶，随后将制备好的共形补片粘贴于带孔结构周围并在补片表面及边缘涂刷面胶，最后将其置于真空环境中固化。
Description
技术领域
本发明涉及脆性材料技术领域，具体的说，是一种降低脆性材料开孔结构 应力集中的方法。
背景技术
为满足某些特定的功能需求，脆性材料往往会设计一些开孔结构。在外加 载荷作用下，开孔结构易出现应力集中效应，进而引发裂纹的萌生。由于材料 本身的脆性特征，裂纹萌生后将迅速扩展，使结构在低载荷下发生失效，从而 严重影响其功能完整性，缩短其使用寿命。因此，降低开孔结构的应力集中， 提高其承载能力，对于维持脆性材料的结构、功能完整性具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种降低脆性材料开孔结构应力集中的方法，用 于解决现有技术中材料本身的脆性特征，裂纹萌生后将迅速扩展，使结构在低 载荷下发生失效，从而严重影响其功能完整性，缩短其使用寿命的问题。
本发明通过下述技术方案解决上述问题：
一种降低脆性材料开孔结构应力集中的方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：将开孔部位的表面用无水乙醇轻轻擦拭，去除表面污垢及粉尘；
步骤2：按比例将面胶树脂主剂与固化剂置于容器中搅拌均匀，将调配好的 面胶涂刷在PTFE板上，之后平铺剪裁好的碳纤维布，在碳纤维布表面再次涂刷 面胶后用第二块PTFE板覆盖，随后将裱好的碳纤维布连同上下两块PTFE板一 同放入真空袋中，抽取真空后静置待面胶固化得到碳纤维板，从碳纤维板上裁 取至少一块补片，在补片中心位置开与脆性材料中的开孔形状、尺寸相同的孔， 得到共形补片；
步骤3：按比例将底胶树脂主剂与固化剂置于容器中搅拌均匀，将调配好的 底胶均匀涂刷于脆性材料两侧的开孔周围，涂刷区域大小不小于补片尺寸，在 涂刷好底胶的部位覆盖PTFE薄膜，并用滚刷沿同一方向反复滚压去除气泡，然 后将脆性材料连同PTFE薄膜一同放入真空袋中，抽取真空后静置待底胶固化；
步骤4：按比例将面胶树脂主剂与固化剂置于容器中搅拌均匀，将调配好的 面胶均匀涂抹于脆性材料两侧的开孔周围，使之完全覆盖底胶，然后粘贴共形 补片，再用滚刷沿同一方向反复滚压，在粘好共形补片表面覆盖PTFE薄膜，将 结构连同PTFE薄膜一同放入真空袋中，抽取真空后静置待面胶固化；
步骤5：在共形补片的表面及其边缘涂刷面胶，随后在涂胶表面覆盖PTFE 薄膜，然后置于真空袋中抽取真空，静置待面胶完全固化。
优选地，所述方法还包括步骤6：将粘贴好补片的脆性材料取出于干燥通风 处静置12h，可以保证补片的粘贴质量。
优选地，所述共形补片为方形或圆形，其边长或直径大于开孔的2.5倍。
优选地，所述碳纤维布满足抗拉强度≥2000MPa、弹性模量≥150GPa，伸 长率≥1％。
优选地，所述的面胶树脂满足正拉粘接强度≥2.5MPa，抗拉强度≥30MPa， 抗压强度≥70MPa，剪切强度≥10MPa，抗弯强度≥40MPa。
优选地，所述的PTFE板表面应光滑平整，厚度不小于2mm，尺寸与碳纤 维布匹配且面积不小于碳纤维布。
优选地，所述的底胶树脂应满足正拉粘结强度≥2.5MPa。
优选地，所述步骤2-步骤5中抽取真空的真空度应大于-75kPa。
基于上述方法，可以得到一种降低脆性材料开孔结构应力集中的结构，包 括开孔的脆性材料，还包括依次设置在脆性材料的开孔两侧的底胶层、面胶层、 开孔与所述脆性材料上的开孔的形状和尺寸相同的共形补片和第二面胶层。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明通过在脆性材料带孔结构周围粘贴共形补片，可分担带孔部位 承受的载荷，提高结构的整体承载能力，降低开孔部位的应力集中。
(2)本发明通过滚筒挤压以及抽取真空去除胶中气泡的方式，可以很好的 提升补片与基体界面的粘接强度。
附图说明
图1是本发明实施例中材料开孔尺寸及修复后的结构侧面结构示意图；
图2是本发明实施例与对比例中两种试样的三点弯曲载荷-时间曲线；
图3是本发明实施例与对比例中两种试样孔边应变随孔距的变化曲线；
附图中标记：1-脆性材料；2-共形补片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限 于此。
实施例1：
结合附图1所示，一种降低脆性颗粒复合材料开孔结构应力集中的方法及 其结构，由于开孔的位置是具有多种可能的，本实施例的开孔为边缘开孔且开 孔的横截面为半圆形，具体步骤如下：
第一步：表面预处理，将开孔部位的表面用无水乙醇轻轻擦拭，去除表面 污垢及粉尘；
第二步：共形补片2制备，在PTFE板上涂刷面胶，将剪裁好的碳纤维布平 铺在PTFE板上，在碳纤维布表面再次涂刷面胶并用PTFE板覆盖。随后将裱好 的碳纤维布连同上下两块PTFE板一同放入真空袋中，抽取真空后静置待面胶固 化，抽取真空的真空度为-80kPa。从制好的碳纤维板上裁取一块边长为24mm的 正方形补片，用雕刻机在其中心位置打出一个Φ＝8mm的圆孔，再将补片对半剪 裁，获得形状、尺寸与脆性材料1开孔完全相同的补片即共形补片2；
第三步：涂刷底胶，按比例将底胶树脂主剂与固化剂置于容器中，搅拌均 匀，并根据环境温度严格控制使用时间。将调配好的底胶均匀涂刷于带孔结构 周围，涂刷区域大小与补片尺寸相同。在涂刷好底胶的结构表面覆盖PTFE薄膜， 并用滚刷沿同一方向反复滚压去除气泡，随后将结构连同PTFE薄膜一同放入真 空袋中，抽取真空后静置待底胶固化，抽取真空的真空度为-80kPa；
第四步：粘贴共形补片2，按比例将面胶树脂主剂与固化剂置于容器中，搅 拌均匀，并根据环境温度严格控制使用时间。将调配好的面胶均匀涂抹于带孔 结构周围，使之完全覆盖底胶。粘贴碳纤维补片，然后用滚刷沿同一方向反复 滚压。在粘好补片的表面覆盖PTFE薄膜，将结构连同PTFE薄膜一同放入真空 袋中，抽取真空后静置待面胶固化，抽取真空的真空度为-80kPa；
第五步：涂面胶，在补片的表面及其边缘涂刷面胶，随后在涂胶表面覆盖 PTFE薄膜，然后置于真空袋中抽取真空，静置待面胶完全固化，抽取真空的真 空度为-80kPa；
第六步：自然养护，将粘好的脆性材料1取出在干燥通风处静置12h，以保 证补片粘贴质量。
本实施例中所述共形补片2粘贴方式为双面粘贴，具体为将两片形状、大 小完全相同的开孔补片对称粘贴在带孔结构表面两侧，同时保证补片与结构的 开孔位置完全重合。
本实施例中，共形补片2为矩形，其边长为24*12mm，其长边和短边边长 均为半圆孔长径与短径的3倍。碳纤维布抗拉强度为3685MPa、弹性模量为 246GPa，伸长率为1.76％。面胶树脂正拉粘接强度为4.94MPa，抗拉强度为 41.6MPa，抗压强度为72.5MPa，剪切强度为15.4MPa，抗弯强度为54MPa。PTFE 板表面平整光滑，厚度为3mm。底胶树脂正拉粘结强度为3.86MPa。
将未粘贴补片的脆性颗粒复合材料开孔试样作为对比例。
利用材料试验机对上述两种试样进行三点弯曲测试，试样的载荷-时间曲线 如图2所示。利用DIC获得试样孔边应变随孔距的变化曲线，如图3所示。
可以直观的看出，粘贴补片后，孔边应变水平急剧降低，由此可知，碳纤 维补片对于降低开孔结构的应力集中起到了明显的作用。
实施例2
在实施例1的基础上，若开孔的横截面弧长大于半圆，应从碳纤维板上取 下两块补片，然后进行开孔得到共形补片2，按照开孔进行粘贴，完成之后进行 修剪；若开孔的横截面弧长小于半圆，则只需取一块补片，然后将补片裁剪成 与开孔相匹配的两块相同的共形补片2。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅 为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该 理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实 施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。
Claims (9)
1.一种降低脆性材料开孔结构应力集中的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1：将开孔部位的表面用无水乙醇轻轻擦拭，去除表面污垢及粉尘；
步骤2：按比例将面胶树脂主剂与固化剂置于容器中搅拌均匀，将调配好的面胶涂刷在PTFE板上，之后平铺剪裁好的碳纤维布，在碳纤维布表面再次涂刷面胶后用第二块PTFE板覆盖，随后将裱好的碳纤维布连同上下两块PTFE板一同放入真空袋中，抽取真空后静置待面胶固化得到碳纤维板，从碳纤维板上裁取至少一块补片，在补片中心位置开与脆性材料中的开孔形状、尺寸相同的孔，得到共形补片；
步骤3：按比例将底胶树脂主剂与固化剂置于容器中搅拌均匀，将调配好的底胶均匀涂刷于脆性材料两侧的开孔周围，涂刷区域大小不小于补片尺寸，在涂刷好底胶的部位覆盖PTFE薄膜，并用滚刷沿同一方向反复滚压去除气泡，然后将脆性材料连同PTFE薄膜一同放入真空袋中，抽取真空后静置待底胶固化；
步骤4：按比例将面胶树脂主剂与固化剂置于容器中搅拌均匀，将调配好的面胶均匀涂抹于脆性材料两侧的开孔周围，使之完全覆盖底胶，然后粘贴共形补片，再用滚刷沿同一方向反复滚压，在粘好共形补片表面覆盖PTFE薄膜，将结构连同PTFE薄膜一同放入真空袋中，抽取真空后静置待面胶固化；
步骤5：在共形补片的表面及其边缘涂刷面胶，随后在涂胶表面覆盖PTFE薄膜，然后置于真空袋中抽取真空，静置待面胶完全固化。
2.根据权利要求1所述的降低脆性材料开孔结构应力集中的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤6：将粘贴好补片的脆性材料取出于干燥通风处静置12h。
3.根据权利要求1所述的降低脆性材料开孔结构应力集中的方法，其特征在于，所述共形补片为方形或圆形，其边长或直径大于开孔的2.5倍。
4.根据权利要求1所述的降低脆性材料开孔结构应力集中的方法，其特征在于，所述碳纤维布满足抗拉强度≥2000MPa、弹性模量≥150GPa，伸长率≥1％。
5.根据权利要求1所述的降低脆性材料开孔结构应力集中的方法，其特征在于，所述的面胶树脂满足正拉粘接强度≥2.5MPa，抗拉强度≥30MPa，抗压强度≥70MPa，剪切强度≥10MPa，抗弯强度≥40MPa。
6.根据权利要求1所述的降低脆性材料开孔结构应力集中的方法，其特征在于，所述的PTFE板表面应光滑平整，厚度不小于2mm，尺寸与碳纤维布匹配且面积不小于碳纤维布。
7.根据权利要求1所述的降低脆性材料开孔结构应力集中的方法，其特征在于，所述的底胶树脂应满足正拉粘结强度≥2.5MPa。
8.根据权利要求1所述的降低脆性材料开孔结构应力集中的方法，其特征在于，所述步骤2-步骤5中抽取真空的真空度应大于-75kPa。
9.一种降低脆性材料开孔结构应力集中的结构，包括开孔的脆性材料，其特征在于：还包括依次设置在脆性材料的开孔两侧的底胶层、面胶层、开孔与所述脆性材料上的开孔的形状和尺寸相同的共形补片和第二面胶层。
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