CN114683587B - 一种碳纤维复合材料t型接头及其制作方法、修复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维复合材料T型接头及其制作方法、修复方法，具体涉及复合材料接头技术领域，制作方法是采用手工铺设碳纤维预浸料并混杂记忆合金丝，进行定型，再采用温度箱固化成型。由于记忆合金丝的超弹性使得损伤后的构件具有一定的恢复能力，在加入修复胶水高温修复时，记忆合金丝的记忆性会使得构件恢复至拉伸前的形状，并挤出多余的粘结胶水，通过该工艺修复后的碳纤维复合材料T型接头，其抗拉伸性能可以恢复至损伤前的80%‑90%。满足了实际修复的需求，缩短了修复周期，将构件替换式的维修方法变为修复式维修的维修方法，节约了维修成本。

Description

一种碳纤维复合材料T型接头及其制作方法、修复方法
技术领域
本发明涉及复合材料接头技术领域，具体为一种碳纤维复合材料T型接头及其制作方法、修复方法。
背景技术
碳纤维增强复合材料具有轻质高强、耐高温、耐久性好以及具有出色导电性的特点，被广泛的应用在航空航天、土木建筑等领域。随着制备工艺的成熟，材料性能的不断提升，复合材料的应用逐渐由装饰性、次承力构件向主承力构件过度。复合材料T型接头作为一种结构整体化单元，常被用于传递两垂直面间的载荷，如在翼盒中，将翼面气动力等传递给翼肋与翼梁腹板等，其主要承受拉伸、剪切、侧向弯曲及其组合载荷。其中拉伸载荷作用下的破坏是复合材料T型接头的一种重要破坏模式。
目前，国内外对于复合材料T型接头的设计以及其连接性能的研究已经取得了一些进展。复合材料结构发生分层等损伤后基体材料也由于破碎而损伤失效，进而导致复合材料结构承载力不能达到使用要求从而丧失服役能力，因此复合材料损伤后的修复一直是研究者重点关注的内容。由于复合材料T型接头的破坏过程涉及层合板损伤，接头凸缘与蒙皮间脱粘、纤维桥联，以及填充区开裂等，失效机理极为复杂。目前，复合材料损伤修复工艺主要有挖补法、胶接贴补法、机械连接修补法三种。其中挖补法和机械连接修补法施工工艺较为复杂并且会对材料造成进一步的损伤，而胶接贴补法需要外力进行紧固。T型接头在应用的过程中主要承受拉伸破坏，如何提高复合材料T型接头的抗拉伸性能以及破坏后的修复方法是个难题。
综上所述，我们提出一种碳纤维复合材料T型接头及其制作方法、修复方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳纤维复合材料T型接头及其制作方法、修复方法，以解决上述技术问题，通过添加形状记忆合金丝在其拉伸时可以更持久的维持增强作用，增强了碳纤维复合材料T型接头的抗拉伸性能，并利用记忆合金的超弹性和记忆性使得其在修复的过程中不需要外力进行紧固，简化了修复工艺，缩短了修复时间，提高了经济效益。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种碳纤维复合材料T型接头的制作方法，包括以下步骤：
步骤一：先铺设三个碳纤维预浸料层合体，三个碳纤维预浸料层合体由层数一致的碳纤维预浸料采用手工铺设的方式成型，将其中两个碳纤维预浸料层合体折叠成L型的垂直腹板，将另一个碳纤维预浸料层合体水平放置成形成下腹板，并在L型的垂直腹板的碳纤维预浸料层合体的中间添加记忆合金丝，将两个L型的垂直腹板和下腹板结合，制备出中间含有记忆合金丝的T型接头预成型体；
步骤二：在金属底座和L型金属压板上粘贴高温脱模布，金属底座和L型金属压板上均预制有可调节的螺栓孔，将中间含有记忆合金丝的T型接头预成型体放置在金属底座上，并根据T型接头预成型体的尺寸，在金属底座和L型金属压板的周围粘贴好耐高温的橡胶条，再将两个L型金属压板通过内六角螺栓和垫片与金属底座装配在一起，形成固化成型装置；
步骤三：将组合好的固化成型装置放入温度箱中并从室温升温至150℃，此时碳纤维预浸料中的树脂由于高温作用融化成液态，在固化成型装置预先施加的压力作用下，液态的树脂充分的填充到T型接头预成型体的间隙当中，橡胶条会阻止液化的树脂溢出，而后将固化成型装置温度维持在150℃下固化1h，待温度冷却至室温将固化成型装置取出，然后脱模，最终得到中间含有记忆合金丝的碳纤维复合材料T型接头。
进一步的：所述碳纤维预浸料层合体由碳纤维预浸料采用正交铺设方法成型，且碳纤维预浸料具体的铺层层数以及铺层尺寸要根据所需指标进行设计。
进一步的：所述记忆合金丝先铺设在L型的垂直腹板中的碳纤维预浸料的中间层，再从L型的垂直腹板的折叠处穿透至下腹板的碳纤维预浸料的中间层形成左右交替铺设。
一种碳纤维复合材料T型接头，采用上述方法制备得到。
一种碳纤维复合材料T型接头的修复方法，包括以下步骤：
步骤一：测量受拉伸破坏后试件出现裂缝的尺寸，并计算出所需修复胶水的用量；
步骤二：采用胶接贴补法将修复胶水注入到损伤裂缝处来对受拉伸破坏后的碳纤维复合材料T型接头进行修复；
步骤三：将注入修复胶水后的试件放入温度箱中进行固化修复；
步骤四：关闭电电源，待温度箱中的温度冷却至室温后取出试件，此时即完成碳纤维复合材料T型接头的修复作业。
进一步的：所述步骤一中修复胶水的用量，可以通过损伤后的裂缝发展长度l以及试件宽度b来求得损伤面积S=lb，同时可以测量出裂缝的平均损伤宽度t,进而可求得损伤后所需修复胶水的填充体积为V=St=lbt。
进一步的：所述步骤三中，温度箱的温度从室温升到150℃并保温1h，记忆合金丝有形状记忆效应，在破坏后加热可恢复成原来形状，挤压出修复用的多余的修复胶水，温度箱中的高温会使得注入的修复胶水保持液态并流动至整个所需修复空间中。
有益效果：
1.本发明的碳纤维复合材料T型接头成型工艺简单，通过在碳纤维预浸料间添加记忆合金丝，提高了碳纤维复合材料T型接头的抗拉性能和抗弯性能，通过记忆合金丝能够有效的使应力在L型的垂直腹板与下腹板之间相互传导，缓解了应力集中效应增强了碳纤维复合材料T型接头的抗拉性能，与普通试件相比抗拉强度提高了35%左右，在胶接贴补法修复的过程中由于记忆合金丝具有超弹性和记忆性能使得受损的试件具有一定的恢复能力，通过该工艺修复后的碳纤维复合材料T型接头其抗拉伸性能可以恢复至损伤前的80%-90%，不需要额外提供修复所需的压力，简化了修复工艺，提高了修复效率。
附图说明
图1为本发明的记忆合金丝添加方式的截面示意图；
图2为本发明中的T型接头预成型体的立体示意图；
图3为本发明中的固化成型装置的分解结构示意图；
图4为本发明的碳纤维复合材料T型接头损伤后修复过程中注入修复胶水的结构示意图；
图5为本发明中的碳纤维复合材料T型接头普通构件与添加记忆合金丝构件修复前后的拉伸位移接触力对比图。
图中：1、碳纤维预浸料；2、记忆合金丝；3、T型接头预成型体；4、橡胶条；5、金属底座；6、L型金属压板；7、垫片；8、高温脱模布；9、内六角螺栓；10、修复胶水；11、损伤裂缝。
具体实施方式
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。
本发明提供如下技术方案：
如图1-5所示，一种碳纤维复合材料T型接头的制作方法，包括以下步骤：
步骤一：先铺设三个碳纤维预浸料层合体，三个碳纤维预浸料层合体由层数一致的碳纤维预浸料1采用手工铺设的方式成型，将其中两个碳纤维预浸料层合体折叠成L型的垂直腹板，将另一个碳纤维预浸料层合体水平放置成形成下腹板，并在L型的垂直腹板的碳纤维预浸料层合体的中间添加记忆合金丝2，将两个L型的垂直腹板和下腹板结合，制备出中间含有记忆合金丝2的T型接头预成型体3；
碳纤维预浸料层合体由碳纤维预浸料1采用正交铺设方法成型，记忆合金丝2先铺设在L型的垂直腹板中的碳纤维预浸料1的中间层，再从L型的垂直腹板的折叠处穿透至下腹板的碳纤维预浸料1的中间层形成左右交替铺设，且碳纤维预浸料1具体的铺层层数以及铺层尺寸要根据所需指标进行设计，同时记忆合金丝2含量根据所需指标确定；
记忆合金丝2交替穿透铺设在碳纤维预浸料层合体中，由于此时的碳纤维预浸料层合体具有粘性并可折叠，将铺设好的两个碳纤维预浸料层合体折成L型对称粘结，再和平铺的碳纤维预浸料层合体粘结在一起形成中间含有记忆合金丝2的T型接头预成型体3；
步骤二：在金属底座5和L型金属压板6上粘贴高温脱模布8，金属底座5和L型金属压板6上均预制有可调节的螺栓孔，将中间含有记忆合金丝2的T型接头预成型体3放置在金属底座5上，并根据T型接头预成型体3的尺寸，在金属底座5和L型金属压板6的周围粘贴好耐高温的橡胶条4，再将两个L型金属压板6通过内六角螺栓9和垫片7与金属底座5装配在一起，形成固化成型装置；
其中步骤二中耐高温的橡胶条4的尺寸，根据T型接头预成型体3的尺寸来进行设计，其目的是为了防止高温成型过程中树脂溢出和T型接头预成型体3移动，同时金属底座5和L型金属压板6的螺栓孔均设计在构件的周围，连接时先根据T型接头预成型体3的位置进行手工固定再采用内六角螺栓9固定，并保持T型接头预成型体3四周的压力一致；
步骤三：将组合好的固化成型装置放入温度箱中并从室温升温至150℃，此时碳纤维预浸料1中的树脂由于高温作用融化成液态，在固化成型装置预先施加的压力作用下，液态的树脂充分的填充到T型接头预成型体3的间隙当中，橡胶条4会阻止液化的树脂溢出，而后将固化成型装置温度维持在150℃下固化1h，待温度冷却至室温将固化成型装置取出，然后脱模，最终得到中间含有记忆合金丝2的碳纤维复合材料T型接头。
一种碳纤维复合材料T型接头，采用上述方法制备得到。
一种碳纤维复合材料T型接头的修复方法，包括以下步骤：
步骤一：测量受拉伸破坏后试件出现裂缝的尺寸，并计算出所需修复胶水10的用量；
步骤一中修复胶水10的用量，可以通过损伤后的裂缝发展长度l以及试件宽度b来求得损伤面积S=lb，同时可以测量出裂缝的平均损伤宽度t,进而可求得损伤后所需修复胶水10的填充体积为V=St=lbt；
步骤二：采用胶接贴补法将修复胶水10注入到损伤裂缝11处来对受拉伸破坏后的碳纤维复合材料T型接头进行修复；
步骤三：将注入修复胶水10后的试件放入温度箱中进行固化修复；
步骤三中，温度箱的温度从室温升到150℃并保温1h，记忆合金丝2有形状记忆效应，在破坏后加热可恢复成原来形状，挤压出修复用的多余的修复胶水10，温度箱中的高温会使得注入的修复胶水10保持液态并流动至整个所需修复空间中；
步骤四：关闭电电源，待温度箱中的温度冷却至室温后取出试件，此时即完成碳纤维复合材料T型接头的修复作业。
在本发明中，碳纤维复合材料T型接头的制备成型的构件包括：碳纤维预浸料1、记忆合金丝2、T型接头预成型体3、橡胶条4、金属底座5、L型金属压板6、垫片7、高温脱模布8、内六角螺栓9，成型方法是采用手工碳纤维预浸料1并混杂记忆合金丝2，通过固化成型装置定型，再采用温度箱固化成型，成型后的T型接头预成型体，由于记忆合金丝2的超弹性使得其在拉伸时可以好的抵抗拉伸作用。同时，通过记忆合金丝2能够有效的使应力在L型的垂直腹板与下腹板之间相互传导，缓解了应力集中效应增强了碳纤维复合材料T型接头的抗拉性能，与普通试件相比抗拉强度提高了35%左右，由于记忆合金丝2的超弹性使得损伤后的碳纤维复合材料T型接头具有一定的恢复能力，在加入修复胶水10高温修复时，记忆合金丝2的记忆性会使得构件恢复至拉伸前的形状，并挤出多余的粘结胶水，通过该工艺修复后的碳纤维复合材料T型接头，其抗拉伸性能可以恢复至损伤前的80%-90%。满足了实际修复的需求，缩短了修复周期，将构件替换式的维修方法变为修复式维修的维修方法，节约了维修成本。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (4)

1.一种碳纤维复合材料T型接头的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：先铺设三个碳纤维预浸料层合体，三个碳纤维预浸料层合体由层数一致的碳纤维预浸料（1）采用手工铺设的方式成型，将其中两个碳纤维预浸料层合体折叠成L型的垂直腹板，将另一个碳纤维预浸料层合体水平放置成形成下腹板，并在L型的垂直腹板的碳纤维预浸料层合体的中间添加记忆合金丝（2），将两个L型的垂直腹板和下腹板结合，制备出中间含有记忆合金丝（2）的T型接头预成型体（3）；
步骤二：在金属底座（5）和L型金属压板（6）上粘贴高温脱模布（8），金属底座（5）和L型金属压板（6）上均预制有可调节的螺栓孔，将中间含有记忆合金丝（2）的T型接头预成型体（3）放置在金属底座（5）上，并根据T型接头预成型体（3）的尺寸，在金属底座（5）和L型金属压板（6）的周围粘贴好耐高温的橡胶条（4），再将两个L型金属压板（6）通过内六角螺栓（9）和垫片（7）与金属底座（5）装配在一起，形成固化成型装置；
步骤三：将组合好的固化成型装置放入温度箱中并从室温升温至150℃，此时碳纤维预浸料（1）中的树脂由于高温作用融化成液态，在固化成型装置预先施加的压力作用下，液态的树脂充分的填充到T型接头预成型体（3）的间隙当中，橡胶条（4）会阻止液化的树脂溢出，而后将固化成型装置温度维持在150℃下固化1h，待温度冷却至室温将固化成型装置取出，然后脱模，最终得到中间含有记忆合金丝（2）的碳纤维复合材料T型接头。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料T型接头的制作方法，其特征在于：所述碳纤维预浸料层合体由碳纤维预浸料（1）采用正交铺设方法成型，且碳纤维预浸料（1）具体的铺层层数以及铺层尺寸要根据所需指标进行设计。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料T型接头的制作方法，其特征在于：所述记忆合金丝（2）先铺设在L型的垂直腹板中的碳纤维预浸料（1）的中间层，再从L型的垂直腹板的折叠处穿透至下腹板的碳纤维预浸料（1）的中间层形成左右交替铺设。
4.一种碳纤维复合材料T型接头，其特征在于：采用权利要求1至3中任意一项方法制备得到。
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