CN115648670A - 一种基于韧性表层设计的复合材料损伤修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明专利公开了一种基于韧性表层设计的复合材料损伤修复方法，具体涉及复合材料损伤修复方法的技术领域。包括如下步骤：S1、表面处理；S2、韧性层设计；S3、贴补修复。采用本发明技术方案解决了现有复合材料的修复方法在胶接的应力集中区，由于较大的剥离应力和剪切应力，容易使复合材料表面发生分层破坏而提前失效的问题，可用于提高复合材料修复的修复效率。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料损伤修复方法的技术领域，特别涉及一种基于韧性表层设计的复合材料损伤修复方法。
背景技术
复合材料在受到撞击或是碰撞后会产生凹痕或穿孔，对于构件局部损伤的修复，现有技术常采用相同材质的板材进行贴附，从而到达对凹痕或穿孔的处理，但该方法往往修复效果不好，在贴附的胶层中，复合材料中的应力峰值出现在搭接区端部的复合材料表层。复合材料常用基体的韧性较低，在胶接的应力集中区容易发生分层破坏，从而使胶接副从此处破坏而造成修复材料补片提早脱落的问题，并未完全发挥胶层和补片的性能；得到的修复效果较差。
复合材料胶接连接中，复合材料的分层破坏经常导致接头的提前破坏，降低了连接强度。通过提高被粘接物Z向的韧性和剪切韧性是降低复合材料被粘接物对Z向拉伸载荷和剪切载荷敏感性的一种简单方法。
发明内容
本发明意在提供一种基于韧性表层设计的复合材料损伤修复方法，解决了现有复合材料的修复方法易在修补处产生复合材料的分层破坏经常导致接头的提前破坏，降低连接强度的问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于韧性表层设计的复合材料损伤修复方法，包括如下步骤：
S1、表面处理：
用砂纸对损伤的复合材料构件进行轻微打磨，清除表面树脂，对打磨过的复合材料粘接部位采用丙酮进行擦拭，在施工前应保证表面无油污、粉尘或其他污染物；
S2、韧性层设计
将韧性基体和增强材料制成韧性层；将韧性层贴附在被修复的结构的表面形成韧性层；
S3、贴补修复
采用真空袋压的工艺制作好需要贴补的补片。将提前预制的补片的表面按照S1的步骤进行处理，然后再将补片贴补到制作了韧性层的修复区域，最后加压加温使胶黏剂固化，实现贴补修复。
进一步的，所述韧性基体为韧性的胶黏剂。
通过上述设置，韧性胶黏剂获取方式广，工艺操作性好，在实际修复中有较大的优势。另外，胶粘剂的韧性高，制成的韧性层的厚度比较薄而且面积大于补片。比较薄的目的在于韧性层的边缘不至于产生较大的应力集中，从而避免韧性层边缘发生被修复件的分层破坏；面积大于补片的目的在于韧性层能完全覆盖补片边缘的应力集中区，使得补片应力集中产生的影响被韧性层所缓解，避免被修复件发生分层破坏。
进一步的，所述增强材料采用纤维预浸料。
通过上述设置，增强材料从构型上是纤维状，从尺寸上可以是微米级。通过改变裂纹扩展路径、纤维拔出、桥联等机制，阻碍复合材料层间的破坏，提高其断裂韧性。
进一步的，所述韧性层的制作方法采用手工铺贴的方法。
通过上述设置，手工铺贴的可操作性高，适用范围广，基本能够适合所有的贴补修复。
进一步的，在贴补修复时采用分步固化工艺。
通过上述设置，提前将预浸料制成的补片固化，然后与韧性层进行共固化。如此可以避免韧性胶与补片中的树脂相互扩散发生其他反应，生成异质导致性能下降。
进一步的，所述分布固化工艺采用机械加压加热固化或通过真空袋压、热压罐工艺进行加压加热固化。
通过上述设置，分步固化是先提前固化好的补片与韧性层进行粘接，固化实现贴补修复。
与现有技术相比，本方案的有益效果：
1、本方案中韧性层的设计可以显著的增加被粘接物的Z向和剪切韧性，改善复合材料在受到剪切应力和剥离应力时表面的破坏模式，避免复合材料表层发生分层破坏，从而降低粘接的强度。在受到拉伸载荷时，胶层中的应力集中不会使被修复的复合材料表面发生分层破坏，能有效抑制复合材料的分层破坏，充分发挥补片材料和胶黏剂的性能，显著提高搭接的强度。
2、本方案增加韧性层设计后，单面贴补修复时接头处的破坏未出现被修复复合材料分层和韧性层-被修复复合材料界面破坏的现象，发生的是胶层的内聚破坏和贴补材料破坏两种破坏模式，从而提高胶接的强度。
3、本方案中韧性层的设计可以提高贴补修复的效果，从而使复合材料修复更加方便快捷，相比挖补修复、双面贴补修复、整体更换等修复方法，加快了修复的速度，降低了修复的成本。
4、本方案中韧性层的设计可以适合任意形状的表面，韧性层的增强材料和基体材料的选择范围较广，在修复时普适性更好，可以修复的对象更加多。
附图说明
图1是实施例中一种基于韧性表层设计的复合材料损伤修复方法的流程图；
图2是实施例中一种基于韧性层设计的复合材料损伤修复后试样的实物图；
图3是实施例中增加韧性层与未增加韧性层贴补修复后试样的拉伸性能对比图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例
如附图1所示：一种基于韧性表层设计的复合材料损伤修复方法，包括如下步骤：
S1、表面处理：
将损伤的复合材料构件表面进行处理，处理的方法是采用砂纸打磨和丙酮清洗。砂纸打磨不仅可以清除损伤的复合材料构件的纤维毛刺，还可以提高被粘接物表面的粗糙度，在胶粘剂润湿良好的情况下，可以增加胶粘剂与被粘接物的接触面积，并在胶层和被粘接物之间产生一定的机械互锁作用，从而提高胶接强度增加复合材料表面的粗糙度，提高粘接时的粘接强度。丙酮清洗可以去除砂纸打磨后的复合材料表面的灰尘和油污。具体的方法是用320#的砂纸进行轻微打磨(使用压板将砂纸平附与试样表面，沿损伤复合材料粘接区域表层纤维的±45°进行打磨)，清除表面树脂层(打磨至黄色或者青色粉末消失，少量黑色粉末出现为止)，打磨不能损伤基材。
对打磨过的复合材料构件粘接部位采用丙酮进行擦拭，最后一次清洗用的丙酮和棉布应为洁净的，棉布表面上的丙酮不允许挥发干燥。允许室温静置4小时以上自然挥发或在80℃±5℃保温30分钟条件下加速挥发，且在施工前应保证表面无油污、粉尘或其他污染物。
检验采用洁净的滤纸在待涂胶表面往复擦拭4～6次，目视检查滤纸上无明显黑迹及明显粘附物，便可视为已经完成复合材料损伤区域的表面处理。
S2、韧性层设计
韧性层的制作方法采用手工铺贴的方法：将韧性胶和单向碳纤维预浸料复合，本实施例中韧性胶采用黑龙江省科学院石油化工研究院研制的J-421韧性胶，单向碳纤维预浸料采用威海光威复合材料股份有限公司生产的USN05400预浸料，制成一层由碳纤维增强韧性基体的韧性层。将韧性层贴附在被修复的结构的表面增强其表面的韧性。
在S1步骤中处理好的试样表面上先薄涂一层胶黏剂J-421，然后再将一层单向碳纤维预浸料铺贴在胶黏剂上，保证预单向碳纤维预浸料铺贴平整且无气泡；之后在单向碳纤维预浸料上薄涂一层胶黏剂J-421，形成碳纤维增强的韧性层。
S3、贴补修复
在S1、S2的基础上，采用分步固化工艺进行贴补修复，分步固化工艺可以采用机械加压加热固化或通过真空袋压、热压罐工艺进行加压加热固化，本实施例中采用真空袋压的工艺制作好需要贴补的补片。将提前预制的补片(1～8层)的贴补表面按照S1的步骤进行处理，然后再将补片贴补到制作了韧性层的修复区域。将补片调整到正确位置后压实压平。然后再用真空袋压的工艺在120℃下保温2h使胶黏剂固化，实现贴补修复。增加了韧性层的贴补修复的试样的实物如图2所示。
图3是本实例中增加了韧性层与未增加韧性层的贴补修复后试样拉伸性能对比图，由图可知对于拉伸性能，增加韧性层之后贴补修复的效率得到了很大的提高，普遍提高了20％，使修复的试样的拉伸性能得到了很大的恢复，使得修复的意义更为显著。
以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (6)
1.一种基于韧性表层设计的复合材料损伤修复方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、表面处理：
用砂纸对损伤的复合材料构件进行轻微打磨，清除表面树脂，对打磨过的复合材料粘接部位采用丙酮进行擦拭，在施工前应保证表面无油污、粉尘或其他污染物；
S2、韧性层设计
将韧性基体和增强材料制成韧性层；将韧性层贴附在被修复的结构的表面形成韧性层；
S3、贴补修复
采用真空袋压的工艺制作好需要贴补的补片。将提前预制的补片的表面按照S1的步骤进行处理，然后贴补到制作了韧性层的修复区域，最后加压加温使胶黏剂固化，实现贴补修复。
2.根据权利要求1所述的一种基于韧性表层设计的复合材料损伤修复方法，其特征在于：所述韧性基体为韧性的胶黏剂。
3.根据权利要求1所述的一种基于韧性表层设计的复合材料损伤修复方法，其特征在于：所述增强材料采用纤维预浸料。
4.根据权利要求1所述的一种基于韧性表层设计的复合材料损伤修复方法，其特征在于：所述韧性层的制作方法采用手工铺贴的方法。
5.根据权利要求1所述的一种基于韧性表层设计的复合材料损伤修复方法，其特征在于：在贴补修复时采用分步固化工艺。
6.根据权利要求5所述的一种基于韧性表层设计的复合材料损伤修复方法，其特征在于：所述分步固化工艺采用机械加压加热固化或通过真空袋压、热压罐工艺进行加压加热固化。
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