利用超声波‑热原位修补热塑性复合材料缺陷的方法与流程

本发明涉及热塑性材料的修补方法领域，具体涉及一种利用超声波-热原位修补热塑性复合材料缺陷的方法。

背景技术：

热塑性复合材料具有很多独特的优点，如韧性高、抗冲击性能好、耐腐蚀性好，材料利用率高，无贮存时间限制，可重复加工等。近年来，热塑性复合材料已经在汽车、电子、电器、医药、建材、装饰材料等行业得到了广泛的应用，但在长时间使用过程中或对于特殊结构，热塑性复合材料结构局部区域可能发生分层、裂纹、断裂等缺陷；但由于热塑形复合材料结构多采用一体成型工艺，整体结构替换将造成巨大的损失和浪费，因此急需寻求一种复合材料局部修补的方法来大幅提高结构使用寿命，降低使用成本。复合材料结构修补的基本目的是在最短时间内用最少的花费使复合材料结构恢复完整性，修补所用材料应与原结构的强度和刚性相匹配，同时尽可能不增加材料的重量。目前对于热塑性复合材料的修补按修补填充材料主要可分为原料熔接和胶接两种。

原料熔接法目前可采用磁感应法，超声焊接法，旋转振动焊接法和惰性气体下的焊接法。此类方法由于修复点与原本材料一致，所有化学性质、热性质均保持不变，从而所获得的结合点普遍具有极好的机械性能, 结点质量高。此法的另一优点是, 热源只使最接近热载体表面的材料融熔, 而不会使待修复结构变形。

磁-热感应法是用一个或多个铁磁线圈感应出强磁场。此方法应用范围较广，但由于感应加热范围的限制，对特殊复杂结构的局部修补存在很大困难；其次，此方法需在修补界面间放置钢片，对于厚度较薄或缺陷位置不规则的区域很难实现钢片的放置；再次，对于非断裂缺陷，运用此方法可能存在由于无法两侧加压，从而无法修补的问题。

超声焊接法是利用振动的焊接头将机械能转化成热能,此方法适用于对由冲击造成的缺陷进行补钉型修补。目前已有手提式焊接工具，修补过程简单快捷。但是，该法目前还不能对对接缺陷进行修复如裂纹，断裂等。

旋转振动法为利用旋转振动在待修补界面上将机械能转化为热能，该方法可实现断裂型对接缺陷的修复，但对于非完全断裂的局部裂纹无法实现修补。

胶接法是较为常用的热塑性复合材料局部修补技术，主要为通过胶接、铺层、加压固化等过程使零件恢复原来的设计要求及外形一般包括注射、补片和换芯修补等。

填充主要针对复合材料边缘开胶、分层及孔洞等损伤或缺陷，修补所用工具设备较简单，甚至室温下即可进行修补，但其对高强度、高应力要求区域不能使用。贴补法则是在损伤结构的外部通过胶接来固定一个外部贴补片来恢复结构强度、刚性及设计要求，但这种方法会破坏材料的外形，对外形精度要求不高的零件可以使用。

中国专利CN102922834A公开了一种热塑性复合材料开孔制件的补强片设计及补强方法，采用与开孔部位形状大小相匹配的径向纤维轨迹层合环向纤维轨迹层的补强片对开孔制件进行补强。中国专利CN102935721A公开了一种纤维复合材料开孔制件的补强片设计及补强方法。挖补法则是一种应用范围最广的修补方法，但对操作者和外部条件的要求也更高，首先需要去除缺陷或损伤的部位，再采用斜接法或阶梯法进行填补，固化过程需要对整体结构在真空环境中加温加压以保证产品质量与外形恢复。总而言之，对于胶接法对复合材料进行修复仍存在固化时间长、工艺过程复杂、与原材料相容性差等问题。中国专利CN103770346A公开了一种热塑性蜂窝板的修复方法，主要修补步骤包括，定位，锯切，填补，烫平。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供了一种利用超声波的声学效应对不同结构复合材料的缺陷进行微创修复的利用超声波-热原位修补热塑性复合材料缺陷的方法。

本发明采取的技术方案是：一种利用超声波-热原位修补热塑性复合材料缺陷的方法，包括如下三种修复方法及其修补步骤

一、局部分层缺陷的修复

步骤1：对待修复复合材料分层位置进行检测，确定分层位置；对复合材料分层区两侧进行钻孔，孔隙直径范围为200-3000μm，制造出开放型缺陷模式；配制与原复合材料成分完全相同的树脂胶备用；

步骤2：利用超声-热复合系统将树备用脂胶加热至可流动状态，为树脂熔融温度以上0～50℃，置于预制孔处；利用超声工具在预制孔旁施加超声振动，超声振幅3-40μm，超声频率20-80kHz；在超声作用下具有流动性的树脂胶沿孔隙填入分层区，持续超声至树脂由另一侧孔隙流出；继续施加超声5～60s，停止超声，树脂填充过程结束，树脂可在超声作用下完全填满整个分层区；

步骤3：对修补区进行固化处理，固化前期采用断续施加超声振动以增强层间结合能力，超声间隔为1～30s,施加时间为1～2min，超声振幅为3～40μm，超声频率20-80kHz；

二、孔边分层缺陷的修复

步骤1：利用超声-热复合系统将树脂胶加热至可流动状态，为树脂熔融温度以上0～50℃放置于孔边分层区表面；此时利用超声工具施加超声振动，超声振幅3-40μm，超声频率20-80kHz；在超声作用下具有流动性的树脂胶填入分层区，持续超声至树脂不再填入，继续施加超声5～60s，停止超声，树脂填充过程结束，树脂可在超声作用下完全填满整个分层区；

步骤2：对修补区进行固化处理，固化前期采用断续施加超声振动以增强层间结合能力超声间隔为1～30s,施加时间为1～2min，超声振幅为3～40μm，超声频率20-80kHz。固化后采用机械方法除去多余树脂胶；

三、夹层结构复合材料承载层裂纹及破损的修复

步骤1：将与待修复热塑性材料同质或异质的树脂制备为相同颜色及状态，且直径为0.5～3mm的丝状，作为修补填充材料；将超声-热系统加热至树脂材料熔化温度以上0～150℃；将丝状填充材料置于待修复位置，利用超声工具将丝状填充材料加热熔化；施加超声振动，超声振幅3-40μm，超声频率20-80kHz，熔化的填充材料可在超声作用下迅速填充至待修复裂纹及破损区域内，与原结构材料发生结合；持续超声作用，使填充材料与原母材良好结合，并利用超声工具对修复区表面进行碾压，使表面平整；

步骤2：对填料后的表面进行表面处理，使修复表面恢复原有形貌，使修复后表面实现90%以上的还原。

作为一种优选的技术方案：所述的超声工具包括温度传感器、超声工具头、不锈钢保护罩及散热孔、加热器、压电陶瓷、声极变幅杆以及冷却空气及电缆入口；所述温度传感器置于超声工具的前端，温度传感器的前端外侧设有超声工具头，后端穿过不锈钢保护罩及散热孔接有声极变幅杆，且温度传感器两侧设有加热器；声极变幅杆另一端接有压电陶瓷，压电陶瓷与外侧冷却空气及电缆入口相接；所述的超声工具可输出频率为20～80kHz，振幅为3～40μm。

作为一种优选的技术方案：所述的利用超声波-热原位修补热塑性复合材料缺陷的方法除适用于热塑性复合材料外，同样适用于热塑性材料。

本发明的有益效果是：（1）利用超声波诱导填缝的作用可实现内部局部分层缺陷的微创修复，修复过程不需要对破损区域进行挖除，修复后原结构基本不发生变化，最大程度上维持原结构的使用性能；（2）超声波可促进材料的流动性及润湿性，对于粘性较大的树脂材料作用更加明显，因此可降低修补温度，提高结合强度，避免材料的过热氧化等问题；（3）修复过程在大气环境下进行，设备灵活，小巧，工艺过程简单；（4）一次填料时间仅需30～60s，可大大提高修补效率。

附图说明

图1为本发明提出的利用超声波-热原位修补局部分层缺陷的过程示意图；

图2为本发明提出的利用超声波-热原位修补孔边分层缺陷的过程示意图；

图3为本发明提出的利用超声波-热原位修补承载层裂纹及破损缺陷的过程示意图；

图4为本发明使用的超声工具结构示意图；

图中：1温度传感器、2超声工具头、3不锈钢保护罩及散热孔、4加热器、5压电陶瓷、6声极变幅杆、7冷却空气及电缆入口、a超声工具、b树脂胶、c预制孔、d纤维层、e分层区、f树脂层、g树脂丝、h泡沫树脂层、j树脂承载层。

具体实施方式

为了进一步说明本发明，下面结合附图及实施例对本发明进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

参考附图，一种利用超声波-热原位修补热塑性复合材料缺陷的方法，包括如下三种修复方法及其修补步骤

局部分层缺陷的修复

步骤1：对待修复复合材料分层位置进行检测，确定分层位置；对复合材料分层区两侧进行钻孔，孔隙直径范围为200-3000μm，制造出开放型缺陷模式；配制与原复合材料成分完全相同的树脂胶备用；

步骤2：利用超声-热复合系统将树备用脂胶加热至可流动状态，为树脂熔融温度以上0～50℃，置于预制孔处；利用超声工具在预制孔旁施加超声振动，超声振幅3-40μm，超声频率20-80kHz；在超声作用下具有流动性的树脂胶沿孔隙填入分层区，持续超声至树脂由另一侧孔隙流出；继续施加超声5～60s，停止超声，树脂填充过程结束，树脂可在超声作用下完全填满整个分层区；

步骤3：对修补区进行固化处理，固化前期采用断续施加超声振动以增强层间结合能力，超声间隔为1～30s,施加时间为1～2min，超声振幅为3～40μm，超声频率20-80kHz；

孔边分层缺陷的修复

步骤1：利用超声-热复合系统将树脂胶加热至可流动状态，为树脂熔融温度以上0～50℃放置于孔边分层区表面；此时利用超声工具施加超声振动，超声振幅3-40μm，超声频率20-80kHz；在超声作用下具有流动性的树脂胶填入分层区，持续超声至树脂不再填入，继续施加超声5～60s，停止超声，树脂填充过程结束，树脂可在超声作用下完全填满整个分层区；

步骤2：对修补区进行固化处理，固化前期采用断续施加超声振动以增强层间结合能力超声间隔为1～30s,施加时间为1～2min，超声振幅为3～40μm，超声频率20-80kHz。固化后采用机械方法除去多余树脂胶；

夹层结构复合材料承载层裂纹及破损的修复

步骤1：将与待修复热塑性材料同质或异质的树脂制备为相同颜色及状态，且直径为0.5～3mm的丝状，作为修补填充材料；将超声-热系统加热至树脂材料熔化温度以上0～150℃；将丝状填充材料置于待修复位置，利用超声工具将丝状填充材料加热熔化；施加超声振动，超声振幅3-40μm，超声频率20-80kHz，熔化的填充材料可在超声作用下迅速填充至待修复裂纹及破损区域内，与原结构材料发生结合；持续超声作用，使填充材料与原母材良好结合，并利用超声工具对修复区表面进行碾压，使表面平整；

步骤2：对填料后的表面进行表面处理，使修复表面恢复原有形貌，使修复后表面实现90%以上的还原。

所述的超声工具包括温度传感器1、超声工具头2、不锈钢保护罩及散热孔3、加热器4、压电陶瓷5、声极变幅杆6以及冷却空气及电缆入口7；所述温度传感器1置于超声工具的前端，温度传感器1的前端外侧设有超声工具头2，后端穿过不锈钢保护罩及散热孔3接有声极变幅杆6，且温度传感器1两侧设有加热器4；声极变幅杆6另一端接有压电陶瓷5，压电陶瓷5与外侧冷却空气及电缆入口7相接；所述的超声工具可输出频率为20～80kHz，振幅为3～40μm。

所述的利用超声波-热原位修补热塑性复合材料缺陷的方法除适用于热塑性复合材料外，同样适用于热塑性材料。

参考附图1到附图4对本发明的具体实施例进行详细列述：

具体实施例1：本实施例的一种利用超声波-热原位修补热塑性复合材料局部分层缺陷的方法按以下步骤实现的

步骤1：采用热塑性复合材料为碳纤维增强环氧树脂层合复合材料；采用预制分层缺陷的方式，将分层布置于表面第5层处，分层长度为15mm；采用复合材料专用加工钻头对分层区两侧进行钻孔，孔隙直径200μm，制造出开放型缺陷模式。配置与原复合材料成分完全相同的树脂胶备用，树脂胶为环氧树脂与稀释剂及固化剂的混合胶体；

步骤2：在室温下将具有一定粘度的流态树脂胶至于预制孔处；此时利用超声工具施加超声振动，超声振幅为3μm，超声频率为20kHz,在超声作用下具有流动性的树脂胶沿孔隙填入分层区，持续超声至树脂由另一侧孔隙流出，继续施加超声5s；停止超声，树脂填充过程结束，树脂可在超声作用下完全填满整个分层区；

步骤3：对修补区采用局部电磁加热加压的方式在110℃进行固化处理，固化温度时间为1h。固化前期采用断续施加超声振动以增强层间结合能力超声间隔为30s,施加时间为30s，超声振幅为3μm，超声频率为20kHz。

具体实施例2：本实施例的一种利用超声波-热原位修补热塑性复合材料局部分层缺陷的方法按以下步骤实现的

步骤1：采用热塑性复合材料为碳纤维增强环氧树脂层合复合材料；采用预制分层缺陷的方式，将分层布置于表面第5层处，分层长度为15mm；采用复合材料专用加工钻头对分层区两侧进行钻孔，孔隙直径100μm，制造出开放型缺陷模式。配置与原复合材料成分完全相同的树脂胶备用，树脂胶为环氧树脂与稀释剂及固化剂的混合胶体；

步骤2：在室温下将具有一定粘度的流态树脂胶至于预制孔处；此时利用超声工具施加超声振动，超声振幅为10μm，超声频率为50kHz,在超声作用下具有流动性的树脂胶沿孔隙填入分层区，持续超声至树脂由另一侧孔隙流出，继续施加超声30s；停止超声，树脂填充过程结束，树脂可在超声作用下完全填满整个分层区；

步骤3：对修补区采用局部电磁加热加压的方式在110℃进行固化处理，固化温度时间为1h。固化前期采用断续施加超声振动以增强层间结合能力超声间隔为1s,施加时间为1s，超声振幅为10μm，超声频率为50kHz。

具体实施例3 ：本实施例的一种利用超声波-热原位修补热塑性复合材料局部分层缺陷的方法按以下步骤实现的

步骤1：采用热塑性复合材料为碳纤维增强环氧树脂层合复合材料；采用预制分层缺陷的方式，将分层布置于表面第5层处，分层长度为15mm；采用复合材料专用加工钻头对分层区两侧进行钻孔，孔隙直径3000μm，制造出开放型缺陷模式。配置与原复合材料成分完全相同的树脂胶备用，树脂胶为环氧树脂与稀释剂及固化剂的混合胶体；

步骤2：在室温下将具有一定粘度的流态树脂胶至于预制孔处；此时利用超声工具施加超声振动，超声振幅为40μm，超声频率为80kHz,在超声作用下具有流动性的树脂胶沿孔隙填入分层区，持续超声至树脂由另一侧孔隙流出，继续施加超声60s；停止超声，树脂填充过程结束，树脂可在超声作用下完全填满整个分层区；

步骤3：对修补区采用局部电磁加热加压的方式在110℃进行固化处理，固化温度时间为1h。固化前期采用断续施加超声振动以增强层间结合能力超声间隔为15s,施加时间为2min，超声振幅为40μm，超声频率为80kHz。

具体实施例4：本实施例的一种利用超声波-热原位修补热塑性复合材料孔边分层缺陷的方法按以下步骤实现的

步骤1：采用热塑性复合材料为碳纤维增强环氧树脂层合复合材料；采用直径为10mm复合材料专用钻头对复合材料进行钻孔，并对孔边层间进行剥离分层，分层周长10mm，分层深度5mm。配置与原复合材料成分完全相同的树脂胶备用，树脂胶为环氧树脂与稀释剂及固化剂的混合胶体，将树脂胶置于孔边分层区区域；此时里超声工具施加超声振动，超声振幅为3μm,超声频率为80kHz,在超声作用下具有流动性的树脂胶填入分层区，持续超声至树脂不再填入，继续施加超声30s；停止超声，树脂填充过程结束，树脂已在超声作用下完全填满整个分层区。

步骤2：对修补区采用局部电磁加热加压的方式进行固化处理，固化温度为110℃，固化时间1h,固化前期采用断续施加超声振动以增强层间结合能力超声间隔为30s,施加时间为30s，超声振幅为3μm, 超声频率为80kHz。

具体实施例5：本实施例的一种利用超声波-热原位修补热塑性复合材料孔边分层缺陷的方法按以下步骤实现的

步骤1：采用热塑性复合材料为碳纤维增强环氧树脂层合复合材料；采用直径为10mm复合材料专用钻头对复合材料进行钻孔，并对孔边层间进行剥离分层，分层周长10mm，分层深度5mm。配置与原复合材料成分完全相同的树脂胶备用，树脂胶为环氧树脂与稀释剂及固化剂的混合胶体，将树脂胶置于孔边分层区区域；此时里超声工具施加超声振动，超声振幅为10μm,超声频率为40kHz,在超声作用下具有流动性的树脂胶填入分层区，持续超声至树脂不再填入，继续施加超声5s；停止超声，树脂填充过程结束，树脂已在超声作用下完全填满整个分层区；

步骤2：对修补区采用局部电磁加热加压的方式进行固化处理，固化温度为110℃，固化时间1h,固化前期采用断续施加超声振动以增强层间结合能力超声间隔为1s,施加时间为15s，超声振幅为10μm, 超声频率为40kHz。

具体实施例6：本实施例的一种利用超声波-热原位修补热塑性复合材料孔边分层缺陷的方法按以下步骤实现的

步骤1：采用热塑性复合材料为碳纤维增强环氧树脂层合复合材料；采用直径为10mm复合材料专用钻头对复合材料进行钻孔，并对孔边层间进行剥离分层，分层周长10mm，分层深度5mm。配置与原复合材料成分完全相同的树脂胶备用，树脂胶为环氧树脂与稀释剂及固化剂的混合胶体，将树脂胶置于孔边分层区区域；此时里超声工具施加超声振动，超声振幅为40μm,超声频率为20kHz,在超声作用下具有流动性的树脂胶填入分层区，持续超声至树脂不再填入，继续施加超声60s；停止超声，树脂填充过程结束，树脂已在超声作用下完全填满整个分层区；

步骤2：对修补区采用局部电磁加热加压的方式进行固化处理，固化温度为110℃，固化时间1h,固化前期采用断续施加超声振动以增强层间结合能力超声间隔为20s,施加时间为1s，超声振幅为40μm, 超声频率为20kHz。

具体实施例7：本实施例的一种利用超声波-热原位修补热塑性复合材料承载层裂纹缺陷的方法按以下步骤实现的

采用的夹层结构为上下两层为PC树脂材料，中间层为泡沫树脂，PC树脂的熔融温度为220～230℃，330℃熔体流动速率为2.16g/min；

步骤1 ：将待修复热塑性材料同质的树脂制备为相同颜色及状态的直径为2mm丝状作为修补填充材料；将超声-热系统加热至330℃；将丝状填充材料至于待修复位置，利用工具头将丝状填充材料加热熔化；施加超声振动，超声振动频率为65kHz, 超声振幅为6μm，熔化的填充材料可在超声作用下迅速填充至待修复裂纹及破损区域内，与原结构材料发生结合，持续超声作用30s，使填充材料与原母材良好结合，并利用工具头对修复区表面进行碾压，使表面平整；

步骤2：利用微型机械处理装置对填料后表面进行表面处理，使修复表面回复原有形貌，使修复后表面实现90%以上还原。

具体实施例8：本实施例的一种利用超声波-热原位修补热塑性复合材料承载层裂纹缺陷的方法按以下步骤实现的

采用的夹层结构为上下两层为PC树脂材料，中间层为泡沫树脂，PC树脂的熔融温度为220～230℃，330℃熔体流动速率为2.16g/min；

步骤1 ：将待修复热塑性材料同质的树脂制备为相同颜色及状态的直径为0.5mm丝状作为修补填充材料；将超声-热系统加热至330℃；将丝状填充材料至于待修复位置，利用工具头将丝状填充材料加热熔化；施加超声振动，超声振动频率为80kHz, 超声振幅为3μm，熔化的填充材料可在超声作用下迅速填充至待修复裂纹及破损区域内，与原结构材料发生结合，持续超声作用30s，使填充材料与原母材良好结合，并利用工具头对修复区表面进行碾压，使表面平整；

步骤2：利用微型机械处理装置对填料后表面进行磨削处理，使修复表面回复原有形貌，使修复后表面实现90%以上还原。

具体实施例9：本实施例的一种利用超声波-热原位修补热塑性复合材料承载层裂纹缺陷的方法按以下步骤实现的

采用的夹层结构为上下两层为PC树脂材料，中间层为泡沫树脂，PC树脂的熔融温度为220～230℃，330℃熔体流动速率为2.16g/min；

步骤1 ：将待修复热塑性材料同质的树脂制备为相同颜色及状态的直径为3mm丝状作为修补填充材料；将超声-热系统加热至330℃；将丝状填充材料至于待修复位置，利用工具头将丝状填充材料加热熔化；施加超声振动，超声振动频率为20kHz, 超声振幅为40μm，熔化的填充材料可在超声作用下迅速填充至待修复裂纹及破损区域内，与原结构材料发生结合，持续超声作用30s，使填充材料与原母材良好结合，并利用工具头对修复区表面进行碾压，使表面平整；

步骤2：利用微型机械处理装置对填料后表面进行表面处理，使修复表面回复原有形貌，使修复后表面实现90%以上还原。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以补充阐释本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的广大技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者同等替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。