一种纤维增强复合材料薄膜双轴向疲劳损伤粘接结构的制作方法

本发明属于柔性纤维增强复合材料蒙皮薄膜损伤修补技术领域，设计了一种纤维增强复合材料薄膜双轴向疲劳损伤粘接结构。当纤维增强复合材料薄膜在长周期应力疲劳工况下，出现疲劳裂纹损伤时，应用该薄膜双轴向疲劳损伤粘接结构可以对损伤裂纹区域进行缝合修补，可实现应力疲劳损伤处的裂纹不会扩展以及其良好的气密性，降低疲劳裂纹损伤粘接区域的应力集中，有效过渡纤维增强复合材料薄膜疲劳损伤裂纹区域的双轴向应力载荷。在实际应用中，通过简单的疲劳裂纹粘接操作即可应用该疲劳损伤粘接结构对应力疲劳的裂纹缝合修补，损伤粘接效果明显且易于推广应用。

背景技术：

目前，平流层飞艇、系留气球等浮空器在军事侦察、通信中继和空间探测等领域具有特殊地优势，特别是以其长的持续飞行航时和大的有效载荷而被广泛的关注。纤维增强复合材料薄膜以其较高的强质比、较低的气体渗透率和低蠕变性的特点而被广泛应用于上述浮空器蒙皮上。系留气球通常悬浮于某一处长时间停留，经常受太阳暴晒和风吹雨打；平流层飞艇处在18～24km的高空，而此处通常空气稀薄、紫外线十分强烈且温度变化大。严酷的工作环境对浮空器蒙皮材料的性能及蒙皮修补技术提出了较高的要求，此专利设计了一种疲劳损伤粘接结构可以对浮空器上的纤维增强材料薄膜(蒙皮)疲劳破损处实施修补，保证破损处的强度以及气体阻隔性，延长了浮空器的服役时间。

浮空器系列产品的制作流程通常是先将若干块纤维增强材料薄膜(蒙皮)焊接成一体，再向其内部充入氦气使其膨胀成形。又因浮空器常工作于高空恶劣大气环境中，频繁的受太阳直射。当太阳光直接照射时浮空器内部的温度压力迅速增大，而在背对太阳光时，其内部温度和压力会迅速减少，经受温度与压力频繁的交替变化容易使其纤维增强材料薄膜出现疲劳损伤而产生裂纹。若材料有任何损伤，其内部的气体便会迅速地溢出而导致浮空器内部压力迅速降低，待内部气体溢出量达到一定值比例时，浮空器内部气体的浮力不够平衡其所搭载的载荷重量而使其飞行高度慢慢降低直到落地。所以破损的浮空器需要进行修补，而且必须保证修补区域处材料的性能仍然能满足其服役条件。目前，大量的研究人员把研究重点放在改善纤维增强材料薄膜(蒙皮)的成份和优化加工工艺来提高其性能，而很少研究如何修复已破损的纤维增强材料薄膜。在实际操作中，浮空器出现破损时，工程师大多是对破损处进行胶粘，但这只是一种简单临时的修补操作方法，因为该损伤区域的强度和气体阻隔性可能已经不满足服役标准，且长期未修复时可能该区域的疲劳损伤会扩展在而导致更大的隐患，而且没有良好的修复浮空器不允许再次服役，因此修复方法的重要性不言而喻。本专利通过设计一种疲劳损伤粘接结构，可缝合破损的纤维增强材料薄膜(蒙皮)，且保证该破损区域的强度和气体阻隔性，延长浮空器的服役时间。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出一种纤维增强复合材料薄膜双轴向疲劳损伤粘接结构。通过设计一种疲劳损伤粘接结构对浮空器的纤维增强材料薄膜疲劳损伤裂纹处进行修复，且使破损区域材料的性能仍然满足服役指标，保证其正常服役的时间和性能要求。

本发明一种纤维增强复合材料薄膜双轴向疲劳损伤粘接结构，其特征在于：它包括底面待修补蒙皮(1)、疲劳损伤裂纹(2)、修补承力蒙皮(3)、经向连接缝纫线(4)、纬向连接缝纫线(5)、顶部密封蒙皮(6)和粘接胶层(7)；

以上部件相互之间的位置关系是：疲劳损伤裂纹(2)位于底面待修补蒙皮(1)的中央区域；修补承力蒙皮(3)通常被裁剪为长方形，然后将其经纬方向四条边均对折后再把修补承力蒙皮(3)的底面紧贴在待修补蒙皮(1)的内表面上，并且纤维增强复合材料薄膜(蒙皮)的经向和纬向分别与原底面待修补蒙皮(1)保持一致；紧接着用经向连接缝纫线(4)和纬向连接缝纫线(5)将修补承力蒙皮(3)的折叠区域与底面待修补蒙皮(1)缝合在一起，且底面待修补蒙皮(1)上的疲劳损伤裂纹(2)位于该长方形中央区域；将顶部密封蒙皮(6)裁切成圆形且大小能将修补承力蒙皮(3)完全覆盖后仍有一定余量用于高频焊合；把裁切好的顶部密封蒙皮(6)的圆心与修补承力蒙皮(3)的中心重合，并使二者完全贴合；用高频热合机把顶部密封蒙皮(6)的圆周边缘处30mm焊合在底面待修补蒙皮(1)上即可，焊合后底面待修补蒙皮(1)和顶部密封蒙皮(6)被粘接胶层(7)所连接；

所述底面待修补蒙皮(1)为浮空器的外表面蒙皮，它包括：耐候层(6-a)、经纬向纤维编织层(6-b)、阻氦层(6-c)、胶粘对黏层(6-d)以及上述各功能层之间的粘胶层(6-e、6-f、6-g)，各层膜结构如图7所示；上述的每一层均承担着不同的功能，使纤维增强复合材料薄膜具备多种性能从而能满足浮空器在严酷环境下苛刻的性能要求；本专利中所述的耐候层(6-a)需要抵抗来自临近空间的紫外线辐射和太阳直射，因此不仅需要其具备良好的抗老化性能，而且需要优秀的抗紫外线能力，综合上述分析可选聚氟乙烯膜为纤维增强复合材料薄膜的耐候层(6-a)；经纬向纤维编织层(6-b)主要承受来自浮空器内部气体所造成的压力以及外部挂载设备的载荷力，因此选择高强度、高模量合成纤维类的kevlar或vectran系列；阻氦层(6-c)选择聚酯薄膜，因其薄膜结构十分致密，且对气体有优秀的阻隔性，并且抗老化性能好；胶粘对黏层(6-d)和粘胶层(6-e、6-f、6-g)是将上述各功能膜层连接的媒介，对纤维增强复合材料薄膜的整体性能至关重要，特别是其在连接各层之后的抗挠性能；能经受多次的屈挠仍不会发生脱层是选择该胶粘对黏层(6-d)和粘胶层(6-e、6-f、6-g)的重要指标，聚氨酯粘合剂含有氨基甲酸酯基团或异氰酸酯基使其粘接性能好、粘接材料种类多，并且粘接后整个薄膜材料的耐冲击和耐挠曲性能优异；

所述疲劳损伤裂纹(2)是纤维增强复合薄膜(蒙皮)在恶劣高低温交变环境下服役一段时间后出现的疲劳损伤缺陷口或者微裂纹，通常为细长条形；疲劳损伤缺陷口或者微裂纹的出现会导致该区域强度明显下降、气体阻隔性明显降低等问题，因此若未能及时发现解决，这可能会是灾难之源；随着浮空器纤维增强复合材料薄膜(蒙皮)服役时间的延长，疲劳损伤裂纹的出现是不可避免的，应用优良性能的材料可以减少纤维增强复合薄膜(蒙皮)的损伤率；

所述修补承力蒙皮(3)和顶部密封蒙皮(6)选择为与底面待修补蒙皮(1)相同的材料，使用相同的材料可以减少材料购买种类以及库存，在满足使用要求的前提下降低了经营成本；

所述经向连接缝纫线(4)和纬向连接缝纫线(5)选择为维纶缝纫线，这种缝纫线不仅强度高，而且在缝纫过程中十分平稳且线迹平整；

上述纤维增强复合材料薄膜双轴向疲劳损伤粘接可广泛应用于蒙皮疲劳损伤修复领域，且结构简单、操作性强和对环境友好；

所述顶部密封蒙皮(6)包括耐候层(6-a)、经纬向纤维编织层(6-b)、阻氦层(6-c)、胶粘对黏层(6-d)和粘胶层(6-e、6-f、6-g)；顶部密封蒙皮(6)的结构形式与待修补蒙皮(1)的材料相同，其内部各层实现修补的裂纹处具有良好的耐候抗老化特性，防止裂纹处漏气具有良好的密封效果；

所述粘接胶层(7)为高粘性的焊接胶层，能够将顶部密封蒙皮(6)的内表层胶粘对黏层(6-d)与待修补蒙皮(1)的内表层进行高频焊接，焊接粘接胶层(7)区域为环形，该环形的宽度为10mm至50mm，可根据疲劳损伤裂纹(2)的尺寸大小进行选择。

本发明的优点在于：

1、本发明在应用双轴向疲劳损伤粘接结构时对疲劳损伤裂纹(2)的大小及位置均无任何要求，只需按要求裁切修补承力蒙皮(3)和顶部密封蒙皮(6)，再将上述蒙皮(3、6)分别缝合和焊合于底面待修补蒙皮(1)上即可达到修复的目的。经修补后的损伤区域强度、透氦率及其它指标均不亚于原材料，延长了浮空器的服役时长；

2、本发明应用双轴向疲劳损伤粘接结构进行修补操作时，所用裁切、焊合操作工具均为常规蒙皮操作工具；所用纤维增强复合材料薄膜与原浮空气所用蒙皮材料一致即可，无需额外购买，降低了维护使用成本；

3、本发明设计的双轴向疲劳损伤粘接结构操作性强、结构简便、应用范围广泛且对环境友好。

附图说明

图1为双轴向疲劳损伤粘接结构等轴测图。

图2为双轴向疲劳损伤粘接结构俯视图。

图3为双轴向疲劳损伤粘接结构正视图。

图4为双轴向疲劳损伤粘接结构背视图。

图5为双轴向疲劳损伤粘接结构a-a剖视图。

图6为双轴向疲劳损伤粘接结构b-b剖视图。

图7为纤维增强复合薄膜结构截面视图。

图8为修补承力薄膜四边裁剪对折结构等轴测视图。

图中：

1-待修补蒙皮；2-疲劳损伤裂纹；3-修补承力蒙皮；4-经向连接缝纫线；5-纬向连接缝纫线；6-顶部密封蒙皮：包括耐候层(6-a)、经纬向纤维编织层(6-b)、阻氦层(6-c)、胶粘对黏层(6-d)和粘胶层(6-e、6-f、6-g)；7-粘接胶层

具体实施方案

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明为一种纤维增强复合材料薄膜双轴向疲劳损伤粘接结构，如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示。它包括待修补蒙皮1、疲劳损伤裂纹2、修补承力蒙皮3、经向连接缝纫线4、纬向连接缝纫线5、顶部密封蒙皮6和粘接胶层7。

所述待修补蒙皮(1)为浮空器蒙皮的损伤区域，疲劳损伤裂纹(2)为该区域中心蒙皮的损伤缺口。由于浮空器一旦充气服役便长时间工作于严酷的环境，而纤维增强复合材料薄膜在长时间的工作后容易由于温度频繁的交替变换导致疲劳损伤。待修补蒙皮(1)的疲劳损区域具体指以蒙皮疲劳损伤裂纹(2)为中心向外辐射一定范围的区域。

所述修补承力蒙皮(3)与浮空器使用蒙皮材料一致且被裁切似长方形并折叠如图8所示，其大小可以完全覆盖疲劳损伤裂纹(2)，且长方形各折叠边缘均距离上述损伤口(2)约20cm。将对折好的修补承力蒙皮(3)以疲劳损伤裂纹(2)为中心紧贴且其经纬方向与待修补蒙皮(1)的方向保持一致，再用经向连接缝纫线(4)和纬向连接缝纫线(5)将四条对折边分别与待修补蒙皮(1)缝合即可。缝合后疲劳损伤裂纹(2)的受力主要由修补承力蒙皮(3)承担，保证了疲劳损伤裂纹(2)附近区域的强度。

所述经向连接缝纫线(4)和纬向连接缝纫线(5)主要用于将修补承力蒙皮(3)的对折边和待修补蒙皮(1)缝合，缝合时每条边均缝合两排，缝合间隙适当以保证缝合的牢固性。缝纫线的选为维纶缝纫线，缝纫过程平稳，线迹排列整齐而且强度高。

所述顶部密封蒙皮(6)根据修补承力蒙皮(3)的形状和尺寸进行裁剪，通常为圆形或者椭圆形，且尺寸大小能够完全覆盖待修补承力蒙皮(3)之后仍留有约10cm区域用于焊接或辅助焊接。将裁切好的顶部密封蒙皮(6)以修补承力蒙皮(3)为中心紧贴于待修补蒙皮(1)上。利用高频焊合将顶部密封蒙皮(6)与待修补蒙皮(1)焊合，焊合区内表层的胶粘对黏层(6-d)融化将上述两蒙皮融合在一起，防止该损伤区域漏气。

上述纤维增强复合材料薄膜双轴向疲劳损伤粘接结构是以浮空器纤维增强复合材料薄膜(蒙皮)受损后其透气性会明显升高和损伤区域的强度会明显下降为中心点而设计。以浮空器蒙皮的疲劳损伤裂纹(2)为中心，在该区域附近缝合一块尺寸大于上述损伤口(2)的修补承力蒙皮(3)。在缝纫时保证该修补承力蒙皮(3)的方向与待修补蒙皮(1)的经纬向保持一致，修补承力蒙皮(3)的每条对折边均缝纫两层，使该受损区域的受力由修补承力蒙皮(3)承担以保证该区域的强度。由于缝纫区域容易出现漏气，因此在修补承力蒙皮(3)的外表面再高频焊合一层，保证损伤区域的气密性。因此根据本发明的双轴向疲劳损伤结构对浮空器纤维增强复合材料薄膜的损伤区域修补后，不仅提高了该区域的强度，而且保证了其气密性。使受损浮空器的用材指标再次达到服役标准，延长了浮空器的服役时长。而且该双轴向疲劳损伤粘接结构简单，应用时操作简便，使用常规的操作工具即可，避免了修补的复杂性和重新购买新的修补设备而造成维护成本陡然上升的问题。对环境友好，适于在浮空器柔性复合材料蒙皮薄膜的修补领域广泛推广。