一种自修复多功能复合材料结构的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种复合材料，特别公开了一种自修复多功能复合材料结构。该自修复多功能复合材料结构，包括复合材料主体，其特征在于：所述复合材料主体的上表面贴敷有三维金属网络，下表面贴敷有平面金属网络，三维金属网络上表面贴敷有复合材料上部盖板，平面金属网络下表面贴敷有复合材料下部盖板。本发明增加了复合材料厚度方向的强度和模量，增加了复合材料的层间断裂韧度和抗分层产生及扩展的能力，增加了复合材料的抗冲击损伤能力和抗疲劳分层扩展能力。
【专利说明】
一种自修复多功能复合材料结构
[0001](— )
技术领域
本发明涉及一种复合材料，特别涉及一种自修复多功能复合材料结构。
[0002](二)
【背景技术】
纤维增强树脂基复合材料由于比刚度、比强度高、耐腐蚀性好、性能可设计等优点，成为新一代的高强轻质结构材料，广泛地应用于航空、航天、汽车等领域。然而受限于叠层结构的特点，复合材料层合板因受到服役过程中法向载荷、外来物冲击等而易在层合板之间产生裂纹，也称为分层损伤。
[0003]分层损伤是层合结构复合材料最常见的损伤类型，由于其产生于层合板内部，难以被方便且可靠地检测。目前对复合材料的分层损伤检测主要采用目视和超声两种方式。目视检测通过发现导致分层的外来物冲击所产生的表面凹坑，来识别分层损伤及其位置。然而，受到凹坑大小、表面涂漆状态、光线、检测距离和方便程度，以及检测者的人为因素等多方面条件的影响，其检测可靠度有限。而超声检测虽然可靠性较高，但由于效率较低，只能在有限的时间内对特定的区域进行损伤检测。
[0004]目前已经发展了若干实时结构健康监测技术，通过压电传感器或植入光纤等方式实现实时监测结构损伤状态，大大提高了结构检测的可靠性、及时性。但这项技术由于带来了额外的重量却无其他方面的收益，在工程结构中未得到广泛的应用。
[0005]含分层损伤复合材料结构的修理方法，传统上采用挖补和贴补等方式。首先将损伤区域的材料规则地去除，通过胶接或机械连接的方式将补片连接到损伤区域，以恢复结构的承载能力。然而这种传统技术不仅昂贵，而且非常耗时。
[0006]由于上述分层损伤对结构带来的影响，目前层合板复合材料结构的设计都采用了较高的安全裕度来保证结构的安全。最典型的例子是应用于民用飞机主结构设计的“损伤无扩展要求”，即含分层损伤的复合材料结构在一定服役时间内，不得由于承担往复疲劳载荷而产生有害的扩展。为了达到这一安全要求，在结构设计时采用了较低的承载应力水平等保守的设计，从而牺牲了结构重量和效率。
[0007](三)
【发明内容】
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种性能增强、结构健康实时监测的自修复多功能复合材料结构。
[0008]本发明是通过如下技术方案实现的:
一种自修复多功能复合材料结构，包括复合材料主体，其特征在于:所述复合材料主体的上表面贴敷有三维金属网络，下表面贴敷有平面金属网络，三维金属网络上表面贴敷有复合材料上部盖板，平面金属网络下表面贴敷有复合材料下部盖板。
[0009]本发明的复合材料主体由碳纤维或玻璃纤维树脂基复合材料制造，也可采用其他纤维树脂基复合材料，其制备工艺可以是预浸料热压罐工艺，也可以是干纤维树脂注塑成型或其他液体成型工艺，其作用为承担结构载荷的主体。
[0010]本发明一方面提高层合板复合材料结构的层间强度和抵抗分层产生的能力，另一方面提供了一种在分层裂纹产生后快速的进行修复，并恢复结构承载能力的方法;在一方面同时提供了一种可实时进行结构健康监测的手段。
[0011]本发明的更优技术方案为:
所述三维金属网络的顶部为平面交织的金属网，金属网垂直方向上延伸出与其连接的金属丝，为三维网络结构;其作用为:一方面形成沿厚度方向增强的金属丝，增强结构厚度方向的性能;另一方面使金属丝相互连接形成网络，为加热覆层和健康监测提供电路。
[0012]所述三维金属网络的金属丝贯穿复合材料主体并与底部的平面金属网络连接，其作用是在三维金属网络植入到复合材料主体中后，从复合材料主体的另外一个方向与三维金属网络的厚度方向金属丝连接，形成由三维金属网络到平面金属网络的通电回路。
[0013]所述三维金属网络和平面金属网络表面均涂有热塑性树脂覆层，覆层在受热后即可流动到附近相连的分层和裂纹出，起到修复作用。
[0014]所述复合材料主体、复合材料上部盖板和复合材料下部盖板均为碳纤维或玻璃纤维树脂基复合材料，也可采用类似性能的其他树脂基复合材料，上下部盖板的作用是起密封作用，防止在结构修复过程中受热的热塑性树脂流出。
[0015]所述三维金属网络和平面金属网络上设置有若干个通电端子，实现了电流的输入和输出。
[0016]本发明增加了复合材料厚度方向的强度和模量，增加了复合材料的层间断裂韧度和抗分层产生及扩展的能力，增加了复合材料的抗冲击损伤能力和抗疲劳分层扩展能力，可对复合材料中的分层和裂纹进行修复，以恢复结构的承载能力，可以实现对复合材料分层损伤区域和大小的检测，增加了复合材料的电导率和热导率。
[0017](四)
【附图说明】
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0018]图1为本发明的结构示意图；
图2为三维金属网络植入复合材料主体的状态示意图；
图3为分层在复合材料中产生但未引起金属丝断裂的情况示意图；
图4为图3所述情况下进行结构修复时热塑性树脂的流动情况示意图；
图5为分层在复合材料中产生同时引起金属丝断裂的情况示意图；
图6为图5所述情况下进行结构修复时热塑性树脂的流动情况示意图。
[0019]图中，I复合材料主体，2三维金属网络，3平面金属网络，4复合材料上部盖板，5复合材料下部盖板，11通电端子，21金属网，22金属丝，101分层裂纹，102分层引起金属丝断裂的部分，201金属网丝，202热塑性树脂覆层，203沿分层裂纹的流动覆层。
[0020](五)
【具体实施方式】
附图为本发明的一种具体实施例。该实施例包括复合材料主体I，所述复合材料主体I的上表面贴敷有三维金属网络2，下表面贴敷有平面金属网络3，三维金属网络2上表面贴敷有复合材料上部盖板4，平面金属网络3下表面贴敷有复合材料下部盖板5;所述三维金属网络2的顶部为平面交织的金属网21，金属网21垂直方向上延伸出与其连接的金属丝22;所述三维金属网络2的金属丝22贯穿复合材料主体I并与底部的平面金属网络3连接;所述三维金属网络2和平面金属网络3表面均涂有热塑性树脂覆层202;所述复合材料主体1、复合材料上部盖板4和复合材料下部盖板5均为碳纤维或玻璃纤维树脂基复合材料;所述三维金属网络2和平面金属网络3上设置有若干个通电端子11。
[0021]采用如下的成形工艺制备本发明中的多功能复合材料:
采用传统铺叠方式进行复合材料主体I的铺叠，可采用预浸料单向带、织物，也可以采用干丝单向带或织物。如采用预浸料，可用热压法将三维金属网络2植入到铺叠后的预成形体中；如采用干丝材料，可用直接压入法将三维金属网络2植入到铺叠后的预成形体中。根据复合材料主体I的厚度来设计三维金属网络2中金属丝22的高度，使之植入后能从底部伸出一定长度，通过局部热熔法或机械方法，去除伸出部分的热塑性树脂覆层202。将平面金属网络3放置到底部后，对金属丝22的伸出部分进行弯折、压入，使之与平面金属网络3连接形成通电回路。将复合材料上部盖板4和复合材料下部盖板5铺层铺叠后，按需要植入一定数量的通电端子11。
[0022]固化工艺根据复合材料主体的材料而定，对于预浸料采用热压罐工艺固化，固化温度应低于三维金属网络2中的热塑性树脂覆层202的熔融温度。如果固化温度高于热塑性树脂覆层202熔融温度，则应当分阶段固化，第一阶段固化温度低于覆层熔融温度，第二阶段再施加要求的固化温度。对于干丝材料，可直接采用树脂注塑成形或其他液体成形固化工艺。
[0023]在通过如超声扫描等检测手段发现发生附图3中所示的分层裂纹时，在通电端子11之间接通电源使得金属网络产生所需要的电流而发热，树脂覆层受热熔融流动，如附图4所示，填充了分层裂纹从而实现了对结构修复。
[0024]在实现结构健康监测功能时，通电端子11之间施加一个小的电压来测量它们之间的电阻。当发生附图5中所示的分层裂纹时，通电端子11之间的电阻由于断裂位置附近的金属丝被切断而有所增加，与标定的标准电阻相对比，可以判断出分层产生的区域和大小。这时通过电热毯或红外线加热等外部热源来熔融树脂覆层使之流动，如附图6所示，实现对结构的修复。
【主权项】
1.一种自修复多功能复合材料结构，包括复合材料主体(I)，其特征在于:所述复合材料主体(I)的上表面贴敷有三维金属网络(2)，下表面贴敷有平面金属网络(3)，三维金属网络(2)上表面贴敷有复合材料上部盖板(4)，平面金属网络(3)下表面贴敷有复合材料下部盖板(5)。2.根据权利要求1所述的自修复多功能复合材料结构，其特征在于:所述三维金属网络(2)的顶部为平面交织的金属网(21)，金属网(21)垂直方向上延伸出与其连接的金属丝(22)。3.根据权利要求2所述的自修复多功能复合材料结构，其特征在于:所述三维金属网络(2)的金属丝(22)贯穿复合材料主体(I)并与底部的平面金属网络(3)连接。4.根据权利要求1所述的自修复多功能复合材料结构，其特征在于:所述三维金属网络(2)和平面金属网络(3)表面均涂有热塑性树脂覆层(202)。5.根据权利要求1所述的自修复多功能复合材料结构，其特征在于:所述复合材料主体(1)、复合材料上部盖板(4)和复合材料下部盖板(5)均为碳纤维或玻璃纤维树脂基复合材料。6.根据权利要求1所述的自修复多功能复合材料结构，其特征在于:所述三维金属网络(2)和平面金属网络(3)上设置有若干个通电端子(11)。
【文档编号】B32B33/00GK105965996SQ201610219792
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月11日
【发明人】何帅, 凯恩·平卡拉瓦, 马特·多诺, 彭雷
【申请人】山东利普索航空科技有限公司