本发明属碳纤维飞机壳层材料技术领域，具体涉及一种自修复的三维碳纤维/记忆合金飞机壳层及其制备方法。
背景技术：
随着飞机及航空技术的日益发展，对飞机的性能不断提高，要求飞机的结构重量系数不断降低，因此，对飞机的材料和结构提出了巨大的挑战，轻型化成为飞机及航空器发展的主要趋势。目前飞机及航空器壳体所采用的材料多为铝合金、钢材等常规材料与先进的复合材料联合使用，为了降低飞机的重量系数，复合材料的使用比例不断提高，但是为了保证飞机的强度、使用寿命、工艺性和经济性方面的要求，对复合材料的结构效率、成本、修理和维护方面提出了更高的要求。
碳纤维复合材料由于碳纤维的高强度、高模量等优异性能，与玻璃纤维、硼纤维和芳纶纤维复合材料相比弹性、刚度、吸湿性和加工工艺更优，在飞机结构中得到大量的应用。中国专利cn101870172b公开的飞机及航空器的碳纤维复合材料壳体的制备模具及其成形方法，将内模、模芯、上盖板、下盖板和轴的位置固定后，将碳纤维复合材料壳体纵向肋和环向肋缠绕成形，填加步枪预浸料进行补强，压实压平，固化炉固化，拆掉固定，得到碳纤维复合材料壳体。中国专利cn101870800b公开的中空碳纤维布环氧树脂复合材料及其制备方法，将尿素和乙二醇作为原料，在石墨坩埚中烧结后，充入氮气或者氩气再次烧结，冷却得到中空碳纤维布，将中空碳纤维布浸入到环氧树脂胶保持5-20min，取出，将浸渍环氧树脂的中空碳纤维布逐层叠加，加热加压，得到中空碳纤维布环氧树脂复合材料。由上述现有技术可知，通过将碳纤维与聚合物材料相结合制备的复合材料具有密度小、强度大的特定，但是碳纤维复合材料在外界载荷环境作用下，容易产生不同尺寸的微裂纹，使复合材料内部分层分裂，造成承载能力降低，增加复合材料的恢复难度，因此，具有自修复性能的碳纤维复合材料成为研究的难点。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种自修复的三维碳纤维/记忆合金飞机壳层及其制备方法，将碳纤维和波浪状记忆合金作为原料，采用三维角联锁结构织造，得到基布，将基布氧化改性后浸渍于含光引发剂、可修复的环氧树脂和聚醚砜的混合物中，加热加压，微波固化，得到自修复的三维碳纤维/记忆合金飞机壳层。本发明制备的壳层轻质高强，可自修复内部损伤，使用寿命提高。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种自修复的三维碳纤维/记忆合金飞机壳层，所述自修复的三维碳纤维/记忆合金飞机壳层包括三维基布和聚合物填料，所述三维基布由碳纤维和波浪状记忆合金构成，所述聚合物填料由可修复的环氧树脂、聚醚砜和含光敏剂的微胶囊构成。
作为上述技术方案的优选，所述三维基布的结构为三维角联锁结构。
本发明还提供一种自修复的三维碳纤维/记忆合金飞机壳层的制备方法，包括以下步骤：
(1)以碳纤维作为纬纱，波浪状记忆合金作为经纱，采用三维角联锁结构，经纱在厚度方向上每两层与纬纱交织一次，制备得到三维角联锁基布；
(2)将步骤(1)制备的三维角联锁基布浸入电解液中进行阳极氧化处理，清洗干燥，得到氧化处理的三维角联锁基布；
(3)将可修复的环氧树脂和聚醚砜混合均匀后，放入模具中，将含光敏剂的微胶囊平铺其中，将步骤(2)制备的氧化处理的三维角联锁基布浸渍其中，静置吸附，加热加压，微波固化，得到自修复的三维碳纤维/记忆合金飞机壳层。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，波浪状记忆合金为镍钛合金，可回复温度为70-100℃。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，三维角联锁基布中碳纤维的含量不低于60％。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，三维角联锁基布的体积分数为45-50％。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，阳极氧化处理的电解液浓度为3-5wt％，相对电流密度为8-10ma/g，时间为2-3min。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，可修复的环氧树脂为二苯甲烷双马来酰亚胺改性的环氧树脂。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，可修复的环氧树脂与聚醚砜的质量比为2-3:5-10。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，自修复的三维碳纤维/记忆合金飞机壳层中含光敏剂的微胶囊的含量为0.5-1wt％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明制备的自修复的三维碳纤维/记忆合金飞机壳层包括三维基布和聚合物填料，三维基布的主要原料为碳纤维和波浪状记忆合金，采用三维角联锁结构织造得到，使制备的三维基布具有波浪状，体积分数高，基布的密度小，弹性好，韧性好，力学性能优异，与碳纤维三维基布相比，记忆合金的存在使三维基布的形状可控性增强，且具有形状记忆功能，可缓解壳层的内部应力，减少内部缺陷的产生。
(2)本发明制备的自修复的三维碳纤维/记忆合金飞机壳层包括三维基布和聚合物填料，聚合物填料包括可修复的环氧树脂、聚醚砜和光敏剂微胶囊，可修复的环氧树脂为二苯甲烷双马来酰亚胺改性的环氧树脂在热处理下可实现自修复，且含有的光敏剂微胶囊在内部收到应力使微胶囊破裂，光敏剂流出，经光固化修复内部缺陷，减少内部缺陷的产生。
(3)本发明的制备方法简单，飞机壳层从碳纤维结构和聚合物材料出发，通过添加形状记忆合金、自修复环氧树脂和含光敏剂的微胶囊，从多个角度赋予飞机壳层自修复性能，而且选用的三维基布为波浪形，可提高壳层的承受能力，因此本发明制备的飞机壳层在满足轻质高强的基础上，具有自修复性能，使用寿命提高，降低了内部缺陷的产生，安全系数提高，降低维护成本。
具体实施方式
下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1：
(1)以t700碳纤维作为纬纱，波浪状镍钛记忆合金作为经纱，采用三维角联锁结构，经纱在厚度方向上每两层与纬纱交织一次，制备得到体积分数为45％的三维角联锁基布，其中三维角联锁基布中碳纤维的含量不低于60％。
(2)将三维角联锁基布浸入浓度为3wt％的电解液中，在相对电流密度为8ma/g下阳极氧化处理2min，清洗干燥，得到氧化处理的三维角联锁基布。
(3)将二苯甲烷双马来酰亚胺改性可修复的环氧树脂和聚醚砜按照质量比2:5混合均匀后，放入模具中，将含光敏剂的微胶囊平铺其中，将氧化处理的三维角联锁基布浸渍其中，静置吸附20min，在30℃和5mpa下加热加压1h，在2ghz频率和200w功率下微波60min，固化，得到自修复的三维碳纤维/记忆合金飞机壳层，其中自修复的三维碳纤维/记忆合金飞机壳层中含光敏剂的微胶囊的含量为0.5wt％。
实施例2：
(1)以t700碳纤维作为纬纱，波浪状镍钛记忆合金作为经纱，采用三维角联锁结构，经纱在厚度方向上每两层与纬纱交织一次，制备得到体积分数为50％的三维角联锁基布，其中三维角联锁基布中碳纤维的含量不低于60％。
(2)将三维角联锁基布浸入浓度为5wt％的电解液中，在相对电流密度为10ma/g下阳极氧化处理3min，清洗干燥，得到氧化处理的三维角联锁基布。
(3)将二苯甲烷双马来酰亚胺改性可修复的环氧树脂和聚醚砜按照质量比3:10混合均匀后，放入模具中，将含光敏剂的微胶囊平铺其中，将氧化处理的三维角联锁基布浸渍其中，静置吸附30min，在50℃和10mpa下加热加压2h，在2.5ghz频率和300w功率下微波90min，固化，得到自修复的三维碳纤维/记忆合金飞机壳层，其中自修复的三维碳纤维/记忆合金飞机壳层中含光敏剂的微胶囊的含量为1wt％。
实施例3：
(1)以t700碳纤维作为纬纱，波浪状镍钛记忆合金作为经纱，采用三维角联锁结构，经纱在厚度方向上每两层与纬纱交织一次，制备得到体积分数为46％的三维角联锁基布，其中三维角联锁基布中碳纤维的含量不低于60％。
(2)将三维角联锁基布浸入浓度为4wt％的电解液中，在相对电流密度为9ma/g下阳极氧化处理2.5min，清洗干燥，得到氧化处理的三维角联锁基布。
(3)将二苯甲烷双马来酰亚胺改性可修复的环氧树脂和聚醚砜按照质量比2.5:7混合均匀后，放入模具中，将含光敏剂的微胶囊平铺其中，将氧化处理的三维角联锁基布浸渍其中，静置吸附25min，在40℃和8mpa下加热加压1.5h，在2.2ghz频率和250w功率下微波70min，固化，得到自修复的三维碳纤维/记忆合金飞机壳层，其中自修复的三维碳纤维/记忆合金飞机壳层中含光敏剂的微胶囊的含量为0.6wt％。
实施例4：
(1)以t700碳纤维作为纬纱，波浪状镍钛记忆合金作为经纱，采用三维角联锁结构，经纱在厚度方向上每两层与纬纱交织一次，制备得到体积分数为48％的三维角联锁基布，其中三维角联锁基布中碳纤维的含量不低于60％。
(2)将三维角联锁基布浸入浓度为3.5wt％的电解液中，在相对电流密度为9ma/g下阳极氧化处理2.5min，清洗干燥，得到氧化处理的三维角联锁基布。
(3)将二苯甲烷双马来酰亚胺改性可修复的环氧树脂和聚醚砜按照质量比2.6:7混合均匀后，放入模具中，将含光敏剂的微胶囊平铺其中，将氧化处理的三维角联锁基布浸渍其中，静置吸附25min，在35℃和6mpa下加热加压1.5h，在2.25ghz频率和230w功率下微波70min，固化，得到自修复的三维碳纤维/记忆合金飞机壳层，其中自修复的三维碳纤维/记忆合金飞机壳层中含光敏剂的微胶囊的含量为0.7wt％。
实施例5：
(1)以t700碳纤维作为纬纱，波浪状镍钛记忆合金作为经纱，采用三维角联锁结构，经纱在厚度方向上每两层与纬纱交织一次，制备得到体积分数为49％的三维角联锁基布，其中三维角联锁基布中碳纤维的含量不低于60％。
(2)将三维角联锁基布浸入浓度为4.5wt％的电解液中，在相对电流密度为9.5ma/g下阳极氧化处理3min，清洗干燥，得到氧化处理的三维角联锁基布。
(3)将二苯甲烷双马来酰亚胺改性可修复的环氧树脂和聚醚砜按照质量比2:10混合均匀后，放入模具中，将含光敏剂的微胶囊平铺其中，将氧化处理的三维角联锁基布浸渍其中，静置吸附20min，在50℃和5mpa下加热加压1h，在2.5ghz频率和200w功率下微波90min，固化，得到自修复的三维碳纤维/记忆合金飞机壳层，其中自修复的三维碳纤维/记忆合金飞机壳层中含光敏剂的微胶囊的含量为0.7wt％。
实施例6：
(1)以t700碳纤维作为纬纱，波浪状镍钛记忆合金作为经纱，采用三维角联锁结构，经纱在厚度方向上每两层与纬纱交织一次，制备得到体积分数为47％的三维角联锁基布，其中三维角联锁基布中碳纤维的含量不低于60％。
(2)将三维角联锁基布浸入浓度为3.5wt％的电解液中，在相对电流密度为8ma/g下阳极氧化处理3min，清洗干燥，得到氧化处理的三维角联锁基布。
(3)将二苯甲烷双马来酰亚胺改性可修复的环氧树脂和聚醚砜按照质量比3:5混合均匀后，放入模具中，将含光敏剂的微胶囊平铺其中，将氧化处理的三维角联锁基布浸渍其中，静置吸附30min，在40℃和6mpa下加热加压2h，在2.4ghz频率和260w功率下微波75min，固化，得到自修复的三维碳纤维/记忆合金飞机壳层，其中自修复的三维碳纤维/记忆合金飞机壳层中含光敏剂的微胶囊的含量为0.9wt％。
经检测，实施例1-6制备的自修复的三维碳纤维/记忆合金飞机壳层以及现有技术的碳纤维飞机壳层的结构重量系数、比强度、比刚度、受拉空应力集中影响、压缩稳定性、屈曲承载、使用寿命提高率的结果如下所示：
由上表可见，本发明制备的自修复的三维碳纤维/记忆合金飞机壳层轻质高强，具有自修复性能，使用寿命提高。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。