一种碳纤维热塑性复合材料智能结构及其制造方法与流程

本发明涉及复合材料制造技术领域，特别涉及一种碳纤维热塑性复合材料智能结构及其制造方法。

背景技术：

碳纤维增强复合材料作为一种高强度轻量化材料广泛应用于汽车工业、航空航天、化工纺织和机械制造以及体育器械和建筑等领域。对使用的碳纤维增强复合材料结构进行状态检测，正确评估结构的实际性态，可有效避免重大事故的发生。目前主要采用离线方式进行检测，如红外热象法、冲击回波法、超声脉冲法等，这些方法均不能实时监测结构的状态。已有研究表明，碳纤维电阻值变化能够实时反映结构应力应变状态以及损伤等健康状态。充分挖掘碳纤维良好的导电特性，利用其良好的力阻特性，有望实现碳纤维增强复合材料结构状态的实时监测，对正确评定结果的实际性态，确定结构可靠性具有重要意义。

此外，当结构发生损伤时，需要停机或拆卸相关结构部件进行离线修复，尚缺乏有效的在线或原位修复方法。不同组份树脂具有在单独存放时为液态，相遇混合而固化的特性，通过合理设置不同组份树脂的位置关系，有望实现结构损伤的原位和在线自修复，可极大简化结构损伤修复的过程，节约时间和成本。

技术实现要素：

本发明提供了一种碳纤维热塑性复合材料智能结构及其制造方法，得到的智能结构通过实时测量碳纤维阻值变化，可实现结构状态的实时监测，并且在结构损伤时可实现结构损伤自修复。

一种碳纤维热塑性复合材料智能结构的制造方法，包括以下步骤：

步骤1：根据智能结构的形状和内部结构计算打印路径；

步骤2：打印热塑性复合材料基体，且在基体中留出至少一组孔道，每组孔道包括相互靠拢并且沿着相同方向延伸的两条孔道；

步骤3：根据计算的路径在步骤2的打印间隙中，在已打印的热塑性复合材料基体上打印碳纤维，并添加电极到打印好的碳纤维层中；

步骤4：向每组孔道的两条孔道中分别注入不同组份树脂胶，同一组的两条孔道中的树脂在孔道发生破坏时相遇后会发生固化。

通过本发明制造方法得到的碳纤维热塑性复合材料智能结构的制造方法不仅具有较好的强度，而且可实现结构状态的实时监测，并且在结构损伤时可实现结构损伤自修复。

所述步骤4的灌注过程既可以在打印过程中进行也可以在打印结束后进行。在打印过程中进行灌注可实现两种组份树脂胶自密封；打印结束后进行灌注需要进行额外密封，优选的，为了保持孔道的平直，减少打印机构的交替使用，步骤4中，如果孔道是贯通的，则在步骤2打印结束后进行灌注树脂胶。

为了提高密封效果，优选的，步骤4中，如果孔道是密封在所述热塑性复合材料基体中的，则在步骤2打印完孔道后灌注树脂胶。此时打印的孔道两端需要向上弯，以留出灌注孔。自密封将孔道完全密封在智能结构中，孔道的布置方式更灵活。

优选的，步骤3中，每组孔道配合打印至少一组碳纤维，配合打印的碳纤维沿着对应的孔道延伸。对应每组孔道设置至少一组碳纤维和电极，从而可以监测所有设有孔道的部分智能结构的应力应变及损伤等状态，孔道修复对应损坏的部分智能结构。

优选的，步骤3中，配合打印的碳纤维与对应的孔道沿径向的间隔距离小于0.5倍的孔道最大直径。确保孔道内树脂在孔道发生破坏时能够与碳纤维层相遇而发生固化。

优选的，步骤2中，相邻组的孔道沿径向的间隔距离大于1倍孔道最大直径。避免相邻组孔道内同组份树脂在孔道发生破坏时相遇而导致不能充分固化。

优选的，步骤2中，同组内的两孔道沿径向的中心间隔距离大于1.5倍孔道最大直径，小于2倍孔道最大直径。确保孔道设置不引起整体结构强度降低，且能使两条孔道内的树脂胶在孔道发生破坏时能够相遇混合固化。

不同组的孔道或者相同组的孔道的直径可以相同也可以不同，本发明中所述孔道最大直径是指该组或者相邻两组内最大尺寸孔道的直径，相同组孔道的直径取决于不同组份树脂胶的混合比例。

优选的，步骤4中，采用的不同组份树脂胶为丙烯酸酯ab胶的a组分和b组分。a组分是丙烯酸改性环氧或环氧树脂，或含有催化剂及其他助剂，b组分是改性胺或其他硬化剂，或含有催化剂及其他助剂。丙烯酸酯ab胶适应范围广，固化效果和融合效果很好，适用于本发明的智能结构中。

优选的，所述热塑性复合材料基体采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(abs)，聚乳酸(pla)，聚醚醚酮(peek)，聚碳酸酯(pc)，聚乙烯(pe)，聚酰胺(pa)中的至少一种。聚乳酸pla具有良好的生物兼容性和可打印性，特别适合三维打印工艺，可用于假肢等智能结构的制造；聚醚醚酮peek具有较高的强度，以及较强的抗疲劳性和自润滑性，可用于生产工业级智能结构。

本发明还提供了一种碳纤维热塑性复合材料智能结构，包括通过上述制造方法打印得的复合材料智能结构以及与电极连接的电阻测量装置。

本发明的碳纤维热塑性复合材料智能结构使用时，电阻测量装置测量到碳纤维的阻值变化，可以判断智能结构的健康状态，当阻值发生突变时，意味结构内部已发生损伤，位于损伤部位的孔道产生缝隙，此时需要卸载智能结构上的载荷，等待同组的两条孔道的两种组份树脂从损伤缝隙流出而融合固化实现损伤修复，固化结束后，原智能结构可继续工作。

本发明的有益效果：

本发明的碳纤维热塑性复合材料智能结构及其制造方法将碳纤维和复合材料进行集成，不仅可大幅提高复合材料的强度，而且能够实现结构状态自监测以及损伤在线原位自修复，可有效避免严重事故的发生，以及减少损伤修复时间和成本。

附图说明

图1是本发明制造方法的流程线框图。

图2是本发明的碳纤维热塑性复合材料智能结构的结构示意图。

图3为本发明的自监测自修复碳纤维增强复合材料智能结构去除基体后的结构示意图。

图4是本发明的碳纤维热塑性复合材料智能结构中各元素位置关系图。

图5是实施例1的孔道结构示意图。

图6是实施例2的孔道结构示意图。

图中各附图标记为：1.热塑性复合材料基体，2.最小单元模块，3.碳纤维，4.孔道，5.孔道，6.电极。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例的碳纤维热塑性复合材料智能结构的制造方法，包括以下步骤：

步骤1：根据智能结构的形状和内部结构计算打印路径；

步骤2：打印热塑性复合材料基体，且在基体中留出多组孔道，每组孔道包括相互靠拢并且沿着相同方向延伸的两条孔道4和孔道5；

步骤3：根据计算的路径在步骤2的打印间隙中，在已打印的热塑性复合材料基体上打印碳纤维，并添加电极到打印好的碳纤维层中，一组孔道4和孔道5、碳纤维3以及电极组成一个最小单元模块2；

步骤4：在步骤2打印结束后，向每组孔道的两条孔道中分别注入不同组份树脂胶，同一组的两条孔道中的树脂在孔道发生破坏时相遇后会发生固化。

如图2～5所示，通过本实施例的制造方法打印得到的碳纤维热塑性复合材料智能结构包括热塑性复合材料基体1和多个最小单元模块2，每个最小单元模块2中包括一组孔道。在打印结束后进行灌注需要进行额外密封。

最小单元模块2包括上下两组碳纤维3，配合布置在两组碳纤维3中间的填充有a组份树脂的孔道4和填充有b组份树脂的孔道5，以及与碳纤维3连接的电极6，最小单元模块2分布在复合材料基体内部。碳纤维3、孔道4和孔道5沿同一方向延伸。

本实施例中，所有孔道的直径相等，孔道最大直径即孔道直径，同一最小单元模块2内，碳纤维3与孔道5沿径向的间隔距离35小于0.5倍的孔道直径55。相邻最小单元模块2的孔道沿径向的间隔距离22大于1倍孔道直径55。同组内的两孔道沿径向的中心间隔距离45大于1.5倍孔道直径55，小于2倍孔道直径55。

孔道4和孔道5采用的不同组份树脂胶为丙烯酸酯ab胶的a组分和b组分。热塑性复合材料基体1采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物打印得到。

本实施例的碳纤维热塑性复合材料智能结构，外部电阻测量装置通过电极6接入碳纤维。外部电阻测量装置测量到碳纤维3的阻值变化，可以判断智能结构的健康状态，当阻值发生突变时，意味结构内部已发生损伤，孔道4和孔道5之间产生缝隙，此时需要卸载智能结构上的载荷，等待孔道4和孔道5中的两种组份树脂从损伤缝隙流出而融合固化实现损伤修复，固化结束后，原智能结构可继续工作。

实施例2

本实施例除了孔道密封方式不同以外，其余步骤与实施例1相同。

本实施例的碳纤维热塑性复合材料智能结构的制造方法，包括以下步骤：

步骤1：根据智能结构的形状和内部结构计算打印路径；

步骤2：打印热塑性复合材料基体，且在基体中留出多组孔道，每组孔道包括相互靠拢并且沿着相同方向延伸的两条孔道4和孔道5；

步骤3：根据计算的路径在步骤2的打印间隙中，在已打印的热塑性复合材料基体上打印碳纤维，并添加电极到打印好的碳纤维层中，一组孔道4和孔道5、碳纤维3以及电极组成一个最小单元模块2；

步骤4：在步骤2打印完孔道后灌注树脂胶，向每组孔道的两条孔道中分别注入不同组份树脂胶，同一组的两条孔道中的树脂在孔道发生破坏时相遇后会发生固化。

本实施例打印得到的孔道结构如图6所示，此时打印的孔道两端需要向上弯，以留出灌注孔，实现热塑性复合材料基体的自密封。

综上所述，本实施例的碳纤维热塑性复合材料智能结构及其制造方法将碳纤维和复合材料进行集成，不仅可大幅提高复合材料的强度，而且能够实现结构状态自监测以及损伤在线原位自修复，可有效避免严重事故的发生，以及减少损伤修复时间和成本。