CN105153950A

CN105153950A - 一种复合材料补片修补结构及形成所述修补结构的方法

Info

Publication number: CN105153950A
Application number: CN201510620302.3A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-09-26
Filing date: 2015-09-26
Publication date: 2015-12-16

Abstract

本发明公开了一种复合材料补片修补结构及形成所述修补结构的方法，属于复合材料修理技术。该修补结构由被修理受损复合材料结构、复合材料补片、复合材料补片与复合材料结构之间的胶以及浸渍胶粘剂的缝线组成。通过在补片修理部位加工贯穿补片和受损复合材料结构以及二者之间胶层的小孔；然后把浸有胶粘剂的缝线依次穿入各小孔；最后在规定温度和压力下固化，使得缝线与其周围的补片和受损复合材料结构粘结在一起，从而制成补片修补结构。采用本方法所制成修补结构，对复合材料层合板面内性能影响较小，对环境敏感性降低，对结构增重较小，并且可提高复合材料补片与被修补结构之间的结合作用，从而提高复合材料补片修理结构的力学性能和可靠性，降低修理后复合材料结构的使用风险。

Description

一种复合材料补片修补结构及形成所述修补结构的方法

技术领域

本发明属于复合材料修理领域，具体涉及一种在补片和受损复合材料结构之间穿入缝线的补片修补结构及形成所述修补结构的方法，应用所述方法制成的修补结构具有较高的可靠性和承载能力。

背景技术

树脂基纤维增强先进复合材料具有比强度和比刚度高、可设计性强、良好的抗疲劳性能、抗腐蚀性好以及便于整体成型等优点，广泛应用于飞机、导弹、火箭和人造卫星等军事领域，以及赛车、船舶、高速列车、桥梁和风电桨叶等民用领域。但由于其制造工艺及其使用特点，复合材料极易产生缺陷和损伤。这些缺陷和损伤大体包括三类，一类是包括表面划伤、划痕、裂痕、浅层裂口和凹痕等模式的表面损伤，一类是复合材料不同单层之间的分层损伤，还有一类是因纤维断裂和破损而产生的裂缝、撕裂和缺口等铺层损伤。对这些损伤的修复应使修理后的结构强度和刚度的恢复尽可能高，使结构重量的增加尽可能小，还要恢复原结构的使用功能。

把受损复合材料重新放置于热压罐进行修复，时间和金钱成本较高。而且被修理的零件可能会由于修理过程再造成新的损伤，如由于过热和在某个温度下过长的时间而导致分层或脱粘。因此，对于复合材料结构的损伤更多依靠在现场进行修理。在现场修理方法中，树脂注射法及填料填充法制用于对复合材料结构力学性能影响较低的较小边缘分层、脱粘和表面凹坑等损伤。对于复合材料大面积分层、纤维断裂等严重损伤，实际工程中通常使用机械或胶接法进行修理。其中，机械修理法比较简便，工艺性能比较稳定，不受施工环境的影响。然而，应用该方法进行修复，会在钉孔处产生严重的应力集中，而且会有紧固件的腐蚀问题，寿命相对较短。因此，机械修理法通常作为临时修理用来满足紧急情况。胶接修理包括贴补和挖补两种修理方法。应用胶接修理法修补的结构，寿命较长，通常作为永久修理使用。然而，这种修理结构靠胶层传递补片与被修理复合材料结构之间的载荷，因此，可靠性低、对环境敏感，胶层损伤不易检测。另外，贴补修理所使用的外搭补片和挖补修理所使用的嵌入补片的端部均要求比较小的楔形角（尖稍比一般为15：1），以降低端部应力集中。较小的楔形角导致补片尺寸较大（如对于直径为20毫米的损伤，补片的直径大约为60~80毫米），导致贴补修理增重较多，挖补修理需要去除大量未损伤材料，并且难以恢复到原来强度，提高结构风险，。

因此，需要发展可靠的复合材料补片修理结构和方法，降低补片尺寸，提高修理的效果，从而更大程度地恢复或提高修理后复合材料结构的力学性能。

发明内容

本发明的目的在于，克服目前复合材料胶接修理法可靠性低、对环境敏感和增重较多等缺点，而提供一种新型复合材料结构补片结构和新方法，降低补片尺寸和结构重量，并提高复合材料修理结构的可靠性和承载能力。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种复合材料补片修补结构，其特征在于：

a，修补结构由被修理受损复合材料结构、复合材料补片、复合材料补片与复合材料结构之间的胶以及浸渍胶粘剂的缝线组成；

b，缝线穿过复合材料补片和复合材料结构，并通过缝线上的胶粘剂与复合材料补片和复合材料结构粘结在一起。

进一步地，所述缝线的直径为0.5~1.5毫米，保证强度的同时，对所穿过的复合材料补片和复合材料结构的面内力学性能影响较小。

进一步地，所述缝线的材料包括浸渍胶粘剂的玻璃纤维束、碳纤维束、硼纤维束和芳纶纤维束等。

进一步地，所述补片的尺寸较小，尖稍比较小，为1：1至8：1，从而降低补片的尺寸和重量以及修理工作量。

进一步地，所述补片的包括外搭补片和嵌入补片，对应的修理类型分别为贴补修理和挖补修理。

进一步地，所述缝线轴向与复合材料法向一致或与补片与被修补结构之间的结合面垂直。

为实现本发明目的，采用一种形成所述修补结构的方法，包括如下步骤：

（一）确定复合材料结构的损伤区域和程度；

（二）损伤区处理，包括表面打磨、去除受损材料和干燥等；

（三）根据损伤区域和程度以及损伤区的处理结果，准备复合材料补片、胶以及浸渍胶粘剂的缝线；

（四）把补片铺设在损伤处，并在补片和受损复合材料结构之间放置一层胶；

（五）在补片修理部位加工贯穿补片和受损复合材料结构以及二者之间胶层的小孔；

（六）把浸有胶粘剂的缝线依次穿入各小孔；

（七）在规定温度和压力下固化，使得缝线与其周围的补片和受损复合材料结构粘结在一起；

（八）拆除温度和压力施加设备。

进一步地，所述步骤（四）中补片的铺设方法按补片的初始形态确定：

如补片材料为预浸料，则把预浸料按照规定的方向和层数铺放在修补区；

如补片材料为预固化层合板，把预固化层合板按照规定的方向定位并安装于修补区；

如补片材料为未浸渍胶粘剂的织物或单向带，则采用湿铺贴的方法，辅以树脂或胶粘剂，把织物或单向带按照规定的方向和层数铺放在修补区。

进一步地，所述步骤（五）中小孔制作使用高能且生热较少的激光器或微型钻头，保证制孔部位的复合材料不会或较少被烧蚀。

进一步地，所述步骤（五）中小孔的直径比缝线大0.1~0.3毫米，一方面便于缝线的穿入小孔，另一方面可保证缝线与孔周材料之间的胶结质量。

进一步地，所述步骤（七）胶粘剂的固化，根据所用胶粘剂固化要求，结合真空袋和电热毯、红外灯、热风枪及控温设备等加热设备，在真空压力下对修补区按时间施加规定的温度，使未固化补片、补片与被修补结构之间的胶层、细棒表面的胶粘剂同时完成固化。

本发明的有益效果为：提出一种新型复合材料补片修补结构及形成所述修补结构的方法，采用本方法所制成修补结构，对复合材料层合板面内性能影响较小，对环境敏感性降低，对结构增重较小，并且可提高复合材料补片与被修补结构之间的结合作用，从而提高复合材料补片修理结构的力学性能和可靠性，降低修理后复合材料结构的使用风险。

附图说明

图1复合材料贴补修理结构截面图；

图2复合材料贴补修理结构分解图；

图3复合材料挖补修理结构截面图；

图4复合材料挖补修理结构分解图；

图中，11是被修理复合材料层合板，12外搭补片，13是胶，14是缝线，21是被修理复合材料层合板，22外搭补片，33是胶，34是缝线，31是被修理复合材料层合板，32嵌入补片，33是胶，34是缝线，41是被修理复合材料层合板，42嵌入补片，43是胶，44是缝线。

具体实施方式

以下结合附图和实施方式对本方面做进一步说明。

实施例1

应用预固化片及所提出方法，对厚度为4毫米的环氧树脂基碳纤维增强复合材料结构的开裂损伤进行贴补修理，步骤如下：

（一）确定复合材料结构的损伤区域和程度为长度为4毫米的开裂损伤；

（二）首先清除残留修理区上的胶粘剂和密封剂，然后应用钻削方法，去除开裂损伤外接圆范围内的材料，最后用真空吸尘器清洁修理区后，分别用180号和360号砂纸打磨修理区，用溶剂清洁修理区，并用热风枪进行局部加热干燥；

（三）根据损伤区域和程度以及损伤区的处理结果，准备复合材料预固化补片（直径为16毫米、厚度为2毫米、尖稍比为2：1）、TESA8432热熔胶膜（直径为16毫米、厚度为0.2毫米）以及浸渍高温固化胶粘剂J-47胶粘剂的碳纤维缝线（长度为500毫米、直径为0.7毫米）；

（四）把胶膜铺放在损伤处，然后在其上按照规定的方向放置预固化补片，并使胶膜和补片的中心与损伤区中心重合；

（五）应用微型硬质合金钻头在补片修理部位加工贯穿补片和受损复合材料结构以及二者之间胶层的小孔（小孔直径为0.8毫米）；

（六）把浸有SY-14胶粘剂的碳纤维缝线依次穿入各小孔，拉紧缝线后，剪断多余部分；

（七）应用真空袋使修补区处于真空压力下，应用电热毯对修补区进行局部加热（保持温度为130±5^oC，时间为3个小时），使得TESA8432胶膜和缝线上的J-47胶粘剂固化，从而使缝线与其周围的补片和受损复合材料结构粘结在一起；

（八）拆除真空袋和电热毯。

采用本修理增强方法，所加工小孔直径较小，对复合材料层合板和补片的面内性能影响较小，缝线不但起到止裂作用，而且与胶层一起传递补片与受损复合材料结构的载荷，从而提高修理后复合材料层合板的可靠性和力学性能。

实施例2

应用预浸料及所提出方法，对厚度为6毫米的环氧树脂基碳纤维增强复合材料结构的内部的分层损伤进行挖补修理，步骤如下：

（一）确定复合材料结构内部3毫米深度处有分层损伤，分层损伤的外接圆为8毫米；

（二）使用手提式气动靠模铣切除损伤区域的材料，切除区深度3毫米，底部直径为8毫米，边缘的斜度3：1，然后应用砂纸打磨，得到光滑的斜面，最后用真空吸尘器清洁修理区后，分别用180号和360号砂纸打磨修理区，用溶剂清洁修理区，并用热风枪进行局部加热干燥；

（三）根据损伤区域和程度以及损伤区的处理结果，准备不同尺寸的复合材料预浸料片（最小的预浸料直径为8毫米，最大的直径32毫米）、3M615热熔胶膜（直径为40毫米、厚度为0.2毫米）以及浸渍中温固化胶粘剂SY-14胶粘剂的碳纤维缝线（长度为1000毫米、直径为1.2毫米）；

（四）把胶膜铺放在切除区底部，然后在其上按照规定的方向和次序（直径较小的预浸料靠近切除区底部，最大的覆盖在损伤区外面）逐层铺放预浸料；

（五）应用TruMicro5050激光器在补片修理部位加工贯穿补片和受损复合材料结构以及二者之间胶层的小孔（小孔直径为1.5毫米）；

（七）应用真空袋使修补区处于真空压力下，应用电热毯对修补区进行局部加热（保持温度为175±5^oC，时间为5个小时），使得3M615胶膜和缝线上的SY-14胶粘剂固化，从而使缝线与其周围的补片和受损复合材料结构粘结在一起；

（八）拆除真空袋和电热毯。

Claims

1.一种复合材料补片修补结构，其特征在于：

2.根据权利要求1所述结构，其特征在于：所述缝线的直径为0.5~1.5毫米。

3.根据权利要求1所述结构，其特征在于：所述补片的尺寸较小，尖稍比较小。

4.根据权利要求3所述尖稍比，其特征在于：其值为1：1至8：1。

5.一种形成补片修补结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（一）确定复合材料结构的损伤区域和程度；

（六）把浸有胶粘剂的缝线依次穿入各小孔；

（八）拆除温度和压力施加设备。

6.根据权利要求5所述方法，其特征在于：所述步骤（五）中小孔制作使用高能且生热较少的激光器或微型钻头。

7.根据权利要求5所述方法，其特征在于：所述步骤（五）中小孔的直径比缝线大0.1~0.3毫米。