CN115847886A - 一种热塑性复合材料损伤的修复方法及其修复装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种热塑性复合材料损伤的修复方法及其修复装置，通过确定损伤情况、选用工装、选用脱模材料、加热修补、检查修复等修补步骤，且辅以根据热塑性复合材料形状定制的两加热平板，通过两加热平板夹紧在待修复区域两侧，且能够达到相应融化物料的温度，能够使得热塑性复合材料树脂基体具有一定的流动，并在修复压力的作用下对复合材料中的裂纹、分层等缺陷进行填充，进而修复热塑性复合材料的内部损伤，最大程度的恢复热塑性复合材料的力学性能，提高热塑性复合材料的应用能力，能够保障热塑性复合材料在修复过程中的表面质量，极大的维持热塑性复合材料的外形，使其满足应急使用要求。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料制造技术领域，特别是涉及一种热塑性复合材料损伤的修复方法及其修复装置。
背景技术
热塑性树脂基复合材料相比于热固性树脂基复合材料，具有能够快速成型、原材料可无限期存贮、制件可多次加热成型、废旧制件可回收利用等优点，符合经济型、环保性的发展要求。国外热塑性复合材料在军、民用航空的应用已完成从飞机内饰、舱门、口盖、整流罩等非承力部件到飞机固定面前后缘、襟翼、副翼、方向舵等受载较小部位，再到机翼盒段、机身壁板、蒙皮等主承力结构的转变。尽管热塑性复合材料的实际应用取得了显著的效果，有效弥补了热固性复合材料制造和使用过程中面临的诸多问题，但是，复杂的服役环境使热塑性复合材料在使用过程中仍然受到各种冲击损伤的威胁。
与金属等延展性高的材料相比，由纤维增强体和树脂基体复合制备的复合材料的能量吸收能力较低，因此，冲击能量能够传播到材料内部深处，造成外部可见的损伤，包括凹坑、裂纹、断裂等；与内部不可见损伤，包括基体开裂、界面脱粘、分层或纤维断裂。复合材料受到冲击时产生的损伤可能导致复合材料结构丧失约50％的承载能力，因此，特殊的应用环境使得热塑性复合材料冲击损伤的快速修复具有重要意义。复合材料修复方法主要有挖补法，热压法等，以往的研究工作大多集中于挖补法，原因是挖补法能够最大限度的恢复构件原本的结构和力学性能，但是这需要的技术难度较高且需要较长的修复时间，修复所需成本往往接近甚至超过更换部件的成本。出于对经济因素及修复效率考量，因此本领域中急需降低复合材料的修复成本，提高复合材料修复工艺在不同场景的适应性。
发明内容
本发明的目的是提供一种热塑性复合材料损伤的修复方法及其修复装置，以解决上述现有技术存在的问题，使热塑性复合材料的冲击损伤能够得到快速修复，极大的提高了热塑性复合材料的适用性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种热塑性复合材料损伤的修复方法，包括如下步骤：
确定损伤情况：确定热塑性复合材料的冲击损伤位置及损伤面积；
选用工装：选择两块均与所述热塑性复合材料上待修复区域形状相匹配的加热平板，并将所述加热平板进行清洁作业，且在其与所述热塑性复合材料相接处的表面上涂抹脱模剂；
选用脱模材料：准备结构大于所述热塑性复合材料上待修复区域的脱模材料；
加热修补：将所述脱模材料放置并覆盖在所述热塑性复合材料上待修复区域处，将一所述加热平板覆盖并压制在所述脱模材料远离所述待修复区域的一侧，将另一所述加热平板放置在所述热塑性复合材料远离所述脱模材料的一侧，并对应所述待修复区域的位置处，将两所述加热平板加热至所述热塑性复合材料熔融温度以上，并对两所述加热平板施加所需修复压力，使得两所述加热平板夹紧所述热塑性复合材料和所述脱模材料，且保持至所需时间，然后保持所需修复压力并冷却所述加热平板至所需温度，并撤离所述加热平板，且清理所述热塑性复合材料上的所述脱模材料；
检查修复：将修复好的所述热塑性复合材料进行无损检测，检查修复效果。
优选的，所述热塑性复合材料包括树脂基体，所述树脂基体内填充有用于增强其结构强度的增强体纤维。
优选的，所述增强体纤维包括但不限于碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维。
优选的，所述树脂基体包括但不限于PEEK、PAEK、PPS热塑性树脂。
优选的，确定损伤情况和检查修复步骤中的检测过程为无损伤检测，所述无损伤检测采用超声扫描检测或射线检测或声发射检测。
优选的，在选用脱模材料的步骤中，所述脱模材料的面积为所述待修复区域面积的150％以上，且所述脱模材料覆盖在所述待修复区域处。
优选的，在加热修补步骤中，所述加热平板的加热温度大于热塑性复合材料的熔融温度10～25℃。
优选的，在加热修补步骤中，所需修复压力为1MPa＜P＜5MPa。
优选的，在加热修补步骤中，所需时间为15min至60min。
还提供一种热塑性复合材料损伤的修复装置，包括相铰接的上加载臂和下加载臂，所述上加载臂的一端铰接有上支座，另一端连接有挂钩，所述下加载臂对应所述上支座的一端固定有下支座，所述下加载臂对应所述挂钩的一端铰接有电动伸缩杆，所述电动伸缩杆的端部与所述挂钩相连接，所述上支座和所述下支座分别靠近对方的一侧均设有能够覆盖待修复区域的加热平板，两所述加热平板加持在所述待修复区域的两侧表面。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
第一，通过确定损伤情况、选用工装、选用脱模材料、加热修补、检查修复等修补步骤，能够有效的修复热塑性复合材料受到的低速冲击损伤，提高热塑性复合材料的应用能力，能够保障热塑性复合材料在修复过程中的表面质量，极大的维持热塑性复合材料的外形，使其满足应急使用要求。
第二，通过电动伸缩杆驱动上加载臂和下加载臂转动，进而带动上支座和下支座合模，使得两加热平板夹紧在待修复区域两侧，且能够达到相应融化物料的温度，辅以根据热塑性复合材料形状定制的两加热平板，能够使得热塑性复合材料树脂基体具有一定的流动，并在修复压力的作用下对复合材料中的裂纹、分层等缺陷进行填充，进而修复热塑性复合材料的内部损伤，最大程度的恢复热塑性复合材料的力学性能，使之满足使用要求，能够达到快速拆卸、快速修复、形状稳定、质量可靠的修复效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明CF/PAEK热塑性复合材料冲击损伤示意图；
图2为本发明CF/PAEK热塑性复合材料冲击损伤修复效果示意图；
图3为本发明CF/PEEK热塑性复合材料冲击损伤示意图；
图4为本发明CF/PEEK热塑性复合材料冲击损伤修复效果示意图；
图5为本发明整个修复装置示意图；
其中，1-上支座，2-上模板，3-销，4-上加载臂，5-挂钩，6-电动伸缩杆，7-下加载臂，8-紧固螺钉，9-加热棒，10-下模板，11-下支座。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种热塑性复合材料损伤的修复方法及其修复装置，以解决上述现有技术存在的问题，使热塑性复合材料的冲击损伤能够得到快速修复，极大的提高了热塑性复合材料的适用性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1至图5所示，本实施例提供一种热塑性复合材料损伤的修复方法，尤其针对高性能热塑性复合材料损伤的修复，包括如下步骤：
确定损伤情况：确定热塑性复合材料的冲击损伤位置及损伤面积；
选用工装：选择两块均与热塑性复合材料上待修复区域形状相匹配的加热平板，并将加热平板进行清洁作业，且在其与热塑性复合材料相接处的表面上涂抹脱模剂；优选的，清洁作业中采用的清洁剂为模具清洁剂，能够清除修复工装工作面的杂质及化学残留，脱模剂为高温脱模剂，其耐温等级高于加工温度，较高的耐温等级保证脱模剂在修复的过程中不会失效，能够使复合材料顺利脱模，并具有较高的表面质量；
选用脱模材料：准备结构大于热塑性复合材料上待修复区域的脱模材料；优选的，其耐温等级高于热塑性复合材料修复温度，并完全覆盖热塑性复合材料冲击损伤区域，脱模材料与脱模剂协同使用，能够获得较好的脱模效果及较高的表面质量，具体的，通过脱模材料以避免修复完毕后，加热平板不能充分与热塑性复合材料脱离，导致热塑性复合材料的表面受加热平板的影响损坏，进而通过脱模材料，能够使得加热平板通过脱模材料与热塑性复合材料接触，且在脱模的过程中，脱模材料使得加热平板能够快速与热塑性复合材料分离，而且通过脱模剂设置在加热平板与脱模材料之间，避免在成型的过程中，脱模材料粘附在加热平板上，对后续加热平板的清理造成影响；优选的，脱模材料采用聚酰亚胺薄膜和高温脱模布，热塑性复合材料与聚酰亚胺薄膜贴合，聚酰亚胺薄膜与高温脱模布贴合，高温脱模布与加热平板贴合；
加热修补：将脱模材料放置并覆盖在热塑性复合材料上待修复区域处，将一加热平板覆盖并压制在脱模材料远离待修复区域的一侧，将另一加热平板放置在热塑性复合材料远离脱模材料的一侧，并对应待修复区域的位置处，将两加热平板加热至热塑性复合材料熔融温度以上，并对两加热平板施加所需修复压力，使得两加热平板夹紧热塑性复合材料和脱模材料，且保持至所需时间，然后保持所需修复压力并冷却加热平板至所需温度，并撤离加热平板，且清理热塑性复合材料上的脱模材料；其中，将加热平板加热到热塑性复合材料熔融温度之上，施加所需修复压力并保持所需时间，然后保持修复压力并冷却至所需温度，所需加热温度能够使得热塑性复合材料树脂基体具有一定的流动，并在修复压力的作用下对复合材料中的裂纹、分层等缺陷进行填充，进而修复热塑性复合材料的内部损伤，最大程度的恢复热塑性复合材料的力学性能，使之满足使用要求；
优选的，在加热修补步骤中，加热平板的加热温度(即修复温度)大于热塑性复合材料的熔融温度10～25℃，所需修复压力为1MPa＜P＜5MPa，所需时间为15min至60min；具体的，修复温度T、修复压力P及修复压力t，随着热塑性复合材料的厚度发生微调，热塑性复合材料的厚度h＜3mm时，修复温度T＞热塑性复合材料的熔融温度Tm为(10～15℃)，修复压力1MPa＜P＜2MPa，15min＜t＜30min；厚度3mm＜h＜5mm时，修复温度T＞热塑性复合材料的熔融温度Tm为(15～20℃)，修复压力2MPa＜P＜3MPa，30min＜t＜45min；厚度5mm＜h＜8mm时，修复温度T＞热塑性复合材料的熔融温度Tm为(20～25℃)，修复压力3MPa＜P＜5MPa，45min＜t＜60min，该修复工艺能够根据复合材料的厚度，选择适宜的修复条件，合适的温度能够使得复合材料树脂基体具有一定的流动，并在修复压力的作用下对复合材料中的裂纹、分层等缺陷进行填充，进而修复热塑性复合材料的内部损伤，最大程度的恢复热塑性复合材料的力学性能，使之满足使用要求；
检查修复：将修复好的热塑性复合材料进行无损检测，检查修复效果。
作为优选的，热塑性复合材料包括树脂基体，树脂基体内填充有用于增强其结构强度的增强体纤维，树脂基体和增强体纤维的复合材料能够适应复杂的服役环境，满足大部分结构的使用要求。优选的，增强体纤维包括但不限于碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维。且优选的，树脂基体包括但不限于PEEK、PAEK、PPS热塑性树脂，使得整个树脂基体具有优异的力学性能。
进一步的，确定损伤情况和检查修复步骤中的检测过程为无损伤检测，无损伤检测采用超声扫描检测或射线检测或声发射检测，以对热塑性复合材料进行探伤和修补后的检测，保证热塑性复合材料的修补效果。优选的，无损检测方法为超声扫描，超声扫描设备具有便携的优势，可检测复合材料的损伤位置及损伤面积，能够满足快速检测的使用要求。
在选用脱模材料的步骤中，脱模材料的面积为待修复区域面积的150％以上，且脱模材料覆盖在待修复区域处。
在加热修补步骤中，加热平板的加热温度大于热塑性复合材料的熔融温度10～25℃。
在加热修补步骤中，所需修复压力为1MPa＜P＜5MPa。
在加热修补步骤中，所需时间为15min至60min。
还提供一种热塑性复合材料损伤的修复装置，包括相铰接的上加载臂和下加载臂，上加载臂的一端铰接有上支座，另一端连接有挂钩，下加载臂对应上支座的一端固定有下支座，下加载臂对应挂钩的一端铰接有电动伸缩杆，电动伸缩杆的端部与挂钩相连接，上支座和下支座分别靠近对方的一侧均设有能够覆盖待修复区域的加热平板，两加热平板加持在待修复区域的两侧表面。其中，上支座通过销孔结构与下加载臂链接，下支座固定于上加载臂，使加载臂能够均匀对模板施加压力，两加热平板根据热塑性复合材料损伤区域形状进行定制，并且能够快速拆卸更换；加热棒位于两加热平板的开孔处，能够通过温控***施加稳定的温度；电动伸缩杆通过挂钩链接上、下加载臂，能够对下模板施加压力，该工装能够更换两加热平板用以满足不同外形的复合材料的修复需求，并且能够通过延长加载力臂用以修复不同位置的损伤。
作为本发明优选的实施方式，如果面临150mm×100mm×4.5mm的碳纤维增强PAEK热塑性复合材料平板，25J能量下冲击损伤的修复。
步骤一：采用超声波扫描显微镜对冲击后的碳纤维增强PAEK热塑性复合材料进行无损检测，确定复合材料的损伤面积约为5.4cm2，内部损伤形状为椭圆形；
步骤二：选用与热塑性复合材料修复区域形状一致的平板工装；
步骤三：采用砂纸及模具清洁剂将修复热塑性复合材料冲击损伤的平板工装清洁干净，并涂抹脱模剂；
步骤四：裁切面积大于复合材料冲击损伤面积150％的脱模材料，并使其完全覆盖热塑性复合材料的损伤区域；
步骤五：将热塑性复合材料与脱模材料贴合，脱模材料与涂抹有脱模剂的平板工装贴合；
步骤六：将平板工装温度升至340℃；并施加2MPa的压力；保持温度和压力30min；
步骤七：采用超声波扫描显微镜对修复好的热塑性复合材料进行无损检测，检查修复效果。
根据上述修复方法，可以将150mm×100mm×4.5mm的碳纤维增强PAEK热塑性复合材料平板在25J能量下的冲击损伤修复完好。
作为本发明优选的实施方式，如果面临150mm×100mm×5mm的碳纤维增强PEEK热塑性复合材料平板，30J能量下冲击损伤的修复。
步骤一：采用超声波扫描显微镜对冲击后的碳纤维增强PEEK热塑性复合材料进行无损检测，确定复合材料的损伤面积约为5.6cm2，内部损伤形状为椭圆形；
步骤二：选用与热塑性复合材料修复区域形状一致的平板工装；
步骤三：采用砂纸及模具清洁剂将修复热塑性复合材料冲击损伤的平板工装清洁干净，并涂抹脱模剂；
步骤四：裁切面积大于复合材料冲击损伤面积150％的脱模材料，并使其完全覆盖复合材料的损伤区域；
步骤五：将热塑性复合材料与脱模材料贴合，脱模材料与涂抹有脱模剂的平板工装贴合；
步骤六：将平板工装温度升至390℃；并施加4MPa的压力；保持温度和压力45min；
步骤七：采用超声波扫描显微镜对修复好的热塑性复合材料进行无损检测，检查修复效果。
根据上述修复方法，可以将150mm×100mm×5mm的碳纤维增强PEEK热塑性复合材料平板在30J能量下的冲击损伤修复完好。
根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种热塑性复合材料损伤的修复方法，其特征在于，包括如下步骤：
确定损伤情况：确定热塑性复合材料的冲击损伤位置及损伤面积；
选用工装：选择两块均与所述热塑性复合材料上待修复区域形状相匹配的加热平板，并将所述加热平板进行清洁作业，且在其与所述热塑性复合材料相接处的表面上涂抹脱模剂；
选用脱模材料：准备结构大于所述热塑性复合材料上待修复区域的脱模材料；
加热修补：将所述脱模材料放置并覆盖在所述热塑性复合材料上待修复区域处，将一所述加热平板覆盖并压制在所述脱模材料远离所述待修复区域的一侧，将另一所述加热平板放置在所述热塑性复合材料远离所述脱模材料的一侧，并对应所述待修复区域的位置处，将两所述加热平板加热至所述热塑性复合材料熔融温度以上，并对两所述加热平板施加所需修复压力，使得两所述加热平板夹紧所述热塑性复合材料和所述脱模材料，且保持至所需时间，然后保持所需修复压力并冷却所述加热平板至所需温度，并撤离所述加热平板，且清理所述热塑性复合材料上的所述脱模材料；
检查修复：将修复好的所述热塑性复合材料进行无损检测，检查修复效果。
2.根据权利要求1所述的热塑性复合材料损伤的修复方法，其特征在于，所述热塑性复合材料包括树脂基体，所述树脂基体内填充有用于增强其结构强度的增强体纤维。
3.根据权利要求2所述的热塑性复合材料损伤的修复方法，其特征在于，所述增强体纤维包括但不限于碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维。
4.根据权利要求3所述的热塑性复合材料损伤的修复方法，其特征在于，所述树脂基体包括但不限于PEEK、PAEK、PPS热塑性树脂。
5.根据权利要求1至4任一项所述的热塑性复合材料损伤的修复方法，其特征在于，确定损伤情况和检查修复步骤中的检测过程为无损伤检测，所述无损伤检测采用超声扫描检测或射线检测或声发射检测。
6.根据权利要求5所述的热塑性复合材料损伤的修复方法，其特征在于，在选用脱模材料的步骤中，所述脱模材料的面积为所述待修复区域面积的150％以上，且所述脱模材料覆盖在所述待修复区域处。
7.根据权利要求6所述的热塑性复合材料损伤的修复方法，其特征在于，在加热修补步骤中，所述加热平板的加热温度大于热塑性复合材料的熔融温度10～25℃。
8.根据权利要求7所述的热塑性复合材料损伤的修复方法，其特征在于，在加热修补步骤中，所需修复压力为1MPa＜P＜5MPa。
9.根据权利要求8所述的热塑性复合材料损伤的修复方法，其特征在于，在加热修补步骤中，所需时间为15min至60min。
10.一种应用如权利要求1至9任一项所述的热塑性复合材料损伤的修复方法的修复装置，其特征在于，包括相铰接的上加载臂和下加载臂，所述上加载臂的一端铰接有上支座，另一端连接有挂钩，所述下加载臂对应所述上支座的一端固定有下支座，所述下加载臂对应所述挂钩的一端铰接有电动伸缩杆，所述电动伸缩杆的端部与所述挂钩相连接，所述上支座和所述下支座分别靠近对方的一侧均设有能够覆盖待修复区域的加热平板，两所述加热平板加持在所述待修复区域的两侧表面。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202211532245.XA CN115847886A (zh) | 2022-12-01 | 2022-12-01 | 一种热塑性复合材料损伤的修复方法及其修复装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117884453A (zh) * | 2024-01-22 | 2024-04-16 | 武汉理工大学 | 一种智能快递纸盒处理装置 |
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2022
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