CN111844818A - 一种树脂基纤维增强复合材料损伤的修复方法及加压修复装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于复合材料修复技术领域，特别是涉及一种树脂基纤维增强复合材料损伤的修复方法及加压修复装置。该技术方案包括以下步骤：准备加载框架、充压胶囊、加压块和支撑块，其中加载框架由支撑平台、支持框架、连接段三部分通过螺栓组装而成；充压胶囊由软体胶囊和刚性外壳两部分装配而成；加压块和支撑块按修复区表面形状加工。维修时，先按现行修复工艺要求将复合材料结构件处理成为待修复固化组件；再将其安装在加载框架上，修复区域背面用支撑块支撑，表面用加压块和充压胶囊贴合安装；最后按照固化要求，进行加压加热固化完成修复。本发明可采用与基体同材料维修，固化压力大，修复区域粘接可靠，成型密度高强度大，质量优于现有技术。

Description

一种树脂基纤维增强复合材料损伤的修复方法及加压修复 装置

技术领域

本发明属于复合材料修复技术领域，具体涉及一种树脂基纤维增强复合材料损伤的修复方法及加压修复装置。

背景技术

复合材料的可设计性强、重量轻、比强度高，耐腐蚀及独特的电磁穿透性能优良，使其被广泛应用于航空航天、汽车工业、运动器材、医疗器材、电子产品等各个尖端工业领域。由于复合材料在使用和维护过程中可能会遭受工具掉落、跑道碎石、冰雹和鸟撞等以冲击损伤为主的各种结构破坏，极易产生如裂纹、缺口、分层和破孔等损伤，这将显著降低复合材料的静、动态载荷性能，严重时会直接威胁复合材料制件的使用安全。

现有的复合材料修复主要通过损伤区域预处理后，再使用热补仪进行加温和抽真空实现复合材料修复区域(维修补片)固化。但复合材料制件通常采用热压罐固化工艺制备，而后期修补时受加压条件的限制，为减少树脂固化产生的空隙和气孔，只能使用流动性好且固化压力较低的树脂进行修补，由此造成了修补区域材料与原基体不同，存在明显粘接界面，且较低的固化压力使得修复区域成型后密度和强度偏低，进而影响了修复区域强度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种树脂基纤维增强复合材料损伤的修复方法及加压修复装置，在现有加温和抽真空固化的技术基础上，增加了使用充压胶囊提高固化压力的技术，从而大幅度地提升维修补片和修复区域力学性能，获得与热压罐固化工艺相类似的复合材料补片固化质量和优良的胶接质量。

本发明的实现过程如下：

一种树脂基纤维增强复合材料损伤的修复方法，在修复树脂基纤维增强复合材料结构件过程中，通过加压修复装置增加固化过程中的压力。

上述树脂基纤维增强复合材料损伤的修复方法，包括如下步骤：

步骤一、根据需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件的外形尺寸设计并加工加载框架；

步骤二、根据需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件上所需修复区域尺寸、表面形状和背面形状加工充压胶囊、加压块和支撑块；

步骤三、使用修复补片粘贴、加热毯铺设和真空袋安装过程，对需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件的修复区域进行修复补片粘贴、加热毯铺设和真空袋安装，得到待修复固化组件；

步骤四、将待修复固化组件安装加载框架上，并在修复区域背面用支撑块支撑；

步骤五、沿修复区域中心法线方向安装加压块和充压胶囊，并用加载框架连接固定充压胶囊，调节加载框架的连接段使充压胶囊充压后软体胶囊膨胀量不大于10mm；

步骤六、根据步骤三中修复补片所使用材料的固化要求，对充压胶囊进行充压检查，确认充压胶囊密封情况、加压块贴合情况，及待修复固化组件的修复区域变形、位移情况是否满足持续贴合加压要求；

步骤七、根据步骤三中修复补片所使用材料的固化要求，进行加压加热固化，固化结束后得到修复完成的树脂基纤维增强复合材料结构件。

上述加压修复装置，包括加载框架、充压胶囊、加压块和支撑块，所述加载框架内从从下至上依次安装支撑块、加压块、充压胶囊，所述支撑块和加压块之间设置有待修复固化组件。

进一步，所述加载框架包括支撑平台、支持框架和连接段，所述支撑平台上安装支持框架，所述支持框架中部安装连接段；所述支撑平台为平台结构或框架结构，支持框架为龙门架结构或悬臂结构，连接段为下端设置有铰接头结构的连接螺杆，所述支撑平台与支持框架通过螺栓连接，所述支持框架与连接段通过螺纹连接。

进一步，所述充压胶囊包括软体胶囊和刚性外壳，所述软体胶囊为柔性材料制成的厚度为0.05mm至50mm的囊状结构，所述软体胶囊上表面设置有与囊状结构内腔连通的充压接口；所述刚性外壳为开口盒型结构，开口盒型结构的内部空腔截面积尺寸与软体胶囊相匹配，且软体胶囊位于刚性外壳内，刚性外壳的上表面预留有用于贯穿充压接口的接口开孔和用于与连接段的铰接头结构相匹配的安装接头。

进一步，所述柔性材料选自真空袋、真空膜、硅橡胶、氟橡胶丁腈橡胶、氯丁橡胶、聚丙烯橡胶或聚氨酯橡胶任意一种。

进一步，所述加压块的上表面尺寸与刚性外壳的内腔相匹配，且在加压过程中能够在刚性外壳的内腔自由移动；加压块的厚度H≥需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件的修复区域最深处与修复区域上表面的距离h；所述加压块的下表面根据需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件的修复区域的表面形状加工，加压块的上表面与需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件的修复区域中心点法线垂直。

进一步，所述加压块由橡胶材料制成，确保充压胶囊的加压载荷均匀传递至需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件的修复区域的上表面。

进一步，所述支撑块包括曲面体和设置在曲面体上的保护层；所述曲面体的上表面尺寸大小≥加压块的下表面尺寸，且曲面体的投影轮廓将加压块的投影轮廓完全覆盖，所述曲面体的厚度D≥需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件的修复区域下表面曲面的垂直距离d，曲面体的上表面根据需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件的修复区域的表面形状加工，曲面体的下表面与需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件的修复区域中心点法线垂直；所述保护层通过粘结胶粘贴在曲面体上，所述保护层的尺寸大小与曲面体的上表面尺寸相匹配，所述保护层的上表面与需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件的下表面相贴合。

进一步，所述曲面体通过数控加工或3D打印制造，所述曲面体的材料选用可承受充压胶囊加压载荷的硬质材料；所述保护层为厚度0.5mm至50mm的软毡或橡胶片。

本发明所述加压块的下表面根据需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件的修复区域的表面形状加工，一般情况下是采用圆形去包括整个损伤区域，圆形的维修片比较好加工，异性的难加工。

本发明所述曲面体的材料选用可承受充压胶囊加压载荷的硬质材料，所述硬质材料为尼龙、四氟乙烯等耐高温非金属材料或者铝合金、铜、铁等耐温金属材料均可。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明在现有工艺技术基础上所做改进，可以在不大幅增加工艺难度和费用的前提下，大幅增加复合材料结构件维修区成型后的密度和强度，提高维修质量。

(2)本发明可使用与复合材料结构件基体相同的树脂与纤维材料，相同的固化温度和固化压力，有助于维修补片与基体之间形成更加可靠的胶接界面。

附图说明

图1为本发明实施例所述需维修的复合材料结构件示意图；

图2为本发明实施例所述需维修的复合材料结构件的剖面示意图；

图3为本发明实施例所述加载框架结构示意图；

图4为本发明实施例所述充压胶囊外观示意图；

图5为本发明实施例所述软体胶囊的局部剖切的示意图；

图6为本发明实施例所述加压块结构示意图；

图7为本发明实施例所述支撑块结构示意图；

图8为本发明实施例所述加压修复装置在使用过程中的装配关系示意图；

图9为本发明实施例所述加压修复装置中尺寸标注图；

图10为现有技术中真空袋、加热毯的安装形式示意图；

图11为实施例2中BA9913单向带预浸料固化要求曲线；

图中，010需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件，011弧形凸起区域，012修复区域，020加载框架，021支撑平台，022支持框架，023连接段，030充压胶囊，031软体胶囊，031a充压接口，032刚性外壳，032a接口开孔，032b安装接头，040加压块，040a加压块下表面，040b加压块上表面，050支撑块，051曲面体，052保护层，051a曲面体上表面，051b曲面体下表面，060待修复固化组件，H加压块的厚度，h需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件的修复区域最深处与修复区域上表面的距离，D曲面体的厚度，d需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件的修复区域下表面曲面的垂直距离。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

本实施例所述树脂基纤维增强复合材料损伤的修复方法的设计思路是在修复树脂基纤维增强复合材料结构件过程中，通过加压修复装置增加固化过程中的压力。所述加压修复装置，包括加载框架020、充压胶囊030、加压块040和支撑块050，所述加载框架020内从从下至上依次安装支撑块050、加压块040、充压胶囊030，所述支撑块050和加压块040之间设置有待修复固化组件060。

本实施例所述树脂基纤维增强复合材料损伤的修复方法，包括如下步骤：

步骤一、根据需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件010的外形尺寸设计并加工加载框架020；

步骤二、根据需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件010上所需修复区域012尺寸、表面形状和背面形状加工充压胶囊030、加压块040和支撑块050；

上述需修复的树脂基纤维增强需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件010如图1所示，其外形为中央弧形凸起的方形薄板，整体高度为27mm。修复区域012位于弧形凸起区域011中央，直径为50mm。根据需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件010外形尺寸，除按照现行工艺要求准备相应材料用品外，还需要准备加载框架020、充压胶囊030、加压块040和支撑块050。

准备加载框架020如图3所示，其由支撑平台021，支持框架022，连接段023三部分通过螺栓组装而成，所述支撑平台021上安装支持框架022，所述支持框架022中部安装连接段023。支撑平台021为平台结构，用于安装固定需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件010和支持框架022；支持框架022为龙门架结构(一般会做几个不同高度的龙门架结构，根据需要换)，用于将充压胶囊030的加压产生的支反力传递至支撑平台021；连接段023为下端设置有铰接头结构的连接螺杆，用于通过螺纹调节固定充压胶囊030安装位置。

准备充压胶囊030如图4所示，其由软体胶囊031(见图5)和刚性外壳032两部分装配而成，软体胶囊根据使用温度和拉伸变形量选择厚度为2mm的硅橡胶制成，直径100mm，并在上表面预留充压接口031a；刚性外壳为开口盒型结构，内部空腔截面积尺寸软体胶囊031相同，深度15mm，背面预留有接口开孔032a和安装接头032b。

加压块040如图6所示，其直径为100mm，整体厚度20mm，加压块下表面040b以需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件010的修复区域012为中心，按照直径为100mm的弧形凸起区域011表面进行加工；加压块上表面040a与修复区域012中心点法线垂直。加压块040由橡胶材料制成，确保充压胶囊030的加压载荷可以均匀传递至需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件010的修复区域012表面。

支撑块050如图7所示，其由曲面体051和保护层052组成。曲面体051直径150mm，厚度D为25mm，曲面体上表面051a以需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件010的修复区域012为中心，按照直径为150mm的弧形凸起区域011背面进行加工；曲面体下表面051b与修复区域012中心点法线垂直，曲面体为3D打印的尼龙块。保护层052为厚度3mm的橡胶片，通过粘结胶粘贴在曲面体051上表面，确保承压时载荷传递均匀。

步骤三、使用修复补片粘贴、加热毯铺设和真空袋安装过程，对需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件010的修复区域012进行修复补片粘贴、加热毯铺设和真空袋安装，得到待修复固化组件060；

步骤四、将待修复固化组件060安装加载框架020上，并在修复区域012背面用支撑块050支撑；

步骤五、沿修复区域012中心法线方向安装加压块040和充压胶囊030，并用加载框架020连接固定充压胶囊030，调节加载框架020的连接段023使充压胶囊030充压后软体胶囊031膨胀量不大于10mm；

具体是：对待修复固化组件060加压时，先将支撑块050放置在支撑平台021中央区域；再将处理好的待修复固化组件060用支撑块050在修复区域012背面支撑好，并注意支撑块050中心应与修复区域012中心重合；然后依次在修复区域012上方叠放加压块040和充压胶囊030；最后安装支持框架022，调节连接段023的位置、长度与角度，连接固定充压胶囊030位置，确保充压胶囊030未充压前，加压块040已紧密贴合待修复固化组件060。安装后状态如图8和图9所示；

步骤六、根据步骤三中修复补片所使用材料的固化要求，对充压胶囊030进行充压检查，确认充压胶囊030密封情况、加压块040贴合情况，及待修复固化组件060的修复区域012变形、位移情况是否满足持续贴合加压要求；

步骤七、根据步骤三中修复补片所使用材料的固化要求，进行加压加热固化，固化结束后得到修复完成的树脂基纤维增强复合材料结构件。

待固化结束后，移除所有抽真空、加压、加热装置，检查确认修复质量，最终完成修复。

修复区域012强度比现有技术修复的综合性能提高5％以上。主要测试标准主要是：

ASTM D790–10

Standard Test Methods forFlexural Properties of Unreinforced andReinforced Plastics and Electrical Insulating Materials

ASTM D 2344/D 2344M–00(Reapproved 2006)

Standard Test Method forShort-Beam Strength of Polymer MatrixComposite Materials and Their Laminates

ASTM D3518/D3518M-18

Standard Test Method for In-Plane Shear Response of Polymer MatrixComposite Materials by Tensile Test ofa±45°Laminate

ASTM D3039/D3039M-17

Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer MatrixComposite Materials。

本发明方法中涉及的修复补片粘贴、加热毯铺设和真空袋安装过程可以参考现有技术中的工艺；修复补片所使用材料的固化要求与所使用的树脂材料有关，每种树脂都有自己的固化要求。

本发明所述树脂基纤维增强复合材料损伤的修复方法适用于树脂基纤维增强复合材料这一个大类的复合材料。

树脂基纤维增强复合材料损伤的修复方法中需要根据材料类型和结构，参考以下资料确定修复工艺：

1.陈绍杰复合材料结构维修指南[M]北京：航空工业出版社2011。

2.乔新波音飞机复合材料结构修理教程[M]北京：民航出版社1996。

3.MIL-HDBK-17-3F,DOD,USA,2002-06-17。

4.陈绍杰复合材料结构维修及实用保障技术[J]航空制造工厂，1995[3]。

5.FAAAC20-107B CompositeAircraft Structure，2009-09-08。

6.(英)基思·B.阿姆斯特朗(Keith B.Armstrong),(英)L.格雷厄姆·贝文(Grahama Bevan),(英)威廉·F.科尔Ⅱ(Willam Cole)著；陈晨,郑晓然译先进复合材料的保养和维修北京：航空工业出版社2017-07-01

实施例2

以某碳纤维树脂基复合材料层压板舱门盖受到硬块冲击损伤后修复为例：

1.将舱门拆卸后表面用清洗剂清洗干净，去除表面灰尘、油污等附着物；

2.利用超声波检测设备对损伤区域进行检测，确认损伤区域面积及分层情况，并对维修区域进行标记；

3.去除维修区域表面的油漆等保护性涂层，漏出复合材料基体；

4.对维修区域进行铺层台阶打磨，去除受损材料；

5.对打磨后的维修区域使用专用清洗溶剂进行清洗，多余溶剂应擦拭干净，并等待维修区域溶剂完全挥发干净；

6.根据维修区域形状，剪裁预浸料制备一个与维修区域原纤维铺层方向一致的维修补片，补片表面多增加一层铺层，并在维修区域边缘处形成约0.5英寸的搭接区域；

7.将维修补片粘贴至维修区域，粘贴时应注意保持纤维铺层方向一致，并保证表面平整无褶皱无杂质或液体混入，必要时可使用真空袋抽真空以去除铺层之间的空气与水分；

8.按照图10结构进行真空袋和加热毯的铺设，并确认真空密封无泄漏；(完成待固化维修件)

(参考现有技术1，复合材料航空应用及其修复：

https://wenku.baidu.com/view/02bd8a708e9951e79b8927d1.html？sxts＝1592551563818)中“三、飞机复合材料的修理部分中的真空包热补仪固化维修图”

(参考现有技术2，飞机复合材料修理：

https://wenku.baidu.com/view/5b3e8414cc7931b765ce1549.html)

9.将对应维修件尺寸的加载框架020、充压胶囊030、加压块040和支撑块050准备好；

10.将待修复固化维修件安装加载框架020上，并在修复区域012背面用支撑块050支撑，检查确认无大于0.1mm的缝隙；

11.沿修复区域012中心法线方向安装加压块040和充压胶囊030，并用加载框架020连接固定充压胶囊030，调节加载框架020的连接段023使充压胶囊030充压后软体胶囊031膨胀量在5mm左右；

12.以BA9913单向带预浸料进行修复为例，首先将真空袋抽真空至-0074MPa以下，在对充压胶囊030充压至0.6MPa，检查确认充压胶囊030无泄漏、加压块040完全贴合、待修复固化维修件的修复区域012无翘曲变形，加压稳定无滑动；

13.按照图11的BA9913单向带预浸料固化要求，使用加热毯进行加热；

14.固化程序结束后，去除真空袋、加热毯等修补材料。

15.利用超声波检测设备对维修区域的修复质量进行检测，确认无分层脱粘

16.表面打磨清洗后，恢复原有保护性涂层；

17.维修结束。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作出的进一步详细说明，非对本发明权利要求保护范围的限制。对于本发明所属领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术方案实质的前提下，还可以作出若干简单推演或替换，均视为属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种树脂基纤维增强复合材料损伤的修复方法，其特征在于：在修复树脂基纤维增强复合材料结构件过程中，通过加压修复装置增加固化过程中的压力。

2.根据权利要求1所述树脂基纤维增强复合材料损伤的修复方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、根据需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件(010)的外形尺寸设计并加工加载框架(020)；

步骤二、根据需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件(010)上所需修复区域(012)尺寸、表面形状和背面形状加工充压胶囊(030)、加压块(040)和支撑块(050)；

步骤三、使用修复补片粘贴、加热毯铺设和真空袋安装过程，对需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件(010)的修复区域(012)进行修复补片粘贴、加热毯铺设和真空袋安装，得到待修复固化组件(060)；

步骤四、将待修复固化组件(060)安装加载框架(020)上，并在修复区域(012)背面用支撑块(050)支撑；

步骤五、沿修复区域(012)中心法线方向安装加压块(040)和充压胶囊(030)，并用加载框架(020)连接固定充压胶囊(030)，调节加载框架(020)的连接段(023)使充压胶囊(030)充压后软体胶囊(031)膨胀量不大于10mm；

步骤六、根据步骤三中修复补片所使用材料的固化要求，对充压胶囊(030)进行充压检查，确认充压胶囊(030)密封情况、加压块(040)贴合情况，及待修复固化组件(060)的修复区域(012)变形、位移情况是否满足持续贴合加压要求；

步骤七、根据步骤三中修复补片所使用材料的固化要求，进行加压加热固化，固化结束后得到修复完成的树脂基纤维增强复合材料结构件。

3.权利要求1所述加压修复装置，其特征在于：包括加载框架(020)、充压胶囊(030)、加压块(040)和支撑块(050)，所述加载框架(020)内从从下至上依次安装支撑块(050)、加压块(040)、充压胶囊(030)，所述支撑块(050)和加压块(040)之间设置有待修复固化组件(060)。

4.根据权利要求3所述加压修复装置，其特征在于：所述加载框架(020)包括支撑平台(021)、支持框架(022)和连接段(023)，所述支撑平台(021)上安装支持框架(022)，所述支持框架(022)中部安装连接段(023)；所述支撑平台(021)为平台结构或框架结构，支持框架(022)为龙门架结构或悬臂结构，连接段(023)为下端设置有铰接头结构的连接螺杆，所述支撑平台(021)与支持框架(022)通过螺栓连接，所述支持框架(022)与连接段(023)通过螺纹连接。

5.根据权利要求4所述加压修复装置，其特征在于：所述充压胶囊(030)包括软体胶囊(031)和刚性外壳(032)，所述软体胶囊(031)为柔性材料制成的厚度为0.05mm至50mm的囊状结构，所述软体胶囊(031)上表面设置有与囊状结构内腔连通的充压接口(031a)；所述刚性外壳(032)为开口盒型结构，开口盒型结构的内部空腔截面积尺寸与软体胶囊(031)相匹配，且软体胶囊(031)位于刚性外壳(032)内，刚性外壳(032)的上表面预留有用于贯穿充压接口(031a)的接口开孔(032a)和用于与连接段(023)的铰接头结构相匹配的安装接头(032b)。

6.根据权利要求5所述加压修复装置，其特征在于：所述柔性材料选自真空袋、真空膜、硅橡胶、氟橡胶丁腈橡胶、氯丁橡胶、聚丙烯橡胶或聚氨酯橡胶任意一种。

7.根据权利要求5所述加压修复装置，其特征在于：所述加压块(040)的上表面(040a)尺寸与刚性外壳(032)的内腔相匹配，且在加压过程中能够在刚性外壳(032)的内腔自由移动；加压块(040)的厚度(H)≥需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件(010)的修复区域(012)最深处与修复区域(012)上表面的距离(h)；所述加压块(040)的下表面(040b)根据需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件(010)的修复区域(012)的表面形状加工，加压块(040)的上表面(040a)与需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件(010)的修复区域(012)中心点法线垂直。

8.根据权利要求7所述加压修复装置，其特征在于：所述加压块(040)由橡胶材料制成，确保充压胶囊(030)的加压载荷均匀传递至需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件(010)的修复区域(012)的上表面。

9.根据权利要求8所述加压修复装置，其特征在于：所述支撑块(050)包括曲面体(051)和设置在曲面体(051)上的保护层(052)；所述曲面体(051)的上表面(051a)尺寸大小≥加压块(040)的下表面(040a)尺寸，且曲面体(051)的投影轮廓将加压块(040)的投影轮廓完全覆盖，所述曲面体(051)的厚度(D)≥需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件(010)的修复区域(012)下表面曲面的垂直距离(d)，曲面体(051)的上表面(051a)根据需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件(010)的修复区域(012)的表面形状加工，曲面体(051)的下表面(051b)与需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件(010)的修复区域(012)中心点法线垂直；所述保护层(052)通过粘结胶粘贴在曲面体(051)上，所述保护层(052)的尺寸大小与曲面体(051)的上表面(051a)尺寸相匹配，所述保护层(052)的上表面与需修复的树脂基纤维增强复合材料结构件(010)的下表面相贴合。

10.根据权利要求9所述加压修复装置，其特征在于：所述曲面体(051)通过数控加工或3D打印制造，所述曲面体(051)的材料选用可承受充压胶囊加压载荷的硬质材料；所述保护层(052)为厚度0.5mm至50mm的软毡或橡胶片。

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