利用超声波‑热原位修补热塑性复合材料缺陷的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用超声波‑热原位修补热塑性复合材料缺陷的方法，利用超声波非线性效应产生的驱动力可驱动处于缝隙外的流体填充至间隙内，从而可将同质树脂材料填入复合材料的局部分层区，实现分层缺陷的修复；利用超声填缝以及超声可提高树脂材料的流动性，增加填入树脂材料与基体材料间的润湿及结合能力以实现夹层结构复合材料承载层的原位修补，并利用后续工序最终达到接近损坏前状态的表面状态。本发明专利技术的修补工艺可降低修补温度，避免材料的过热氧化等问题，且大大提高修补效率。

By using the method of ultrasonic hot repair in situ thermoplastic composite defects

The invention discloses a method for using ultrasonic hot repair in situ defects of thermoplastic composite materials. The driving force can be driven in a fluid filled to the gap in the gap generated by the ultrasonic nonlinear effect, which can be homogeneous resin material into local layered composite materials, repair the delamination defects by ultrasonic sealing; and ultrasound can improve the fluidity of resin material, increase in wetting resin material and the matrix material between and binding ability to achieve sandwich composite bearing in situ repair layer, and the subsequent process reach the surface close to the state of damage state. The repair process of the invention can reduce the repair temperature, avoid overheating and oxidation of materials, and greatly improve the repair efficiency.

【技术实现步骤摘要】
利用超声波-热原位修补热塑性复合材料缺陷的方法
本专利技术涉及热塑性材料的修补方法领域，具体涉及一种利用超声波-热原位修补热塑性复合材料缺陷的方法。
技术介绍
热塑性复合材料具有很多独特的优点，如韧性高、抗冲击性能好、耐腐蚀性好，材料利用率高，无贮存时间限制，可重复加工等。近年来，热塑性复合材料已经在汽车、电子、电器、医药、建材、装饰材料等行业得到了广泛的应用，但在长时间使用过程中或对于特殊结构，热塑性复合材料结构局部区域可能发生分层、裂纹、断裂等缺陷；但由于热塑形复合材料结构多采用一体成型工艺，整体结构替换将造成巨大的损失和浪费，因此急需寻求一种复合材料局部修补的方法来大幅提高结构使用寿命，降低使用成本。复合材料结构修补的基本目的是在最短时间内用最少的花费使复合材料结构恢复完整性，修补所用材料应与原结构的强度和刚性相匹配，同时尽可能不增加材料的重量。目前对于热塑性复合材料的修补按修补填充材料主要可分为原料熔接和胶接两种。原料熔接法目前可采用磁感应法，超声焊接法，旋转振动焊接法和惰性气体下的焊接法。此类方法由于修复点与原本材料一致，所有化学性质、热性质均保持不变，从而所获得的结合点普遍具有极好的机械性能,结点质量高。此法的另一优点是,热源只使最接近热载体表面的材料融熔,而不会使待修复结构变形。磁-热感应法是用一个或多个铁磁线圈感应出强磁场。此方法应用范围较广，但由于感应加热范围的限制，对特殊复杂结构的局部修补存在很大困难；其次，此方法需在修补界面间放置钢片，对于厚度较薄或缺陷位置不规则的区域很难实现钢片的放置；再次，对于非断裂缺陷，运用此方法可能存在由于无法两侧加压，从而无法修补的问题。超声焊接法是利用振动的焊接头将机械能转化成热能,此方法适用于对由冲击造成的缺陷进行补钉型修补。目前已有手提式焊接工具，修补过程简单快捷。但是，该法目前还不能对对接缺陷进行修复如裂纹，断裂等。旋转振动法为利用旋转振动在待修补界面上将机械能转化为热能，该方法可实现断裂型对接缺陷的修复，但对于非完全断裂的局部裂纹无法实现修补。胶接法是较为常用的热塑性复合材料局部修补技术，主要为通过胶接、铺层、加压固化等过程使零件恢复原来的设计要求及外形一般包括注射、补片和换芯修补等。填充主要针对复合材料边缘开胶、分层及孔洞等损伤或缺陷，修补所用工具设备较简单，甚至室温下即可进行修补，但其对高强度、高应力要求区域不能使用。贴补法则是在损伤结构的外部通过胶接来固定一个外部贴补片来恢复结构强度、刚性及设计要求，但这种方法会破坏材料的外形，对外形精度要求不高的零件可以使用。中国专利CN102922834A公开了一种热塑性复合材料开孔制件的补强片设计及补强方法，采用与开孔部位形状大小相匹配的径向纤维轨迹层合环向纤维轨迹层的补强片对开孔制件进行补强。中国专利CN102935721A公开了一种纤维复合材料开孔制件的补强片设计及补强方法。挖补法则是一种应用范围最广的修补方法，但对操作者和外部条件的要求也更高，首先需要去除缺陷或损伤的部位，再采用斜接法或阶梯法进行填补，固化过程需要对整体结构在真空环境中加温加压以保证产品质量与外形恢复。总而言之，对于胶接法对复合材料进行修复仍存在固化时间长、工艺过程复杂、与原材料相容性差等问题。中国专利CN103770346A公开了一种热塑性蜂窝板的修复方法，主要修补步骤包括，定位，锯切，填补，烫平。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供了一种利用超声波的声学效应对不同结构复合材料的缺陷进行微创修复的利用超声波-热原位修补热塑性复合材料缺陷的方法。本专利技术采取的技术方案是：一种利用超声波-热原位修补热塑性复合材料缺陷的方法，包括如下三种修复方法及其修补步骤一、局部分层缺陷的修复步骤1：对待修复复合材料分层位置进行检测，确定分层位置；对复合材料分层区两侧进行钻孔，孔隙直径范围为200-3000μm，制造出开放型缺陷模式；配制与原复合材料成分完全相同的树脂胶备用；步骤2：利用超声-热复合系统将树备用脂胶加热至可流动状态，为树脂熔融温度以上0～50℃，置于预制孔处；利用超声工具在预制孔旁施加超声振动，超声振幅3-40μm，超声频率20-80kHz；在超声作用下具有流动性的树脂胶沿孔隙填入分层区，持续超声至树脂由另一侧孔隙流出；继续施加超声5～60s，停止超声，树脂填充过程结束，树脂可在超声作用下完全填满整个分层区；步骤3：对修补区进行固化处理，固化前期采用断续施加超声振动以增强层间结合能力，超声间隔为1～30s,施加时间为1～2min，超声振幅为3～40μm，超声频率20-80kHz；二、孔边分层缺陷的修复步骤1：利用超声-热复合系统将树脂胶加热至可流动状态，为树脂熔融温度以上0～50℃放置于孔边分层区表面；此时利用超声工具施加超声振动，超声振幅3-40μm，超声频率20-80kHz；在超声作用下具有流动性的树脂胶填入分层区，持续超声至树脂不再填入，继续施加超声5～60s，停止超声，树脂填充过程结束，树脂可在超声作用下完全填满整个分层区；步骤2：对修补区进行固化处理，固化前期采用断续施加超声振动以增强层间结合能力超声间隔为1～30s,施加时间为1～2min，超声振幅为3～40μm，超声频率20-80kHz。固化后采用机械方法除去多余树脂胶；三、夹层结构复合材料承载层裂纹及破损的修复步骤1：将与待修复热塑性材料同质或异质的树脂制备为相同颜色及状态，且直径为0.5～3mm的丝状，作为修补填充材料；将超声-热系统加热至树脂材料熔化温度以上0～150℃；将丝状填充材料置于待修复位置，利用超声工具将丝状填充材料加热熔化；施加超声振动，超声振幅3-40μm，超声频率20-80kHz，熔化的填充材料可在超声作用下迅速填充至待修复裂纹及破损区域内，与原结构材料发生结合；持续超声作用，使填充材料与原母材良好结合，并利用超声工具对修复区表面进行碾压，使表面平整；步骤2：对填料后的表面进行表面处理，使修复表面恢复原有形貌，使修复后表面实现90%以上的还原。作为一种优选的技术方案：所述的超声工具包括温度传感器、超声工具头、不锈钢保护罩及散热孔、加热器、压电陶瓷、声极变幅杆以及冷却空气及电缆入口；所述温度传感器置于超声工具的前端，温度传感器的前端外侧设有超声工具头，后端穿过不锈钢保护罩及散热孔接有声极变幅杆，且温度传感器两侧设有加热器；声极变幅杆另一端接有压电陶瓷，压电陶瓷与外侧冷却空气及电缆入口相接；所述的超声工具可输出频率为20～80kHz，振幅为3～40μm。作为一种优选的技术方案：所述的利用超声波-热原位修补热塑性复合材料缺陷的方法除适用于热塑性复合材料外，同样适用于热塑性材料。本专利技术的有益效果是：（1）利用超声波诱导填缝的作用可实现内部局部分层缺陷的微创修复，修复过程不需要对破损区域进行挖除，修复后原结构基本不发生变化，最大程度上维持原结构的使用性能；（2）超声波可促进材料的流动性及润湿性，对于粘性较大的树脂材料作用更加明显，因此可降低修补温度，提高结合强度，避免材料的过热氧化等问题；（3）修复过程在大气环境下进行，设备灵活，小巧，工艺过程简单；（4）一次填料时间仅需30～60s，可大大提高修补效率。附图说明图1为本专利技术提出的利用超声波-热本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用超声波‑热原位修补热塑性复合材料缺陷的方法，其特征在于：包括如下三种修复方法及其修补步骤一、局部分层缺陷的修复步骤1：对待修复复合材料分层位置进行检测，确定分层位置；对复合材料分层区两侧进行钻孔，孔隙直径范围为200‑3000μm，制造出开放型缺陷模式；配制与原复合材料成分完全相同的树脂胶备用；步骤2：利用超声‑热复合系统将树备用脂胶加热至可流动状态，为树脂熔融温度以上0～50℃，置于预制孔处；利用超声工具在预制孔旁施加超声振动，超声振幅3‑40μm，超声频率20‑80kHz；在超声作用下具有流动性的树脂胶沿孔隙填入分层区，持续超声至树脂由另一侧孔隙流出；继续施加超声5～60s，停止超声，树脂填充过程结束，树脂可在超声作用下完全填满整个分层区；步骤3：对修补区进行固化处理，固化前期采用断续施加超声振动以增强层间结合能力，超声间隔为1～30s,施加时间为1～2min，超声振幅为3～40μm，超声频率20‑80kHz；二、孔边分层缺陷的修复步骤1：利用超声‑热复合系统将树脂胶加热至可流动状态，为树脂熔融温度以上0～50℃放置于孔边分层区表面；此时利用超声工具施加超声振动，超声振幅3‑40μm，超声频率20‑80kHz；在超声作用下具有流动性的树脂胶填入分层区，持续超声至树脂不再填入；继续施加超声5～60s，停止超声，树脂填充过程结束，树脂可在超声作用下完全填满整个分层区；步骤2：对修补区进行固化处理，固化前期采用断续施加超声振动以增强层间结合能力超声间隔为1～30s,施加时间为1～2min，超声振幅为3～40μm，超声频率20‑80kHz；固化后采用机械方法除去多余树脂胶；三、夹层结构复合材料承载层裂纹及破损的修复步骤1：将与待修复热塑性材料同质或异质的树脂制备为相同颜色及状态，且直径为0.5～3mm的丝状，作为修补填充材料；将超声‑热系统加热至树脂材料熔化温度以上0～150℃；将丝状填充材料置于待修复位置，利用超声工具将丝状填充材料加热熔化；施加超声振动，超声振幅3‑40μm，超声频率20‑80kHz，熔化的填充材料可在超声作用下迅速填充至待修复裂纹及破损区域内，与原结构材料发生结合；持续超声作用，使填充材料与原母材良好结合，并利用超声工具对修复区表面进行碾压，使表面平整；步骤2：对填料后的表面进行表面处理，使修复表面恢复原有形貌，使修复后表面实现90%以上的还原。...

【技术特征摘要】
1.一种利用超声波-热原位修补热塑性复合材料缺陷的方法，其特征在于：包括如下三种修复方法及其修补步骤一、局部分层缺陷的修复步骤1：对待修复复合材料分层位置进行检测，确定分层位置；对复合材料分层区两侧进行钻孔，孔隙直径范围为200-3000μm，制造出开放型缺陷模式；配制与原复合材料成分完全相同的树脂胶备用；步骤2：利用超声-热复合系统将树备用脂胶加热至可流动状态，为树脂熔融温度以上0～50℃，置于预制孔处；利用超声工具在预制孔旁施加超声振动，超声振幅3-40μm，超声频率20-80kHz；在超声作用下具有流动性的树脂胶沿孔隙填入分层区，持续超声至树脂由另一侧孔隙流出；继续施加超声5～60s，停止超声，树脂填充过程结束，树脂可在超声作用下完全填满整个分层区；步骤3：对修补区进行固化处理，固化前期采用断续施加超声振动以增强层间结合能力，超声间隔为1～30s,施加时间为1～2min，超声振幅为3～40μm，超声频率20-80kHz；二、孔边分层缺陷的修复步骤1：利用超声-热复合系统将树脂胶加热至可流动状态，为树脂熔融温度以上0～50℃放置于孔边分层区表面；此时利用超声工具施加超声振动，超声振幅3-40μm，超声频率20-80kHz；在超声作用下具有流动性的树脂胶填入分层区，持续超声至树脂不再填入；继续施加超声5～60s，停止超声，树脂填充过程结束，树脂可在超声作用下完全填满整个分层区；步骤2：对修补区进行固化处理，固化前期采用断续施加超声振动以增强层间结合能力超声间隔为1～30s,施加时间为1～2min，超声振幅为3～40μm，超声频率20-80kHz；固化后采用机械方法除去...

【专利技术属性】
技术研发人员：马琳，姬书得，张利国，
申请(专利权)人：马琳，
类型：发明
国别省市：辽宁,21