一种热塑性复合材料损伤修复方法技术

本发明专利技术属于复合材料制造技术领域，特别涉及一种热塑性复合材料损伤修复方法。本发明专利技术一方面通过制备玻璃化温度/熔点较低的热塑性薄膜并置于补片和嵌接区之间，通过焊接充分熔融填充二者之间的缝隙并形成较理想的粘结层；同时，通过便携激光立体成像技术逆向构建嵌接区的精确三维几何构型，并通过激光辅助定位打磨设备实现补片的加工，降低补片与嵌接区的公差，消除应力集中，提高结构的使用寿命。提高结构的使用寿命。提高结构的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种热塑性复合材料损伤修复方法


[0001]本专利技术属于复合材料制造
，特别涉及一种热塑性复合材料损伤修复方法。

技术介绍

[0002]损伤修复是复合材料结构大面积应用之后所面临的主要问题之一。由于材质匹配、应力集中、电化学腐蚀等原因，传统的栓接
‑
补片修补方法只适用于金属材质飞机，而不适合复合材料结构。即使采用复合材料补片，也要尽量避免钻孔而导致机械性能的损失。采用热固性粘合剂将补片与破损处粘接是修补的较好的解决方法之一。然而，环氧粘合剂的长固化周期、苛刻的预浸料保存环境使它们相对不适于现场快速修复。热塑性塑料相对于热固性塑料最大优点是它们可以熔化并重新成型，脱粘和其它形式的损伤可以基于熔融焊接技术实现现场快速修复。热塑性复合材料的热修补对补片和嵌接内壁的几何相容性要求高于热固性复合材料，技术关键是要解决带有误差的嵌接区和补片的阴阳配合面的加工问题。针对此问题，专利申请号为CN202111606425.3的专利文献公开了一种快速修补用纤维增强复合材料补片制备装置及方法，采用硅橡胶模具可反复拓取飞机受损区域的表面轮廓。专利申请号为CN202110782122.0的专利文献公开了一种夹芯复合材料板的修补方法，采用手工铺放的方法对损坏区域进行修补。专利申请号为CN202111340733.6的专利文献公开了一种结构功能一体化复合材料产品的修补方法，能够对待修补部位进行精确定位，且修补过程中实时检测修补效果。这些方法为补片的制作和修补方法提供了很好的思路，然而，这些方法难以实现补片与嵌接区的精准匹配且修补后在连接界面易存在孔隙和气泡等缺陷，修补效果不佳。

技术实现思路

[0003]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种热塑性复合材料损伤修复方法。一方面通过制备玻璃化温度/熔点较低的热塑性薄膜并置于补片和嵌接区之间，通过焊接充分熔融填充二者之间的缝隙并形成较理想的粘结层；同时，通过便携激光立体成像技术逆向构建嵌接区的精确三维几何构型，并通过激光辅助定位打磨设备实现补片的加工，降低补片与嵌接区的公差，消除应力集中，提高结构的使用寿命。
[0004]一种热塑性复合材料损伤修复方法，包括以下步骤：
[0005]步骤(1)、激光打磨与激光扫描损伤区域：根据待修复的复合材料的损伤半径按圆形或椭圆形去除损伤材料，并按照打磨斜角针对孔边缘进行激光打磨得到修补面。然后，采用激光扫描的方式得到修补面的三维曲面点云数据。
[0006]步骤(2)、热塑性薄膜的铺覆：根据修补面的尺寸裁剪热塑性薄膜并铺覆于修补面上。
[0007]步骤(3)、热塑性补片制备：根据修补面的点云数据制备模具，通过制备的模具热压得到热塑性补片，对热塑性补片进行激光打磨使其更加契合修补面的形状。
[0008]步骤(4)、真空辅助焊接：将热塑性补片置于嵌接区中，上层覆盖加热单元，在加热单元上覆盖玻纤透气布进行隔热，接着采用耐高温真空袋进行密封。通电加热，冷却后用直角打磨机去掉加热层。
[0009]进一步的，如上述所述热塑性复合材料损伤修复方法中，在步骤(1)中所述的待修复复合材料为热塑性纤维增强复合材料，热塑性基体为聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚醚酮酮(PEEKK)、聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚砜(PES)、聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)或以上高分子聚合物的改性树脂。
[0010]进一步的，如上述所述热塑性复合材料损伤修复方法中，在步骤(1)中所述的打磨斜角度数为10
°
～30
°
。
[0011]进一步的，如上述所述热塑性复合材料损伤修复方法中，在步骤(1)中所述的激光扫描基于便携式激光辅助三维轮廓测量技术，根据扫描获得的点云进行网格化处理并通过NURBS曲面进行拟合创建曲面，在线生成内表面及周边区域的几何平面的CAD模型并进行误差分析，保证误差不超过
±
0.05mm。
[0012]进一步的，如上述所述热塑性复合材料损伤修复方法中，在步骤(1)中所述的激光扫描方法基于气动手钻，在手柄处安装双激光发射接收装置，激光器的轴线与手钻钻杆角度可定量调节，并有角度示数；手钻头部安装锥度打磨头，锥度为α；在需要加工的孔外侧贴一圈锡箔纸作为激光反光膜，配合激光器定位；工作时，首先去除损伤材料，形成圆孔，再贴放反光膜，由人工手持激光辅助打磨设备，调节打磨角度β(β＝180
°‑
α
‑
A，A为打磨角)，令激光垂直于反光膜，进行打磨；如激光接收不到反射光，蜂鸣器报警，需要调整打磨角度。
[0013]进一步的，如上述所述热塑性复合材料损伤修复方法中，在步骤(2)中所述的热塑性薄膜材质采用与基体树脂相同的主链结构，针对无定形聚合物树脂，通过树脂改性使其玻璃化转变温度较基体树脂低10℃～20℃。针对结晶/半结晶聚合物树脂，通过树脂改性使其熔点较基体树脂低10℃～20℃
[0014]进一步的，如上述所述热塑性复合材料损伤修复方法中，在步骤(2)中所述的热塑性薄膜厚度为0.05mm～0.3mm。
[0015]进一步的，如上述所述热塑性复合材料损伤修复方法中，在步骤(3)中所述的热塑性补片为复合材料补片，其材质和铺层与待修复的复合材料相同。
[0016]进一步的，如上述所述热塑性复合材料损伤修复方法中，在步骤(3)中所述的激光打磨方法为利用吸盘将热塑性补片固定，通过机械臂带动带有激光定位的气动打磨设备，完成对补片打磨。
[0017]进一步的，如上述所述热塑性复合材料损伤修复方法中，在步骤(4)中所述的加热单元为碳纤维或不锈钢丝网，并在其上下覆盖与待修复的复合材料基体相同的热塑薄膜后热压成型。
[0018]进一步的，如上述所述热塑性复合材料损伤修复方法中，在步骤(4)中所述的通电时间为10min～60min。
[0019]本专利技术的有益效果：
[0020]本专利技术利用玻璃化温度较低的热塑性胶膜提供富树脂区，同时采用激光立体成像技术和激光辅助定位打磨设备对补片进行加工，降低修补公差，提高焊接质量和焊接效率。
具体分析如下：
[0021](1)本专利技术的一种热塑性复合材料损伤修复方法采用流动性略好于基体树脂的热塑性薄膜，在焊接修补过程先于复合材料基体发生流动，不仅能较好地填补孔隙缺陷，而且防止复合材料在修补过程中发生纤维弯折等不利现象。
[0022](2)本专利技术的一种热塑性复合材料损伤修复方法利用数字化测量技术，对已知型面的数据通过便携三维机器视觉设备自动跟踪测量进行采集，从而获得一个表面的离散化数据，将该表面的数据通过数据处理生成其配合型面的加工数据，从而实现配合型面的较为精确的进行补片的加工，降低补片与嵌接区的公差，降低区域应力集中，提高结构的使用寿命。
[0023](3)本专利技术的一种热塑性复合材料损伤修复方法修补效率高，能够实现损伤区的快速高质量修复。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热塑性复合材料损伤修复方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)、激光打磨与激光扫描损伤区域：根据待修复的复合材料的损伤半径按圆形或椭圆形去除损伤材料，并按照打磨斜角针对孔边缘进行激光打磨得到修补面；然后，采用激光扫描的方式得到修补面的三维曲面点云数据；步骤(2)、热塑性薄膜的铺覆：根据修补面的尺寸裁剪热塑性薄膜并铺覆于修补面上；步骤(3)、热塑性补片制备：根据修补面的点云数据制备模具，通过制备的模具热压得到热塑性补片，对热塑性补片进行激光打磨使其更加契合修补面的形状；步骤(4)、真空辅助焊接：将热塑性补片置于嵌接区中，上层覆盖加热单元，在加热单元上覆盖玻纤透气布进行隔热，接着采用耐高温真空袋进行密封；通电加热，冷却后用直角打磨机去掉加热层。2.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料损伤修复方法，其特征在于，在步骤(1)中所述的待修复复合材料为热塑性纤维增强复合材料，热塑性基体为聚醚醚酮、聚醚酮、聚醚酮酮、聚醚醚酮酮、聚醚酮醚酮酮、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯或以上高分子聚合物的改性树脂。3.根据权利要求1或2所述的一种热塑性复合材料损伤修复方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述的打磨斜角度数为10
°
～30
°
；所述的激光扫描基于便携式激光辅助三维轮廓测量技术，根据扫描获得的点云进行网格化处理并通过NURBS曲面进行拟合创建曲面，在线生成内表面及周边区域的几何平面的CAD模型并进行误差分析，误差不超过
±
0.05mm；所述的激光扫描方法基于气动手钻，在手柄处安装双激光发射接收装置，激光器的轴线与手钻钻杆角度可定量调节，并有角度示数；手钻头部安装锥度打磨头，锥度为α；在需要加工的孔外侧贴一圈锡箔纸作为激光反光膜，配合激光器定位；工作时，首先去除损伤材料，形成圆孔，再贴放反光膜，由人工手持激光辅助打磨设备，调节打磨角度β，β＝180
°...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵刚，徐剑，赵艺，王涣翔，陈友汜，蹇锡高，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：