本发明专利技术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。具体地，本发明专利技术根据制件开孔部位的形状和大小设计相匹配的具有径向纤维轨迹层和环向纤维轨迹层的补强片，然后用所述补强片对热塑性复合材料开孔制件进行补强。该补强片具有设计简便、补强效果优异、无需裁剪、适合于批量化生产等优点。使用该补强片进行补强，成型工艺简单灵活，大大提高了补强效率，具有十分广阔的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及热塑性复合材料
，尤其涉及一种提高热塑性复合材料开孔制件性能的开孔部位补强片制作方法，及用所述补强片对开孔制件进行补强的方法。
技术介绍
纤维增强热塑性复合材料具有高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强、 韧性高、无贮存时间限制、制造周期短、吸湿率低、可焊接、可重复加工等一系列优异性能， 被广泛应用于航空航天、航海、国防、交通运输、土木建筑、能源、化工机械、体育娱乐等领域。热塑性复合材料层合板在实际应用中由于部件连接、检修、减重等原因常常需要开孔。 开孔切断了纤维，引起应力集中，大大降低了结构的承载能力，使其成为复合材料结构中容易发生破坏的薄弱环节，因此一般需要对开孔部位进行局部补强。热塑性复合材料开孔制件常见的开孔补强方法主要包括采用传统纤维织物补强和机械连接补强等。采用纤维织物制备开孔补强片时，开孔处纤维被打断，纤维的承载性能大幅下降，补强效果不佳，且纤维织物补强片在裁剪过程中纤维易散落和变形，纤维浪费量也较大。综上所述，本领域迫切需要一种纤维浪费量小、补强效果佳、设计和制造简单，适合实际应用的补强方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有热塑性复合材料开孔制件开孔补强方法存在补强效果不佳、补强结构可靠性不高、质量不易控制、工序繁琐、工作效率低、补强片设计繁琐耗时等不足，提供一种设计简便、普遍适用、补强效果优异、无需裁剪、适合于批量化生产等优点的补强片。本专利技术的第一方面，提供了一种热塑性复合材料开孔制件的补强片，所述的补强片包括迭放在一起的径向纤维轨迹层和环向纤维轨迹层，其中，所述径向纤维轨迹层与开孔周围的热塑性复合材料存在第一重叠区域而与开孔区域不存在重叠区域；所述环向纤维轨迹层与开孔周围的热塑性复合材料存在第二重叠区域而与开孔区域不存在重叠区域；所述径向纤维轨迹层的中心与所述环向纤维轨迹层的中心基本重合。在另一优选例中，所述径向纤维轨迹层的总体形状为围绕开孔的环形。在另一优选例中，所述第一重叠区域的内沿与开孔的边缘基本重合。在另一优选例中，所述第二重叠区域的内沿与开孔的边缘基本重合。在另一优选例中，所述的环向纤维轨迹层的纤维轨迹为圆形、近圆形、椭圆形、近椭圆形或螺旋线形，或其组合。在另一优选例中，所述的环向纤维轨迹层的纤维轨迹和/或总体形状与开孔相似或相同。在另一优选例中，所述的径向纤维轨迹层每层由1-100根纤维构成，较佳地由 1-20根纤维构成，更佳地由1-5根纤维构成，最佳地由I根纤维构成。在另一优选例中，两层或多层径向纤维轨迹层由I根纤维构成。在另一优选例中，所述的径向纤维轨迹层具有从中心向外分散的多个径向纤维轴。较佳地，每层径向纤维层的径向纤维轴数量为10 10，000，000根，较佳地为15-1000 根。在另一优选例中，按开孔的周长计算，径向纤维层的径向纤维轴的密度通常为 3-50根/cm，较佳地为5-25根/cm。在另一优选例中，所述补强片包括多个径向纤维轨迹层和多个环向纤维轨迹层。在另一优选例中，每个径向纤维轨迹层的径向纤维轨迹的取向可以相同，可以不同。例如，第一层取向45度，第二层取向-45度。 在另一优选例中，所述的径向纤维轴在补强片的各个位置具有相同或基本相同的分布密度。在另一优选例中，所述的径向纤维轴在补强片的各个位置具有不同的分布密度。在另一优选例中，所述的径向纤维轴可以为直线、曲线，或其组合。在另一优选例中，每层环向纤维轨迹层由1-100根纤维构成，较佳地由1-20根纤维构成，更佳地由1-5根纤维构成，最佳地由I根纤维构成。在另一优选例中，两层或多层环向纤维轨迹层由I根纤维构成。在另一优选例中，两层或多层的径向纤维轨迹层和环向纤维轨迹层都由I根纤维构成。在另一优选例中，所述的环向纤维轨迹层呈螺旋形铺放。较佳地可为圆形、近圆形、椭圆、近椭圆形或螺旋线形，或其组合，较佳地为螺旋线形，且每一层环向纤维轨迹层的纤维圈数为3 1，000圈。在另一优选例中，所述的纤维轨迹由1-20层径向纤维轨迹层和1-20层环向纤维轨迹层组成，更佳地由1-10层径向纤维轨迹层和1-10层环向纤维轨迹层组成，最佳地由 1-5层径向纤维轨迹层和1-5层环向纤维轨迹层组成。在另一优选例中，所述补强片至少由I层径向纤维轨迹层和I层环向纤维轨迹层组成单层，且单层的厚度为O. 2 3mm，最佳地所述补强片由一根纤维组成。在另一优选例中，所述补强片的径向纤维层的外径R与热塑性复合材料开孔制件开孔的半径r的比例R/r=l. 5 6. 0，较佳地为I. 5 3. 5。在另一优选例中，所述的补强片的纤维丝束为混杂纤维，较佳地，所述补强片的纤维丝束为由热塑性树脂纤维和增强纤维组成的混杂纤维，且其中热塑性树脂纤维的体积分数为40%-80%，增强纤维的体积分数为20%-60%。在另一优选例中，所述的热塑性树脂纤维为结晶形或无定形树脂纤维，较佳地，所述的热塑性树脂纤维选自下组聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚乳酸、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺、聚醚醚酮，或其组合。在另一优选例中，所述的增强纤维选自下组玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、天然纤维，或其组合。在另一优选例中，所述的增强纤维包括玻璃纤维和/或碳纤维。本专利技术的第二方面，提供了一种如本专利技术第一方面所述的补强片的制作方法，其特征在于，包括如下步骤i)根据制件开孔的形状和大小设计形状、尺寸相匹配的径向和环向纤维轨迹；ii)按照所设计的纤维丝束轨迹、几何形状及尺寸，采用缝合线或粘合剂将纤维丝束固定在底材上，制得所需的补强片。在另一优选例中，所述的步骤i)包括对待加固补强部位进行受力分析，确定待加固补强部位主要承受载荷的方向和大小，并结合待加固补强部位的几何形状及尺寸大小设计补强片，使补强片的纤维丝束轨迹与待加固补强部位的受力承载方向一致或基本一致，几何形状以及尺寸大小与待加固补强部位相匹配；在另一优选例中，所述的热塑性复合材料是由热塑性树脂基体材料与增强纤维材料形成的复合材料。在另一优选例中，所述的纤维丝束为混杂丝束，较佳地，所述的纤维丝束是由热塑性树脂纤维和增强纤维组合成的混杂丝束。本专利技术的第三方面，提供了一种本专利技术第一方面所述的补强片的用途，所述补强片用于开孔制件的补强。在另一优选例中，所述的开孔制件为具有一个或多个开孔的复合材料制件；较佳地，为具有一个或多个开孔的热塑性复合材料开孔制件。在另一优选例中，所述的开孔的形状为圆形、椭圆形、近圆形、近椭圆形、三角形、 方形、多边形以及不规则形状。在另一优选例中，所述的补强片是通过如本专利技术第二方面所述方法制备得到。本专利技术的第四方面，提供了一种热塑性复合材料开孔制件的补强方法，其中，所述方法包括步骤(I)(I)在制备热塑性复合材料开孔制件的过程中，当制得的热塑性复合材料开孔制件的纤维预成型体后，将补强片铺放在纤维预成型体的开孔部位，然后通过模压成型工艺将补强片与纤维预成型体一体化固化成型，得到开孔补强的热塑性复合材料开孔制件；或所述方法包括步骤(2):(2)将补强片直接铺放在已固化的热塑性复合材料开孔制件的开孔部位的表面， 然后通过模压成型工艺进行二次固化成型，得到开孔补强的热塑性复合材料开孔制件。在另一优选例中，所述的补强方法包括用如本专利技术第一方面提供的补强片进行制件补强。在另一优选例本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种热塑性复合材料开孔制件的补强片，其特征在于，所述的补强片包括迭放在一起的径向纤维轨迹层和环向纤维轨迹层，其中，所述径向纤维轨迹层与开孔周围的热塑性复合材料存在第一重叠区域而与开孔区域不存在重叠区域；所述环向纤维轨迹层与开孔周围的热塑性复合材料存在第二重叠区域而与开孔区域不存在重叠区域；所述径向纤维轨迹层的中心与所述环向纤维轨迹层的中心基本重合。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：祝颖丹，秦永利，孟令军，蔡晶，滑聪，范欣愉，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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