[发明专利]一种纤维复合材料制件的局部加固补强方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纤维复合材料技术领域，尤其涉及一种纤维复合材料制件的局部加固补强方法。

背景技术

纤维复合材料具有轻质、比强度高、比刚度高、减振性能优良、抗疲劳性能好、耐腐蚀等优异的特点，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。

纤维复合材料制件在使用过程中受到外力作用时，在薄弱的局部会产生应力集中，当此处的应力大于材料的承载强度极限时，该处将发生破裂失效，对制件结构的使用安全造成严重威胁，因此需要对薄弱的局部区域进行加固补强。另外，由于与其他部件相连接等需求，通常在制件上进行开孔处理。制件开孔后，直接打断了纤维，使得制件尤其是开口部位的承载能力大大下降，因此必须对开口结构进行局部加固补强。

纤维复合材料制件常见的局部加固补强方法包括纤维布结合树脂浸渍补强法、纤维缠绕补强法和机械连接补强法等。纤维布结合树脂浸渍补强法多采用由平行顺直纤维编织而成的纤维布，但是由于纤维丝束的取向并非专门针对待补强部位的受力承载方向设计，因此不能充分发挥纤维的承载特性，有效的承担载荷，加固补强效果不佳。纤维缠绕补强法需要专用缠绕设备，工序比较繁琐，效率低，产品质量不易控制，且补强片以环状为主，其几何形状受到一定限制。机械连接补强法多用于开孔处，采用的金属零件多，工序多，应力集中较大，加固补强结构可靠性不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有纤维复合材料制件局部加固补强方法存在的补强效果不佳、补强结构可靠性不高、质量不易控制、工序繁琐、工作效率低等不足，提供一种适合于纤维复合材料制件表面具有任意几何形状的局部的加固补强方法，并且能够保证加固补强部位具备足够的结构刚度和结构强度。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种纤维复合材料制件的局部加固补强方法，该纤维复合材料是由基体树脂材料与纤维材料形成的复合材料，其特征在于：首先，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，并结合待加固补强部位的几何形状以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，几何形状以及尺寸大小与待加固补强部位相匹配；然后，采用预浸或未浸基体树脂的纤维丝束按照所设计的纤维丝束轨迹、几何形状及尺寸制备补强片；最后，将补强片铺放在待加固补强部位，采用如下步骤(1)或步骤(2)得到加固补强的纤维复合材料制件；

(1)在制备纤维复合材料制件的过程中，当制得纤维复合材料制件的纤维预成型体后，将补强片铺放在纤维预成型体的待加固补强部位，然后通过成型工艺将补强片与纤维预成型体一体化固化成型，得到局部加固补强的纤维复合材料制件；

(2)将补强片直接铺放在已固化的纤维复合材料制件的待加固补强部位的表面，然后采用成型工艺进行二次固化成型，得到局部加固补强的纤维复合材料制件。

在步骤(1)中，所述的补强片可以铺放在纤维预成型体的上表面或下表面，或者铺放在纤维预成型体层间；所述的成型工艺包括复合材料液态模塑成型工艺和热压罐成型工艺。其中，所述的复合材料液态模塑成型工艺包括但不限于树脂传递模塑(RTM)成型工艺、真空辅助树脂注射成型工艺和树脂膜渗透成型工艺。

在步骤(2)中，所述的成型工艺包括但不限于真空辅助树脂注射成型工艺、树脂膜渗透成型工艺和热压罐成型工艺。

上述技术方案中，所述的补强片的单层厚度优选为0.1～2mm。所述的纤维丝束可以选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维其中的一种或几种混合而成；所述的基体树脂选自不饱和树脂、环氧树脂、乙烯基酯类树脂、阴离子开环聚合聚酰胺类树脂和聚对苯二甲酸环丁二醇酯树脂等中的一种。

综上所述，本发明根据待加固补强部位的主要承受载荷的方向、几何形状以及尺寸大小设计相匹配的补强片，采用预浸或未浸树脂的纤维丝束制备补强片，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，然后将补强片铺放在待加固补强部位，结合一体化固化成型工艺或二次固化成型工艺将该补强片固化在待加固补强部位，实现对纤维复合材料制件的局部加固补强。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)能够对纤维复合材料制件的具有任意表面几何形状和任意纤维取向的局部进行补强；

(2)能够实现同时对补强片的刚度和强度进行剪裁优化设计，由此可以调整加固补强部位以及纤维复合材料制件整体的内在载荷分布，避免应力集中，减少加固补强区的厚度，比采用传统方法加固补强的复合材料制件结构性能可以提高10～50％，同时补强片重量可以减轻10～60％；