[发明专利]具有增强的表面和粘附性能的纤维增强复合部件的制造及修复

说明书

技术领域

本发明涉及由纤维(如玻璃纤维和碳纤维)增强的热固化(thermo curing)或热硬化(thermo setting)树脂形成的复合部件的制造和修复。

背景技术

使用金属面加工(metal faced tooling)以提供用于形成复合部件如航空航天和汽车零件(例如，汽车的引擎盖和其它汽车面板)的模具。这样的金属面加工通常包括由碳纤维增强的背衬支撑的电镀形成的金属表面层或薄喷涂金属表面层。关于这种加工的问题是对金属层的任何损坏将使加工变得无效。不幸的是远离碳纤维背衬的金属层比较容易切碎。这是因为，薄金属层与支撑碳纤维复合背衬之间的粘附性主要是由层叠脆性的树脂促进的，因而该粘附性比较弱。已经尝试过粘合剂和糊剂(paste)，但这导致断裂点移动到具有层叠体的界面。它提高了粘附性能但不能消除该问题。有利地是能够提高金属层与碳复合背衬直接在表面处的粘附，因为这将消除界面和不连续性问题并且就表面光洁度和真空密封性(vacuum integrity)而言有利于延长金属面加工的寿命。这种方法适合于表面粘附性会增强表面性能并从而增强在该领域的产品性能的大量产品。

在其他领域，特别是在受损的纤维增强复合板的修复中，特别是在航空航天复合结构中，也出现粘附性相关的问题。用于修复这种复合板的通常方法是在部件的受损区域上方施加树脂浸渍布形式的补片(patch)，并且使补片经受提高的压力和温度以使补片固化并且粘附到受损区域。用于提高补片对受损区域的粘附性的典型的方法是使受损区域周围的区域粗糙并且斜切(chamfer)区域背面以制造针对层叠体的厚度露出层叠体每一层的平滑成形的斜坡，以提供渐进的载荷传递并且从而提供更好的对于补片的机械结合。将底漆或表面处理施加到斜切的表面上并且将补片添加到顶部。使用这种机械结合的问题是，几乎不可能具有完全浸湿的表面并且空气被截留在表面和补片之间。然后，湿气可以通过层叠体被吸收，渗入到界面/表面上的结合面中，并且沿着界面/表面上的结合面移动，这可能会导致补片的剥离。因此，优选的是，能够首先通过提高对斜面的粘附来改善补片的粘附性，或者通过具有用于传递负荷的较小的斜面面积来节省大量时间。如果粘附性被显著地提高，则这是可能的。

因此，本发明的一个目的是提供提高纤维增强层与相邻表面的粘附性的方法。

考虑到这一点，本发明提供了一种将纤维增强的层合层结合到表面的方法，该方法包括将熔融树脂的层施加到表面上，树脂将空气从表面排除并在冷却时凝固在表面上由此在表面上形成凝固树脂的层，并且在得到的凝固树脂的层上施加复合敷层(lay-up)，以及加热树脂并使树脂熔融使得复合敷层浸没在熔融树脂中并且随后树脂被固化由此形成层合层。

将空气从表面排除有助于确保几乎没有气穴残留在表面与层合层之间的界面处，从而改善表面与层合层之间的粘附性。将复合敷层浸没到熔融树脂中也有助于驱出夹带在复合敷层内部的任何残留气体。形成的层合层因此可以是连续的而不存在不一致。

根据本发明还可以通过将纳米颗粒与熔融树脂一同施加来进一步改善粘附性，其中包含在树脂内的显著部分的纳米颗粒被驱向表面并且聚集在表面处并与所述表面相邻。

可以将纳米颗粒与施加到表面的树脂预混合。可替换地，最初可以将树脂施加到表面，随后将纳米颗粒分布在液体状态的树脂中。可以使用振动装置以进一步将分布纳米粒子在树脂中，并且因此使纳米颗粒集中到表面上或接近表面。

添加到树脂的纳米颗粒的量可以优选地小于树脂的2重量％。添加更大量的纳米颗粒会导致树脂的行为更像糊剂而不是液体。这将更难将树脂层施加到表面同时避免空气被截留在树脂“糊剂”与表面之间。施加混合有低浓度纳米颗粒的树脂使其可以被移动、喷涂并按层沉积到表面上。随后将复合敷层浸没到树脂中，这起以下作用：过滤并将树脂与纳米颗粒分离，所述纳米颗粒被驱向树脂层与表面之间的界面处的表面并且在树脂层与表面之间的界面附近聚集。纳米颗粒在表面上或在表面附近的这种聚集相当于糊剂但没有施加糊剂的困难并且没有不连续性。因此，从被接合的表面一直到层合层的外部表面，层合层可以一直是连续的。以这种方式，形成了在接合面与层之间没有任何不一致性的无孔隙的具有高强度和耐冲击性的层叠体。