[发明专利]利用超声波‑热原位修补热塑性复合材料缺陷的方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

针对上述问题，本发明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。

本发明采取的技术方案是：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；