一种复合材料微脉管自修复结构设计及制备方法

专利名称：一种复合材料微脉管自修复结构设计及制备方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111479648.8

专利申请（专利权）人：北京航空航天大学
权利人地址：北京市海淀区学院路37号

专利发明（设计）人：程小全,冉广陵,马埸浩

专利摘要：本发明涉及一种复合材料微脉管自修复结构设计及制备方法，所述微脉管由贯穿复合材料层合板厚度方向的Z向微脉管和预埋在复合材料层合板层间的X、Y向微脉管或将X、Y向微脉管移出复合材料层合板变为粘贴在复合材料层合板一侧的功能层组成。所述Z向微脉管其间距由复合材料层合板分层损伤阈值确定，包括以下步骤：(1)确定复合材料层合板受分层损伤后剩余强度要求；(2)确定复合材料层合板剩余压缩强度随分层损伤位置与尺寸的变化规律；(3)确定最危险分层位置与分层损伤阈值；(4)确定Z向微脉管分布间距。本发明还提供了一种复合材料微脉管自修复结构的制备方法。

主权利要求：
1.一种复合材料微脉管自修复结构设计方法，其特征在于：所述复合材料微脉管自修复结构由复合材料层合板、预制于复合材料层合板内部用于输送修复材料的三维微脉管网络和与三维微脉管网络相连的修复材料储存结构组成；所述设计方法针对复合材料层合板受低速冲击损伤、初始制造损伤或使用中发生的分层损伤进行设计，包括以下步骤：步骤A：确定由X、Y、Z三向微脉管组成的三维微脉管网络；
步骤B：基于分层损伤阈值确定三维微脉管网络中Z向微脉管分布间距，得到复合材料微脉管自修复结构；
所述步骤B具体实现过程如下：
（B1）根据损伤容限设计要求确定复合材料层合板受分层损伤后最低剩余压缩强度为 ；
（B2）确定复合材料层合板剩余压缩强度随分层损伤位置与尺寸的变化规律，通过试验或有限元的方法获得不同厚度位置含分层损伤的复合材料层合板其剩余压缩强度随分层损伤尺寸的变化规律，并拟合出相应的曲线；
（B3）确定最危险分层位置与分层损伤阈值，根据剩余强度要求与步骤B2获得的不同厚度位置含分层损伤的复合材料层合板的剩余压缩强度随分层损伤尺寸的变化规律，确定不同厚度位置发生分层时所允许的最大损伤尺寸，确定最危险分层位置，即在受损复合材料层合板剩余压缩强度大于步骤B1所规定强度要求下，此厚度位置允许发生分层损伤尺寸最小，该尺寸即为分层损伤阈值记为D；
（B4）根据分层损伤阈值D确定分布间距。
2.根据权利要求1所述的复合材料微脉管自修复结构设计方法，其特征在于：所述步骤A中，三维微脉管网络包括：沿复合材料层合板厚度方向的Z向微脉管，为Z向微脉管输送修复材料的预埋在复合材料层合板层间的X、Y向微脉管或将X、Y向微脉管移出复合材料层合板变为粘贴在复合材料层合板一侧的功能层。
3.根据权利要求1所述的复合材料微脉管自修复结构设计方法，其特征在于：所述Z向微脉管根据实际应用中复合材料层合板在厚度方向的损伤分布情况进行非对称布置，在复合材料层合板更易受损伤的一侧布置分布间距小于Dz的Z向微脉管。
4.根据权利要求1所述的复合材料微脉管自修复结构设计方法，其特征在于：所述步骤（B1）中，最低剩余压缩强度 取值以复合材料层合板内的损伤尺寸不能增大到使复合材料层合板的剩余强度下降至完好结构的1/1.5≈67％为标准。
5.根据权利要求1所述的复合材料微脉管自修复结构设计方法，其特征在于：所述步骤（B4）中，根据分层损伤阈值D确定分布间距是以直径为D的圆的内接正方形边长Dz为Z向微脉管的分布间距。
6.一种权利要求1所述复合材料微脉管自修复结构的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（C1）铺设单向预浸带，根据设计的复合材料微脉管自修复结构的形状、铺层角度及顺序，对单向预浸带进行裁剪和层叠铺设；
（C2）预埋微脉管制备材料，根据设计的微脉管分布位置，缝入微脉管制备材料，如果制备不带管壁的微脉管，则缝入特定直径 的可降解型牺牲线或表面涂有脱模剂的金属丝，如果制备带有管壁的微脉管，则缝入所述特定直径的中空玻璃纤维；
（C3）模压固化，将预埋有微脉管制备材料的预浸带铺层放入模具中加压固化，制得含有微脉管制备材料的复合材料层合板；
（C4）去除微脉管制备材料，如果预埋的是可降解型牺牲线，通过加热的方式使牺牲线降解并挥发，获得含有不带管壁微脉管的复合材料层合板；如果预埋的是表面涂有脱模剂的金属丝，通过机械方式将金属丝抽出，获得含有不带管壁微脉管的复合材料层合板，如果预埋的是中空玻璃纤维，则无需将其抽出，获得含有带管壁微脉管的复合材料层合板；
（C5）粘贴功能层，若运输修复材料的为功能层，将功能层粘贴于复合材料层合板一侧，并与复合材料层合板中的Z向微脉管相连；
（C6）含三维微脉管网络的复合材料层合板制备完成后在表面包覆一层编织布以封闭裸露在外的微脉管开孔；
（C7）连接修复材料储存结构，将修复材料储存结构与X、Y向微脉管或面外功能层相连，并对储存结构加压，使三维微脉管网络中储存满修复材料，保证在复合材料层合板出现分层损伤后修复材料在压力作用下能通过三维微脉管网络运输到损伤位置，并完成修复。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述功能层材料为橡胶或塑料，允许发生一定的弹性变形，保证复合材料层合板受力变形时功能层随复合材料一起变形，两者之间保持紧密粘接状态，防止修复材料泄露。 说明书 : 一种复合材料微脉管自修复结构设计及制备方法技术领域[0001] 本发明涉及一种复合材料微脉管自修复结构设计方及制备方法，属于复合材料技术领域。背景技术[0002] 纤维增强复合材料因其比强度高、比刚度大、性能可设计等优点在航空航天等领域得到广泛应用。但其层间性能较低，在受冲击载荷时易出现纤维断裂、分层等损伤，使复合材料结构强度大幅降低，严重限制了复合材料优势的发挥。传统的机械修理和胶接修理需要复合材料结构暂停工作，不能实现损伤的实时修复，降低了结构的使用效率。基于生物体损伤自愈合机制，研究人员提出了自修复复合材料概念并发展出多种自修复体系，其中微脉管型自修复体系因能实现损伤的多次修复受到人们的关注。微脉管型自修复复合材料是在复合材料结构中预埋入一组微脉管，微脉管同结构外部装有修复剂的储罐相连，同时微脉管内也充满修复剂。当基体裂纹或分层损伤扩展至微脉管时，微脉管破裂释放修复剂，修复剂流入裂纹或分层损伤中对其进行修复。[0003] 在现有微脉管型自修复复合材料的设计中，大多为二维微脉管网络，通过在复合材料铺层之间埋入微脉管实现损伤修复。对于复合材料层合板受低速冲击损伤、初始制造损伤或由弱粘接导致的分层损伤，可能出现在层合板厚度方向的任意位置，位于层间的微脉管只能修复出现在该层的分层损伤，当分层出现在没有预埋微脉管的位置时则得不到修复。专利CN110628178A公开了一种自修复型纤维增强复合材料及其制备方法，其在层合板任意两个铺层之间都加入了一层由并行排布的修复液微脉管和固化液微脉管构成的微脉管网络预浸带，虽能实现修复层合板内分层损伤的效果，但过多的微脉管网络会使层合板的厚度和重量显著增加，不适用于实际的工程结构。因此亟需发展适用于修复出现在复合材料任意两个铺层之间的分层损伤的三维微脉管网络及相应制备方法，以提高层合板的自修复效果。发明内容[0004] 本发明解决的技术问题为：针对复合材料层合板受低速冲击损伤、初始制造损伤或由弱粘接导致的分层损伤，克服现有技术的不足，提供一种复合材料微脉管自修复结构设计及其制备方法。该复合材料微脉管自修复结构由复合材料层合板、预制于复合材料层合板内部用于输送修复材料的三维微脉管网络和与三维微脉管网络相连的修复材料储存结构组成。并通过合理的Z向微脉管间距布置，可在损伤尺寸扩展到剩余强度要求前修复出现在复合材料任意两个铺层之间的分层损伤，且对结构原始力学性能影响小、结构增重小。[0005] 本发明的技术解决方案：一种复合材料微脉管自修复结构设计方法，通过以下步骤实现：[0006] 步骤A：确定由X、Y、Z三向微脉管组成的三维微脉管网络；[0007] 步骤B：基于分层损伤阈值确定三维微脉管网络中Z向微脉管分布间距，得到复合材料微脉管自修复结构。[0008] 所述步骤A中的三维微脉管网络包括：沿复合材料层合板厚度方向的Z向微脉管，为Z向微脉管输送修复材料的预埋在复合材料层合板层间的X、Y向微脉管或将X、Y向微脉管移出复合材料层合板变为粘贴在复合材料层合板一侧的功能层。[0009] 所述步骤B中基于分层损伤阈值确定Z向微脉管分布间距的具体实现过程如下：[0010] (B1)根据损伤容限设计要求确定复合材料层合板受分层损伤后最低剩余压缩强度为σ，在复合材料结构设计时，通常采用1.5倍安全系数以保证结构出现损伤时仍能承受使用过程中的载荷，因此，σ以复合材料层合板内的损伤尺寸不能增大到使复合材料层合板的剩余强度下降至完好结构的1/1.5≈67％为标准；[0011] (B2)确定复合材料层合板剩余压缩强度随分层损伤位置与尺寸的变化规律，通过试验或有限元的方法获得不同厚度位置含分层损伤的复合材料层合板其剩余压缩强度随分层损伤尺寸的变化规律，并拟合出相应的曲线；[0012] (B3)确定最危险分层位置与分层损伤阈值，根据剩余强度要求与步骤(B2)获得的不同厚度位置含分层损伤的复合材料层合板的剩余压缩强度随分层损伤尺寸的变化规律，确定不同厚度位置发生分层时所允许的最大损伤尺寸，确定最危险分层位置，即在受损复合材料层合板剩余压缩强度大于步骤(B1)所规定强度要求下，此厚度位置允许发生分层损伤尺寸最小，该尺寸即为分层损伤阈值记为D；[0013] (B4)根据分层损伤阈值D确定分布间距，以直径为D的圆的内接正方形边长Dz为Z向微脉管的分布间距。[0014] 所述步骤B中Z向微脉管可根据实际应用中复合材料层合板在厚度方向的损伤分布情况进行非对称布置，在复合材料层合板更易受损伤的一侧布置分布间距小于Dz的Z向微脉管。[0015] 本发明还提供了一种复合材料微脉管自修复结构的制备方法，包括以下步骤：[0016] (C1)铺设单向预浸带，根据设计的复合材料微脉管自修复结构的形状、铺层角度及顺序，对单向预浸带进行裁剪和层叠铺设；[0017] (C2)预埋微脉管制备材料，根据设计的微脉管分布位置，缝入微脉管制备材料，如果制备不带管壁的微脉管，则缝入特定直径100～1000μm的可降解型牺牲线或表面涂有脱模剂的金属丝，如果制备带有管壁的微脉管，则缝入所述特定直径的中空玻璃纤维；[0018] (C3)模压固化，将预埋有微脉管制备材料的预浸带铺层放入模具中加压固化，制得含有微脉管制备材料的复合材料层合板；[0019] (C4)去除微脉管制备材料，如果预埋的是可降解型牺牲线，通过加热的方式使牺牲线降解并挥发，获得含有不带管壁微脉管的复合材料层合板；如果预埋的是表面涂有脱模剂的金属丝，通过机械方式将金属丝抽出，获得含有不带管壁微脉管的复合材料层合板，如果预埋的是中空玻璃纤维，则无需将其抽出，获得含有带管壁微脉管的复合材料层合板；[0020] (C5)粘贴功能层，若运输修复材料的为功能层，将功能层粘贴于复合材料层合板一侧，并与复合材料层合板中的Z向微脉管相连；[0021] (C6)含三维微脉管网络的复合材料层合板制备完成后在表面包覆一层编织布以封闭裸露在外的微脉管开孔；[0022] (C7)连接修复材料储存结构，将修复材料储存结构与X、Y向微脉管或面外功能层相连，并对储存结构加压，使三维微脉管网络中储存满修复材料，保证在复合材料层合板出现分层损伤后修复材料在压力作用下能通过三维微脉管网络运输到损伤位置，并完成修复。[0023] 所述步骤(C5)功能层材料为橡胶或塑料，允许发生一定的弹性变形，保证复合材料层合板受力变形时功能层随复合材料一起变形，两者之间保持紧密粘接状态，防止修复材料泄露。[0024] 本发明的优点和带来的有益效果在于：[0025] (1)本发明提出了一种复合材料微脉管自修复结构，与现有层间预埋微脉管自修复复合材料结构相比，本发明通过预埋Z向微脉管进行修复材料的输送，可实现任意两个铺层之间的分层损伤的修复。[0026] (2)本发明提出的根据复合材料分层损伤阈值确定Z向微脉管分布间距的方法，为Z向微脉管间距确定提供理论依据，并保证在受损结构剩余强度小于设计要求前使结构得以修复。[0027] (3)本发明提出的复合材料微脉管自修复结构可将X、Y向微脉管移出层合板由粘贴在层合板一层的功能层替代，减小了微脉管对原始结构力学性能的影响。[0028] (4)本发明提出的微脉管结构可采用非对称布置，在易受损部位布置更多的微脉管使结构受损后能更及时得到修复。附图说明[0029] 图1为本发明实施例1提供的三维微脉管网络结构示意图；[0030] 图2为本发明实施例1中由含分层损伤复合材料层合板剩余压缩强度确定Z向微脉管间距示意图；[0031] 图3为本发明实施例1中复合材料层合板最危险分层位置与分层损伤阈值确定示意图；[0032] 图4为本发明实施例2提供的三维微脉管网络结构示意图。具体实施方式[0033] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的典型实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0034] 实施例1[0035] 本发明实施例提供了一种复合材料微脉管自修复结构设计方法，包括三维微脉管网络形式的确定和Z向微脉管间距的确定方法；[0036] 1、确定复合材料微脉管自修复结构的材料体系、铺层方式和三维微脉管网络形式，其具体流程如下：[0037] 复合材料微脉管自修复结构为T700/LT03A材料，单层厚度0.125mm，铺层顺序为[45/0/‑45/90]4S，共32层。三维微脉管网络的形式如图1所示，其中Z向微脉管沿厚度方向贯穿复合材料层合板，这样任何位置出现分层，其在扩展过程中都会遇到Z向微脉管从而触发自修复机制。Y向微脉管位于层合板中面位置，负责为Z向微脉管输送修复剂，X向微脉管也位于层合板中面位置，负责连通各Y向微脉管并为其输送修复剂。复合材料层合板制备完成后在表面包覆一层编织布以封闭裸露在外的微脉管开孔。[0038] 2、确定Z向微脉管分布间距，其具体流程如下：[0039] 2.1、以分层尺寸不能增大到使复合材料层合板剩余压缩强度下降至完好板的67％为原则，确定分层损伤的阈值。[0040] 2.2、通过有限元建模分析，获得不同厚度位置含分层损伤的复合材料层合板其剩余压缩强度随分层损伤尺寸的变化规律，并拟合出相应的函数曲线，如图2所示。具体流程如下：[0041] 2.2.1、确定有限元建模结构尺寸为150mm×100mm，材料参数与铺层顺序见步骤1。[0042] 2.2.2、使用有限元软件建立完好复合材料层合板的有限元模型，并计算其剩余压缩强度。[0043] 2.2.3、使用有限元软件建立在复合材料层合板1/2(第16～17层间)、1/3(第22～23层间)、1/4(第24～25层间)厚度位置处含不同损伤直径的有限元模型。通过初始粘接节点的选取模拟复合材料夹层结构不同直径的分层损伤，并通过有限元模拟复合材料层合板内的分层扩展，并获得其分层扩展载荷与极限压缩载荷。[0044] 2.2.4、提取在步骤2.2.3中分析中所得的分层扩展载荷与极限压缩载荷，分别拟合出在1/2厚度位置处含分层损伤、1/3厚度位置处含分层损伤和在1/4厚度位置处含分层损伤的复合材料层合板其分层扩展载荷与极限压缩载荷随损伤直径的变化曲线，并获得其与完好复合材料层合板67％压缩强度值的交点，如图3所示。[0045] 2.3、确定最危险分层位置与分层损伤阈值。如图3所示，当分层位于复合材料层合板1/4厚度位置时，虽然分层直径大于54mm时分层扩展载荷低于完好板压缩载荷的67％，但其极限压缩载荷始终高于完好板压缩载荷的67％，因此该位置不是最危险的分层位置。而当分层位于复合材料层合板1/3厚度位置时，当分层直径大于58mm时，层合板极限压缩载荷降至完好板压缩载荷的67％以下，确定该位置为层合板中危险的分层位置。以1/3厚度位置处分层扩展尺寸55.6mm为分层损伤阈值，记作D。[0046] 2.4、确定分布间距。以D＝55.6mm为直径圆的内接正方形边长Dz＝39.3为Z向微脉管的分布间距。[0047] 实施例2[0048] 本发明实施例提供了一种复合材料微脉管自修复结构包括纤维增强复合材料和预埋在复合材料内部的三维微脉管网络结构；[0049] 实际工程结构在使用过程中，由于冲击等产生的分层损伤在复合材料层合板厚度方向上并非均匀分布，而是集中于远离冲击一侧。因此采用非对称设计，在远离冲击面一侧布置分布间距小于Dz的Z向微脉管，同时将只起修复剂输送的X向Y向微脉管移出层合板，粘贴在远离冲击的一侧，减小预埋微脉管结构对层合板原始力学性能的影响，如图4所示。其Z向微脉管间距确定参照实施例一确定。[0050] 以上实施例1、2中的复合材料微脉管自修复结构的制备方法包括以下步骤：[0051] (C1)铺设单向预浸带，根据设计的复合材料微脉管自修复结构的形状、铺层角度及顺序，对单向预浸带进行裁剪和层叠铺设；[0052] (C2)预埋微脉管制备材料，根据设计的微脉管分布位置，缝入微脉管制备材料，如果制备不带管壁的微脉管，则缝入特定直径100～1000μm的可降解型牺牲线或表面涂有脱模剂的金属丝，如果制备带有管壁的微脉管，则缝入所述特定直径的中空玻璃纤维；[0053] (C3)模压固化，将预埋有微脉管制备材料的预浸带铺层放入模具中加压固化，制得含有微脉管制备材料的复合材料层合板；[0054] (C4)去除微脉管制备材料，如果预埋的是可降解型牺牲线，通过加热的方式使牺牲线降解并挥发，获得含有不带管壁微脉管的复合材料层合板；如果预埋的是表面涂有脱模剂的金属丝，通过机械方式将金属丝抽出，获得含有不带管壁微脉管的复合材料层合板，如果预埋的是中空玻璃纤维，则无需将其抽出，获得含有带管壁微脉管的复合材料层合板；[0055] (C5)粘贴功能层，若运输修复材料的为功能层，将功能层粘贴于复合材料层合板一侧，并与复合材料层合板中的Z向微脉管相连；[0056] (C6)含三维微脉管网络的复合材料层合板制备完成后在表面包覆一层编织布以封闭裸露在外的微脉管开孔；[0057] (C7)连接修复材料储存结构，将修复材料储存结构与X、Y向微脉管或面外功能层相连，并对储存结构加压，使三维微脉管网络中储存满修复材料，保证在复合材料层合板出现分层损伤后修复材料在压力作用下能通过三维微脉管网络运输到损伤位置，并完成修复。

专利地区：北京

专利申请日期：2021-12-06

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN114201898B