一种纤维增强树脂基复合材料修复方法

本发明属于先进复合材料可持续应用领域，涉及一种复合材料修复方法，尤其涉及一种纤维增强树脂基复合材料修复方法。

背景技术：

纤维增强树脂基复合材料因其具有高的比强度，比模量，良好的抗疲劳性能等优点，在航空航天、汽车工业、能源等各个尖端领域得到全面的应用。纤维增强树脂基复合材料是一种复杂的多相体系，生产过程受工艺参数影响较大，容易产生空隙、弱界面结合、分层等缺陷。在使用与维护过程中可能遭受到工具掉落、跑道碎石、冰雹、鸟撞等以冲击损伤为主的各种结构破坏，极易产生基体开裂、缺口、破孔、纤维断裂等损伤类型。这些缺陷与损伤将显著降低复合材料静、动载荷性能，若不能及时对其行有效的修复，恢复原结构的使用性能，其局部的缺陷、损伤将不断扩大进而引起整个复合材料结构的破坏甚至报废。对纤维增强树脂基复合材料生产、使用过程中产生的缺陷、损伤以及处于生命周期末端的废弃物进行修复，有利于延长复合材料的使用寿命，降低其全生命周期设计、制造成本，减少资源、能源消耗。

目前国内对纤维增强树脂基复合材料的修复问题研究较少，现有的修复方法存在工艺过程复杂，修复层致密性差，修复后表面不平整，修复部位薄弱，修复工作安全性低等问题。发明申请(cn111844818a)公开了一种树脂基纤维增强复合材料损伤的修复方法及加压修复装置，修复前需对损伤区域铺设加热毯与真空袋，操作过程复杂，效率低，受加热毯与真空袋形状、铺设方式的影响，对于复杂曲面结构存在修复困难，修复表面不平整的问题。修复过程中加热温度高，能耗大，修复区域会产生较大热应力，降低修复部位的力学性能。

技术实现要素：

为了克服现有技术中的不足，本发明提出了一种纤维增强树脂基复合材料修复方法，修复效率高，操作简单，易于现场操作，修复区域表面平整、力学性能好，能有效延长复合材料的使用寿命，降低复合材料生产制造成本与环境影响性。

为实现上述目的，本发明提供一种纤维增强树脂基复合材料修复方法，具有这样的特征：包括以下步骤：

步骤一、根据纤维增强树脂基复合材料的损伤、缺陷类型制备相应的粉体；

对于纤维断裂损伤区域，制备纤维粉体，且与待修复纤维增强树脂基复合材料中的纤维类型相同；

对于基体开裂、分层等树脂损伤、缺陷区域，制备树脂基粉体，且与待修复纤维增强树脂基复合材料中的树脂类型相同；

对于缺口、破孔、空隙等复合材料损伤、缺陷区域，制备纤维增强树脂基复合材料粉体，且与待修复纤维增强树脂基复合材料中的纤维、树脂类型相同；

对于磨损损伤类型，制备包括纤维、树脂基和铜的磨损修复粉体，磨损修复粉体中的纤维和树脂基与待修复纤维增强树脂基复合材料中的纤维、树脂类型相同；磨损修复粉体主要针对纤维增强树脂基复合材料磨损损伤类型，对磨损区域修复的同时铜粉可以增加其耐磨强度；

步骤二、清理去除纤维增强树脂基复合材料损伤、缺陷区域的灰尘、碎屑、污垢等杂质；

步骤三、对纤维增强树脂基复合材料的损伤、缺陷区域进行毛化处理，以增强粉体与纤维增强树脂基复合材料的界面结合强度；

步骤四、通过超音速冷喷涂工艺将制备的粉体喷至损伤、缺陷区域，粉体沉积形成一定厚度的表面修复层，完成损伤、缺陷区域修复。

进一步，本发明提供一种纤维增强树脂基复合材料修复方法，还可以具有这样的特征：步骤一中，所述粉体的粒径为1μm～50μm。

进一步，本发明提供一种纤维增强树脂基复合材料修复方法，还可以具有这样的特征：步骤一中，所述纤维增强树脂基复合材料粉体中纤维的质量分数为10％～50％，树脂基的质量分数为50％～90％。

进一步，本发明提供一种纤维增强树脂基复合材料修复方法，还可以具有这样的特征：步骤一中，所述纤维增强树脂基复合材料粉体的制备方法为：将纤维的粉体与树脂基的粉体均匀混合，制成所述纤维增强树脂基复合材料粉体。即将纤维与树脂基分别磨粉，然后通过搅拌进行混合，这种粉体制备方式具有操作简单、制备方便的特点，纤维粉体与树脂基粉体物理性混合，适用于材料性能要求较低或需紧急修复的场合。

进一步，本发明提供一种纤维增强树脂基复合材料修复方法，还可以具有这样的特征：步骤一中，所述纤维增强树脂基复合材料粉体的制备方法为：将纤维、树脂基以及偶联剂混合后造粒，再微细粉碎制成所述纤维增强树脂基复合材料粉体；偶联剂为硅酸乙酯、硅烷、钛酸酯或铝酸酯。本方式制备的粉体其纤维与树脂基之间界面结合良好，是一种较为复杂的化学性混合，采用该种粉体修复后的部位材料性能较好，适用于材料性能要求较高的修复场合。

进一步，本发明提供一种纤维增强树脂基复合材料修复方法，还可以具有这样的特征：步骤一中，所述纤维增强树脂基复合材料粉体的制备方法为：将纤维与树脂基通过研磨、碾压制成所述纤维增强树脂基复合材料粉体。在纤维与树脂基共同碾压、研磨的过程中，纤维会部分镶嵌到树脂基内，是一种机械化学性的混合方式，该种方式制备过程相对较为简单(难易程度介于前两种方式之间)，粉体性能较好(性能介于前两种方式之间)，适用于一般性的修复场合。

进一步，本发明提供一种纤维增强树脂基复合材料修复方法，还可以具有这样的特征：步骤一中，所述磨损修复粉体的制备方法为：将纤维粉体、树脂基粉体以及铜粉混和制成所述磨损修复粉体。

进一步，本发明提供一种纤维增强树脂基复合材料修复方法，还可以具有这样的特征：步骤四中，所述超音速冷喷涂工艺参数设定为温度20℃～300℃，气体流速500m/s～1200m/s。

进一步，本发明提供一种纤维增强树脂基复合材料修复方法，还可以具有这样的特征：所述纤维增强树脂基复合材料的纤维为碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、芳纶纤维或碳化硅纤维；所述纤维增强树脂基复合材料的树脂基为热塑性树脂基或热固性树脂基；热塑性树脂基为聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚苯醚、聚乳酸、abs或聚醚醚酮；热固性树脂基为酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂，乙烯基酯，双马来酰胺或氰酸酯。

本发明的有益效果在于：本发明提供一种纤维增强树脂基复合材料修复方法，主要针对纤维断裂、基体开裂、缺口、破孔、空隙、分层等复合材料典型损伤和缺陷进行修复。根据纤维断裂、基体开裂、缺口等不同的损伤类型，制备相应的纤维粉体、树脂基粉体、纤维增强树脂基复合材料粉体，通过超音速冷喷涂工艺将制备的粉体喷至损伤、缺陷区域，粉体沉积形成一定厚度的表面修复层，完成损伤、缺陷区域修复。其原理是压缩气体通过缩放型拉瓦管产生超音速气流将粉体沿轴向送入超音速气流中，形成气-固双相流，经加速后在完全固态下撞击基体，发生较大的挤压变形而沉积在基体表面上形成修复层。修复过程具有效率高、能耗低、环境友好等优点，修复部位表面平整且力学性能得到一定恢复。本发明可应用于汽车、能源、体育用品等行业中纤维增强树脂基复合材料结构件制造、使用过程中以及生命周期末端废弃物缺陷、损伤的修复。具体的：

一、粉体向基体沉积时温度远低于粉体的熔点，修复过程所需能耗低且粉体沉积过程始终保持固态特性不发生相变；

二、修复层与基体结合程度高、致密性好，可沉积较厚的修复层，修复区域热应力小；

三、修复过程具有环境友好、操作简单、工作安全等优点，同时可回收再利用修复过程中飞溅的粉体，修复成本低；

四、修复损伤、缺陷类型范围广，针对性强。对于纤维断裂、基体开裂、空隙、磨损等复合材料典型损伤和缺陷，进行相应纤维、树脂基、复合材料等的高效修复。且对于磨损损伤类型，通过引入铜粉可增加修复后材料的耐磨强度。

附图说明

图1是碳纤维增强peek复合材料的聚醚醚酮(peek)树脂基体开裂损伤类型的修复过程示意图；

图2是碳纤维增强peek复合材料的peek树脂基开裂修复后实物图；

图3是碳纤维增强peek复合材料的缺口损伤类型的修复过程示意图；

图4是碳纤维增强peek复合材料的缺口修复后实物图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本施例针对碳纤维增强peek复合材料使用过程中peek树脂基体开裂损伤类型，提供一种纤维增强树脂基复合材料修复方法，如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤一、利用超声波检测装置对碳纤维增强peek复合材料4进行检测，确定损伤区域的类型及分布情况，并对损伤区域进行标记；根据peek树脂基体开裂1损伤类型，制备粒径为20μm的peek粉体2。

步骤二、采用高压气枪对peek树脂基体开裂1区域进行清理，去除peek树脂基体开裂1区域的碎屑与灰尘。

步骤三、对peek树脂基体开裂1区域喷涂少量石英砂从而增强peek粉体2与碳纤维增强peek复合材料4界面结合强度。

步骤四、当气体温度达到120℃，气体流速为520m/s时，超音速冷喷涂喷头3对peek树脂基体开裂1处进行喷涂修复，peek粉体2不断沉积与堆积，直至将peek树脂基体开裂1区域修复。

采用本发明提供的纤维增强树脂基复合材料修复方法对peek树脂基体开裂进行修复，修复过程能耗低。图2为碳纤维增强peek复合材料的peek树脂基开裂修复后实物图，如图2所示，修复层与碳纤维增强peek复合材料结合良好，无脱落与过大的热应力产生；修复区域表面平整，材料能基本恢复原结构的使用性能，延长了碳纤维增强peek复合材料的使用寿命，降低了其全生命周期设计、制造成本。

实施例2

本施例针对碳纤维增强peek复合材料使用过程中缺口损伤类型，提供一种纤维增强树脂基复合材料修复方法，如图2所示，具体包括如下步骤：

步骤一、利用超声波检测装置对碳纤维增强peek复合材料8进行检测，确定损伤区域的类型及分布情况，并对损伤区域进行标记；针对缺口5损伤类型，制备纤维增强树脂基复合材料粉体；纤维增强树脂基复合材料粉体的制备方法为：采用碳纤维、peek、硅酸乙酯混合后造粒，然后再微细粉碎制成粒径为25μm的碳纤维增强peek复合材料粉体6。

其中，可以根据修复需求选用其他纤维增强树脂基复合材料粉体的制备方法，纤维增强树脂基复合材料粉体制备方法还包括：将纤维的粉体与树脂基的粉体均匀混合制成纤维增强树脂基复合材料粉体；以及，将纤维与树脂基通过研磨、碾压制成纤维增强树脂基复合材料粉体。

步骤二、采用高压气枪对缺口5区域进行清理，去除缺口5内的碎屑与灰尘。

步骤三、对损缺口5区域内喷涂少量石英砂从而增强碳纤维增强peek复合材料粉体6与碳纤维增强peek复合材料8界面结合强度。

步骤四、当气体温度达到150℃，气体流速为700m/s时，超音速冷喷涂喷头7对缺口5进行修复，碳纤维增强peek复合材料粉体6不断沉积与堆积，直至将缺口5处修复。

采用本发明提供的纤维增强树脂基复合材料修复方法对碳纤维增强peek复合材料的缺口进行修复，图4为碳纤维增强peek复合材料的缺口修复后实物图，如图4所示，修复层致密性高，修复区域表面平整，修复部位力学性能得到一定程度恢复，降低了备件和制造成本，且修复方法简单可行、容易操作。

实施例3

本施例针对碳纤维增强peek复合材料使用过程中碳纤维断裂损伤类型，提供一种纤维增强树脂基复合材料修复方法，具体包括如下步骤：

步骤一、利用超声波检测装置对碳纤维增强peek复合材料进行检测，确定损伤区域的类型及分布情况，并对损伤区域进行标记；根据碳纤维断裂损伤类型，制备粒径为25μm的碳纤维粉体。

步骤二、采用高压气枪对碳纤维断裂区域进行清理，去除碳纤维断裂区域内的碎屑与灰尘。

步骤三、对碳纤维断裂损伤区域内喷涂少量石英砂从而增强碳纤维粉体与碳纤维增强peek复合材料界面结合强度。

步骤四、当气体温度达到160℃，气体流速为750m/s时，超音速冷喷涂喷头对碳纤维断裂区域进行喷涂修复，碳纤维粉体不断的沉积，直至将碳纤维断裂区域修复。

实施例4

本施例针对碳纤维增强环氧树脂复合材料使用过程中磨损类型，提供一种纤维增强树脂基复合材料修复方法，具体包括如下步骤：

步骤一、利用超声波检测装置对碳纤维增强环氧树脂复合材料进行检测，确定损伤区域的类型及分布情况，并对损伤区域进行标记；根据磨损损伤类型，制备粒径为30μm的磨损修复粉体；磨损修复粉体的制备方法为：将碳纤维粉末、环氧树脂粉末与铜粉混合制成。

步骤二、采用高压气枪对磨损区域进行清理，去除磨损区域内的碎屑与灰尘。

步骤三、对损磨损区域内喷涂少量石英砂使其毛糙化从而增加混合粉体与磨损界面结合强度。

步骤四、当气体温度达到180℃，气体流速为820m/s时，超音速冷喷涂喷头对磨损区域进行喷涂修复，磨损修复粉体不断的沉积，直至将磨损区域修复。