基于脉管的自修复树脂基复合材料的空间分布方法与流程

本发明涉及智能复合材料领域，特别是涉及一种基于脉管的自修复树脂基复合材料的空间分布方法。

背景技术：

在自然界的生命系统中，存在着很多复合材料结构，如骨骼和象牙等是由胶原蛋白纤维与羟基磷灰石纳米晶组成的复合材料。它们不仅轻质高强，且具有良好的环境适应性，对微小损伤能自感应并自修复。有研究表明人体胫骨如没有自修复能力，其疲劳寿命不超过3年，可见自修复功能可显著提高生物体环境生存能力，并大大延长寿命。

相比之下，目前在武器装备和民用领域得到广泛应用的纤维增强树脂基复合材料(fiberreinforcedpolymercomposites，frp)却不具备自然生命系统的自感应和自修复能力。由于缺乏自我响应和保护机制，先进复合材料在遭受损伤时只能被动地利用剩余承载能力，并且在服役环境中损伤容易继续扩展，扩展到一定程度则会导致灾难性破坏。尽管先进复合材料具有轻质高强的优势，并且采取了增加检测、采用损伤容限设计和提高设计冗余等措施，但这些措施存在增加成本、检测受限、降低应用效能等问题。为此人们从自然界生物体的自修复功能和机制中寻找灵感，试图给frp复合材料赋予自感应自修复功能。

人们发现，自然界生物经亿万年演化出许多精巧的高承载性能生物复合材料结构，它们往往含有许多脉管结构。承载的生物材料脉管化后获得许多重要的功能，脉管中具有用于营养供应和信号传感的液体，使得这些材料可以进行损伤感应和组织修复。当生物体遭受损伤时，脉管将功能物质输送至损伤部位，通过组织增生和转化过程，生成新生组织，最终实现伤口愈合，组织功能得以恢复。

如果复合材料具有自修复性能，那么可以避免微小损伤进一步扩大而造成力学性能大大下降，从而提高复合材料的安全性，可维护性和寿命。

人们提出了多种具有智能仿生特征的自修复复合材料。一类是在复合材料中预埋光纤等来感知损伤和修复复合材料。此类复合材料的力学性能差，只限于科学研究，应用价值小。另外一类是在复合材料内预埋管线或者形成无异质管壁的中空脉管，以微脉管作为感应损伤和传递修复剂的载体。然而自修复功能的引入往往带来复合材料力学性能的下降.

因此，发明人提供了一种基于一维脉管的自修复树脂基复合材料的空间分布设计。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种基于脉管的自修复树脂基复合材料的空间分布方法，解决了现有复合材料不能自修复的问题。

本发明的实施例提出了一种基于脉管的自修复树脂基复合材料的空间分布方法，该方法包括：

将树脂基复合材料铺层划分为层数相同的两部分；

在划分的其中一部分树脂基复合材料铺层中，在预计会受到低速冲击的树脂基复合材料铺层背面一侧每隔2～3mm的厚度铺层分布一层脉管，处于同一层的脉管之间间隔6～10mm，处于相邻不同层的脉管之间交错间隔排列；

在脉管中注入修复剂，将脉管与自感应修复系统连接，将含有脉管一侧的树脂基复合材料铺层部分置于预计容易受到冲击损伤的位置，在受到冲击损伤后，其主要损伤发展在树脂基复合材料铺层的中间层和冲击背面，脉管中的修复剂流入到损伤位置，修复损伤。

进一步地，所述脉管的直径范围为100-500微米。

进一步地，所述脉管采用玻璃管或塑料管的管体。

进一步地，所述脉管采用牺牲线或预埋线的方法埋入树脂基复合材料铺层中，在去除相应的牺牲线或者预埋线后获得相应脉管的树脂基复合材料铺层。

进一步地，所述脉管采用预埋线方法是，在设定的树脂基复合材料铺层中加入预埋线，预埋线间隔6-10mm，然后继续铺贴设定铺层的碳纤维增强环氧树脂预浸料，采用热压罐工艺成型复合材料后冷却出罐，再将预埋线从树脂基复合材料中拔出，得到树脂基复合材料的中空脉管。

进一步地，所述脉管采用牺牲线方法是，在设定的树脂基复合材料铺层中加入牺牲线，牺牲线间隔6-10mm，然后继续铺贴设定铺层的碳纤维增强环氧树脂预浸料，采用热压罐工艺成型复合材料后冷却出罐，牺牲线在热压罐的高温中挥发，得到树脂基复合材料的中空脉管。

进一步地，在将脉管铺层分布时，可将脉管的管体直接放入树脂基复合材料铺层中，或者根据脉管的外径将相应的树脂基复合材料铺层的铺层切断，将脉管的管体放在相应位置，在复合材料固化以后，对于埋入玻璃管和塑料管的直接得到含脉管的树脂基复合材料。

综上，本发明复在合材料层中引入较小体积占比的中空脉管，即可修复低速冲击损伤，对复合材料力学性能负面影响小，使该复合材料结构在力学性能要求高的航空航天领域的应用成为可能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是低速冲击损伤的破坏模式。

图2是脉管在复合材料中空间分布设计示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了任何等同修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明提出了一种基于脉管的自修复树脂基复合材料的空间分布方法，将引入自修复功能的脉管主要分布在分层面积较大的靠近冲击背面的铺层中(如图1所示)，在受到冲击损伤后，脉管更容易为分层损伤捕捉到，修复剂能够就近修复较大尺寸的损伤，减少了脉管的引入体积，也能够确保较高的修复效率，从而实现复合材料的力学性能损失降到最低，复合材料承载能力得到更充分的保留。

本发明的基于脉管的自修复树脂基复合材料的空间分布方法包括步骤s110～步骤s130：

步骤s110，将树脂基复合材料铺层划分为层数相同的两部分。

步骤s120，在划分的其中一部分树脂基复合材料铺层中，在预计会受到低速冲击的树脂基复合材料铺层背面一侧每隔2～3mm的厚度铺层分布一层脉管，处于同一层的脉管之间间隔6～10mm，处于相邻不同层的脉管之间交错间隔排列。

步骤s130，在脉管中注入修复剂，将脉管与自感应修复系统连接，将含有脉管一侧的树脂基复合材料铺层部分置于预计容易受到冲击损伤的位置，在受到冲击损伤后，其主要损伤发展在树脂基复合材料铺层的中间层和冲击背面，脉管中的修复剂流入到损伤位置，修复损伤。

其中，所述脉管采用玻璃管或塑料管的管体。所述脉管的直径范围为100-500微米。所述脉管采用牺牲线或预埋线的方法埋入树脂基复合材料铺层中，在去除相应的牺牲线或者预埋线后获得相应脉管的树脂基复合材料铺层。

进一步地，所述脉管采用预埋线方法是，在设定的树脂基复合材料铺层中加入预埋线，预埋线间隔6-10mm，然后继续铺贴设定铺层的碳纤维增强环氧树脂预浸料，采用热压罐工艺成型复合材料后冷却出罐，再将预埋线从树脂基复合材料中拔出，得到树脂基复合材料的中空脉管。

所述脉管采用牺牲线方法是，在设定的树脂基复合材料铺层中加入牺牲线，牺牲线间隔6-10mm，然后继续铺贴设定铺层的碳纤维增强环氧树脂预浸料，采用热压罐工艺成型复合材料后冷却出罐，牺牲线在热压罐的高温中挥发，得到树脂基复合材料的中空脉管。

在将脉管铺层分布时，可将脉管的管体直接放入树脂基复合材料铺层中，或者根据脉管的外径将相应的树脂基复合材料铺层的铺层切断，将脉管的管体放在相应位置，在复合材料固化以后，对于埋入玻璃管和塑料管的直接得到含脉管的树脂基复合材料。

具体地，本发明的方法是：

①首先对特定的树脂基复合材料进行铺层，将脉管铺层分为层数相同的两半部分，脉管位于可能受到低速冲击的背面的一半部分。具体而言，中间铺层分布脉管，在冲击背面一侧每2-3mm厚度铺层分布一层脉管。(可参考图2)脉管沿0°方向铺设，脉管直径范围是100-500微米。脉管的间距是6-10mm，如果布置2层或者以上的脉管，不同层之间的脉管位置错开。

②在实际铺设时，可以将管体(玻璃管、塑料管或者牺牲线、预埋线)直接放入铺层中，或者根据脉管的外径将相应的铺层切断，将管体放在相应位置。固化以后，对于埋入玻璃管和塑料管的直接得到含脉管的复合材料。对于埋入预埋线的，去除预埋线可以得到含相应脉管的复合材料。

③在脉管中注入修复剂，或者将其与自感应修复系统连接，将含有脉管的一侧置于将易受冲击损伤的位置。在其受到冲击损伤后，其主要损伤发展在中间层和冲击背面，脉管中的修复剂流入到损伤位置，修复损伤。

下面对本发明进一步作具体说明，但本发明不局限于此。

下述实例中所使用的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；下述实例中所用的试剂和材料等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施实例1为，含中空脉管的gfrp复合材料的面向冲击损伤的自修复：

将预浸料按照如下设定的铺层顺序进行铺贴：脉管的位置[-45/90/45/0/脉管/-45/90/45/0/脉管/0/45/90/-45/0/45/90/-45]，预埋线的直径为100-500μm。在设定层间中加入预埋线，预埋线间隔6-10mm，然后继续铺贴设定铺层的玻璃纤维织物增强环氧树脂(sw280/3218)预浸料，采用热压罐工艺成型复合材料。热压罐固化工艺为：室温抽真空，真空度不小于-0.095mpa，加热至60℃，保温0.5h，加压0.3mpa,以1.5℃/min的升温速率升温至130℃，恒温2h，自然冷却至60℃以下出罐。将预埋线从复合材料中拔出，得到含中空脉管的gfrp复合材料。

将含脉管复合材料接入自感应自修复系统，具体专利申请公开(申请号：201611122768.1)所描述。将有脉管的部分位于冲击背面，进行6.67j/mm能量的低速冲击，冲击后修复剂流入损伤位置，损伤得到了修复。修复后压缩强度由不修复的202mpa，提高到修复后的211mpa。

表1面向低速冲击损伤的脉管分布方式的自修复gfrp的主要力学性能及修复情况

实施实例2，脉管的位置为：

-45/90/45/0/-45/90/45/0/-45/90/45/0/-45/90/【45/0脉管0/45】90/-45/0/45/【90/-45脉管/0/45】/90/-45/0/45/90/-45

预埋线的直径为250μm。在设定层间中加入预埋线，预埋线间隔6-10mm，然后继续铺贴设定铺层的碳纤维增强环氧树脂(zt7g/lt-03a)预浸料，采用热压罐工艺成型复合材料。热压罐固化工艺为：室温抽真空，真空度不小于-0.095mpa，加热至65℃，加压0.5mpa,以1.5℃/min的升温速率升温至130℃，恒温2h，自然冷却至60℃以下出罐。将预埋线从复合材料中拔出，得到含中空脉管的cfrp复合材料。其主要力学性能如表1所示。

将含脉管复合材料接入自感应自修复系统，具体专利申请公开(申请号：201611122768.1)所描述。将有脉管的部分位于冲击背面，进行6.67j/mm能量的低速冲击，冲击后修复剂流入损伤位置，损伤得到了修复。修复后压缩强度由不修复的213mpa，提高到修复后的344mpa。

表2面向低速冲击损伤的脉管分布方式的自修复cfrp的主要力学性能及修复情况

实施实例3

脉管的位置：

-45/90/45/0/-45/90/【45/0/脉管-45/90】/45/0/-45/90/45/0/0/4590/-45/0/45/【90/-45脉管/0/45】/90/-45/0/45/90/-45

预埋线的直径为500μm。在设定层间中加入预埋线，预埋线间隔6-10mm，然后继续铺贴设定铺层的zt7g/lt-03a预浸料，采用热压罐工艺成型复合材料。热压罐固化工艺为：室温抽真空，真空度不小于-0.095mpa，加热至65℃，加压0.5mpa,以1.5℃/min的升温速率升温至130℃，恒温2h，自然冷却至60℃以下出罐。将预埋线从复合材料中拔出，得到含中空脉管的cfrp复合材料。其主要力学性能如表2。

将含脉管复合材料接入自感应自修复系统，具体专利申请公开(申请号：201611122768.1)所描述。进行了6.67j/mm能量的低速冲击，冲击后修复剂流入损伤位置，损伤得到了修复。修复后压缩强度由不修复的230mpa，提高到修复后的338mpa。

表3一般对称脉管分布方式的自修复cfrp的主要力学性能及修复情况

对比实例2和实例3，实例2中位于冲击背面的脉管分布形式的脉管所占体积是实例3中对称分布形式的脉管所占体积的25％，而修复效果依然稍高于实例3的结果。

以上所述仅为本申请的实施例而已，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。