纤维增强热固性树脂基复合材料的损伤原位监测与修复结构、方法
阅读说明：本技术 纤维增强热固性树脂基复合材料的损伤原位监测与修复结构、方法 (Structure and method for in-situ monitoring and repairing damage of fiber reinforced thermosetting resin-based composite material ) 是由 杨斌 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明实施例公开了一种纤维增强热固性树脂基复合材料的损伤原位监测与修复结构、方法,损伤原位监测与修复结构包括：电加热薄膜,其环绕地缠绕于纤维束的外周的至少一部分,所述电加热薄膜上开设有贯穿其内外的至少1个修复孔；以及热塑性树脂,其填充于所述修复孔中；其中,所述电加热薄膜上牵引出用于外接电源连接的电极片；在所述电加热薄膜的外周滴加热固性树脂并固化成型,以至少将所述电加热薄膜及纤维束上和/或纤维层上被所述电加热薄膜所覆盖的区域包裹于所述热固性树脂之中。根据本发明,其在界面微裂纹产生后,通过通电后使得电加热薄膜发热来熔融热塑性树脂并使得树脂流置界面微裂缝,进而达到对微裂纹愈合的目的。(The embodiment of the invention discloses a damage in-situ monitoring and repairing structure and a method for a fiber-reinforced thermosetting resin-based composite material, wherein the damage in-situ monitoring and repairing structure comprises the following components: the electric heating film is wound around at least one part of the periphery of the fiber bundle in a surrounding manner, and at least 1 repairing hole penetrating through the electric heating film is formed in the electric heating film; and a thermoplastic resin filled in the repair hole; wherein, an electrode plate for connecting an external power supply is drawn out of the electric heating film; and dripping thermosetting resin on the periphery of the electric heating film, and curing and molding to wrap at least the electric heating film and the area covered by the electric heating film on the fiber bundle and/or the fiber layer in the thermosetting resin. According to the invention, after the microcracks on the interface are generated, the electric heating film is heated after electrification to melt the thermoplastic resin and enable the resin to flow into the microcracks on the interface, thereby achieving the purpose of healing the microcracks.)
技术领域
本发明涉及复合材料损伤修复领域，特别涉及一种纤维增强复合材料的损伤监测与修复结构、层合板及损伤检测与修复方法。
背景技术
复合材料是一种由两种或者两种以上的不同物质所组成的多相固体材料，具有轻质高强的材料特性，因而被广泛的应用于航空航天、土木工程、车辆工程等工程领域之中。但由于纤维和树脂两者材料在物理与化学性质上存在一定差异，故在受载的情况下，纤维与树脂之间的形变存在一定差异，进而造成了两种材料的界面结合层产生裂缝。此类裂缝微小且发生在材料内部，不易被人们肉眼所观察到。随着界面裂纹不断的发展与积累，逐渐发展成为复合材料结构的重要安全隐患，严重影响复合材料结构的结构稳定与服役寿命。因此，对纤维和树脂界面层的损伤原位层间监测具有重大意义。在损伤初期阶段及时发现损伤位置并预警，能够大幅降低工程事故的发生机率。在树脂与纤维结合层发生界面损伤后，及时通过界面处存储的修复性材料进行修复，在裂纹萌发的初期及时进行修复，可以最大限度降低复合材料结构后期维护成本。故研发一种纤维束/层间原位界面监测修复系统具有重要的工程意义。
目前主流传统的损伤监测的方法有红外热成像，超声探伤等，虽然传统监测方法具有较高的精度，但需要设备停机配合监测，不能实现实时监测。而光纤传感器，应变片等在线监测手段虽然可以实时监测，但是其极易受到外界环境的干扰。当将光纤传感器加入至复合材料内部时，将严重影响材料自身的界面性能。应变片难以实现大面积结构监测。目前主流监测方法均有着各自的局限性。碳纳米管薄膜与复合材料结构一体成型，不仅能加强树脂与纤维材料之间的界面性能，而且还能通过自身优异的机电性能反映界面的损伤状况，达到原位监测的目的。在发现界面裂纹后，还需要对微裂纹及时进行修复。
目前复合材料自修复方法主要分为原位式愈合和填埋式愈合两大类。原位式愈合即本征式愈合指在不添加任何外界修复介质的条件下，材料能在外界作用下发生自主愈合。填埋式愈合即外援型愈合，指在聚合物基体中填埋外加修复剂，使材料受到损伤后能自主释放并扩散至整个裂纹，最终按照某种机制使裂纹粘合，实现材料的自我修复，其中，原位式愈合只能在特殊的基体上进行自愈合不能广泛的应用于其他树脂体系中，而填埋式愈合方法需要在基体中填埋中空纤维或胶囊，由于胶囊引入至树脂基体中，工序复杂，且在热固性树脂基体中必然会造成应力集中现象发生，降低材料的力学性能。
有鉴于此，实有必要开发一种纤维增强热固性树脂基复合材料的损伤原位监测与修复结构、方法，用以解决上述问题。
发明内容
本申请的实施例提供一种纤维增强热固性树脂基复合材料的损伤原位监测与修复结构、方法，其通过在保留电加热薄膜的监测功能的基础上，对电加热薄膜进行打孔处理，在孔洞内添加热塑性树脂，当界面微裂纹产生后，通过通电后使得电加热薄膜发热来熔融热塑性树脂并使得树脂流置、填充界面微裂纹，待热塑性树脂冷却固话后即可达到对界面微裂纹愈合的目的，修复后的复合材料的力学性能指标能恢复至损伤前的90％以上，基本能满足修复后再利用的目的，最大限度降低复合材料结构后期维护成本。
为了解决上述技术问题，本申请的实施例公开了如下技术方案：
一方面，提供了一种纤维增强热固性树脂基复合材料的损伤原位监测与修复结构，包括：
电加热薄膜，其环绕地缠绕于纤维束的外周的至少一部分，所述电加热薄膜上开设有贯穿其内外的至少1个修复孔；以及
热塑性树脂，其填充于所述修复孔中；
其中，所述电加热薄膜上牵引出用于外接电源连接的电极片；在所述电加热薄膜的外周滴加热固性树脂并固化成型，以至少将所述电加热薄膜及纤维束上和/或纤维层上被所述电加热薄膜所覆盖的区域包裹于所述热固性树脂之中。
可选的，所述修复孔为圆形、椭圆形、方形、三角形及菱形中的至少一种；定义所有修复孔的面积之和与电加热薄膜的面积之比为S，则S≤0.75。
可选的，所述纤维束由至少一根纤维丝按预设规则捻制而成。
可选的，所述电加热薄膜为碳纳米管薄膜和石墨烯薄膜中的至少一种。
可选的，所述电加热薄膜是的电极片通过并联的方式连接损伤监测器与损伤修复电源。
另一方面，提供了另一种纤维增强热固性树脂基复合材料的损伤原位监测与修复结构，包括：
至少两层上下层的纤维层；以及
用于将所述纤维层固化成统一整体的基体；
其中，所述纤维层之间和/或纤维层的纤维束上布置有电加热薄膜，所述电加热薄膜上开设有贯穿其内外的至少1个修复孔，所述修复孔中填充有热塑性树脂；
其中，所述电加热薄膜上牵引出用于电连接的电极；在所述电加热薄膜的外周滴加热固性树脂并固化成型，以至少将所述电加热薄膜及纤维束上和/或纤维层上被所述电加热薄膜所覆盖的区域包裹于所述热固性树脂之中。
可选的，所述修复孔为圆形、椭圆形、方形、三角形及菱形中的至少一种；定义所有修复孔的面积之和与电加热薄膜的面积之比为S，则S≤0.75。
可选的，所述纤维束由至少一根单向纤维按预设规则捻制而成。
可选的，所述电加热薄膜为碳纳米管薄膜和石墨烯薄膜中的至少一种。
可选的，所述电极并联式地电连接有损伤监测器与损伤修复电源。
另一方面，提供了一种纤维增强热固性树脂基复合材料的损伤原位监测与修复方法，包括以下步骤：
将电加热薄膜环绕地缠绕于纤维束的外周的至少一部分；和/或
将电加热薄膜铺设于层合板的相邻两层纤维层之间；
在所述电加热薄膜上开设修复孔；
将热塑性树脂填充至修复孔之中；
将热固性树脂滴加至所述电加热薄膜的外周并固化成型，以至少将所述电加热薄膜及纤维束上和/或纤维层上被所述电加热薄膜所覆盖的区域包裹于热固性树脂之中；
在所述电加热薄膜上牵引出用于电连接的电极；
将损伤监测器和损伤修复电源并联式地与所述电极电连接；
当所述损伤检测器检测到树脂基体与纤维束之间发生损伤和/或树脂基体与纤维层发生损伤时，所述损伤修复电源开始对电加热薄膜进行供电，电加热薄膜加电后发热使得修复孔中的热塑性树脂开始熔融进而填充到损伤缝隙中进行修复。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：由于其通过在保留电加热薄膜的监测功能的基础上，对电加热薄膜进行打孔处理，在孔洞内添加热塑性树脂，在界面微裂纹产生后，通过通电后使得电加热薄膜发热来熔融热塑性树脂并使得树脂流置界面微裂纹，待热塑性树脂冷却固化后即可达到对界面微裂纹愈合的目的，修复后的复合材料的力学性能指标能恢复至损伤前的90％以上，基本能满足修复后再利用的目的，最大限度降低复合材料结构后期维护成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制，其中：
图1为根据本发明一个实施方式提出的纤维增强热固性树脂基复合材料的损伤原位监测与修复结构的结构示意图，图中示出了修复孔呈圆形的情形；
图2为根据本发明一个实施方式提出的纤维增强热固性树脂基复合材料的损伤原位监测与修复结构的结构示意图，图中示出了修复孔呈方形的情形；
图3为根据本发明一个实施方式提出的纤维增强热固性树脂基复合材料的损伤原位监测与修复结构的结构示意图，图中示出了修复孔呈三角形的情形；
图4为根据本发明一个实施方式提出的纤维增强热固性树脂基复合材料的损伤原位监测与修复结构与损伤检测器电连接的结构示意图；
图5为根据本发明一个实施方式提出的纤维增强热固性树脂基复合材料的损伤原位监测与修复结构与损伤修复电源电连接的结构示意图；
图6为根据本发明一个实施方式提出的另一种纤维增强热固性树脂基复合材料的损伤原位监测与修复结构的结构示意图；
图7为对本发明一个实施方式提出的纤维增强热固性树脂基复合材料的损伤原位监测与修复结构进行损伤修复后的力学性能测试前后对比的纤维拔出剪力-应变曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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。
在附图中，为清晰起见，可对形状和尺寸进行放大，并将在所有图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
在下列描述中，诸如中心、厚度、高度、长度、前部、背部、后部、左边、右边、顶部、底部、上部、下部等用词是相对于各附图中所示的构造进行定义的，特别地，“高度”相当于从顶部到底部的尺寸，“宽度”相当于从左边到右边的尺寸，“深度”相当于从前到后的尺寸，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化，所以，也不应当将这些或者其他的方位用于解释为限制性用语。
涉及附接、联接等的术语(例如，“连接”和“附接”)是指这些结构通过中间结构彼此直接或间接固定或附接的关系、以及可动或刚性附接或关系，除非以其他方式明确地说明。
实施例一
图1～图5示出了本发明的实施例1，结合图1～图5的示出，可以看出，纤维增强热固性树脂基复合材料的损伤原位监测与修复结构包括：
电加热薄膜，其环绕地缠绕于纤维束1的外周的至少一部分，所述电加热薄膜上开设有贯穿其内外的至少1个修复孔4；以及
热塑性树脂，其填充于所述修复孔4中；
其中，所述电加热薄膜上牵引出用于外接电源连接的电极片；在所述电加热薄膜的外周滴加热固性树脂3并固化成型，以至少将所述电加热薄膜及纤维束1上和/或纤维层上被所述电加热薄膜所覆盖的区域包裹于所述热固性树脂3之中。在本实施例中，热塑性树脂可以为PE-聚乙烯、PP-聚丙烯、PVC-聚氯乙烯、PS-聚苯乙烯、PA-聚酰胺、POM-聚甲醛、PC-聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜、PLA-聚乳酸中的至少一种。
进一步地，所述修复孔4为圆形、椭圆形、方形、三角形及菱形中的至少一种；定义所有修复孔4的面积之和与电加热薄膜的面积之比为S，则S≤0.75。在本实施例中，S＝0.6，且两两修复孔4间的间距大于修复孔4的孔径尺寸。图1～图3分别给出了修复孔4分别为圆形、方形、三角形的结构示意图。
进一步地，所述纤维束1由至少一根纤维丝按预设规则捻制而成。
进一步地，所述电加热薄膜为碳纳米管薄膜和石墨烯薄膜中的至少一种。在本实施例中优选采用多壁碳纳米管薄膜。
参照图4～图5，所述电加热薄膜是的电极片通过并联的方式连接损伤监测器与损伤修复电源。可以理解的是，损伤检测器和损伤修复电源也可以先后分别与所述电加热薄膜是的电极片电连接。本实施例中损伤检测器为吉利时2700数据采集仪6，损伤修复电源为直流电源7。
实施例二
图1～图6示出了本发明的实施例二，实施例二与实施例一的区别在于：
公开了另一种纤维增强热固性树脂基复合材料的损伤原位监测与修复结构，其适用于纤维束修复和/或层间修复，包括：
至少两层上下层的纤维层；以及
用于将所述纤维层固化成统一整体的基体；
其中，所述纤维层之间和/或纤维层的纤维束1上布置有电加热薄膜，所述电加热薄膜上开设有贯穿其内外的至少1个修复孔4，所述修复孔4中填充有热塑性树脂；
其中，所述电加热薄膜上牵引出用于电连接的电极；在所述电加热薄膜的外周滴加热固性树脂3并固化成型，以至少将所述电加热薄膜及纤维束1上和/或纤维层上被所述电加热薄膜所覆盖的区域包裹于所述热固性树脂3之中。在本实施例中，热塑性树脂可以为PE-聚乙烯、PP-聚丙烯、PVC-聚氯乙烯、PS-聚苯乙烯、PA-聚酰胺、POM-聚甲醛、PC-聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜、PLA-聚乳酸中的至少一种。
进一步地，所述修复孔4为圆形、椭圆形、方形、三角形及菱形中的至少一种；定义所有修复孔4的面积之和与电加热薄膜的面积之比为S，则S≤0.75。在本实施例中，S＝0.55，且两两修复孔4间的间距大于或等于修复孔4的孔径尺寸。图1～图3分别给出了修复孔4分别为圆形、方形、三角形的结构示意图。
进一步地，所述纤维束1由至少一根单向纤维按预设规则捻制而成。
进一步地，所述电加热薄膜为碳纳米管薄膜和石墨烯薄膜中的至少一种。在本实施例中，所述电加热薄膜为石墨烯薄膜。
进一步地，所述电极并联式地电连接有损伤监测器与损伤修复电源。可以理解的是，损伤检测器和损伤修复电源也可以先后分别与所述电加热薄膜是的电极片电连接。本实施例中损伤检测器为吉利时2700数据采集仪6，损伤修复电源为直流电源7。
在图6所示的实施例中，本实施例提供的纤维增强热固性树脂基复合材料的损伤原位监测与修复结构的功能与实施例一实现的功能相对应，所以关于本实施例的其他功能可参见实施例一中的内容，在此不再一一赘述。
实施例三
图1～图6还示出了本发明的实施例三，实施例三与实施例一/实施例二的区别在于：
公开了一种纤维增强复合材料的损伤监测与修复方法，包括以下步骤：
将电加热薄膜环绕地缠绕于纤维束1的外周的至少一部分；和/或
将电加热薄膜铺设于层合板的相邻两层纤维层之间；
在所述电加热薄膜上开设修复孔4；
将热塑性树脂填充至修复孔4之中；
将热固性树脂3滴加至所述电加热薄膜的外周并固化成型，以至少将所述电加热薄膜及纤维束1上和/或纤维层上被所述电加热薄膜所覆盖的区域包裹于热固性树脂3之中；
在所述电加热薄膜上牵引出用于电连接的电极；
将损伤监测器和损伤修复电源并联式地与所述电极电连接；
当所述损伤检测器检测到树脂基体与纤维束1之间发生损伤和/或树脂基体与纤维层发生损伤时，所述损伤修复电源开始对电加热薄膜进行供电，电加热薄膜加电后发热使得修复孔4中的热塑性树脂开始熔融进而填充到损伤缝隙中进行修复。
本实施例提供的纤维增强热固性树脂基复合材料的损伤原位监测与修复方法的功能与实施例一/实施例二实现的功能相对应，所以关于本实施例的其他功能可参见实施例一/实施例二中的内容，在此不再一一赘述。
试验方法
项目：单纤维束拉拔试验
过程：将按实施例1或实施例2或实施例3中制备好的纤维束固定到纤维强力测试仪上，准备进行单纤维束拉拔试验，并用高速显微摄像机对拉拔过程进行视频记录；这纤维拉拔的试验开始前，提前将吉利时2700与多电加热薄膜利用外接导线连接，并进行测试，测试电阻值这30S内电阻值稳定后再进行纤维束拉拔试验；将高速显微摄像机对准树脂微滴并调整好焦距，开始单纤维束拉拔试验，以控制位移来实现对纤维束加载量的控制；当单纤维束拉拔脱落后，同时停止对电加热薄膜的电阻值的监测；利用电极夹将直流电源与电加热薄膜连接，调节电流参数，以达到控制电加热薄膜发热温度，使得薄膜能够均匀发热，最终形成均匀温度场，将孔洞内的热塑性树脂熔融，修复在拉伸过程中产生的裂纹；修复完成后，将夹具设置到初始位置，对纤维束再次进行拉伸，同时开启对电加热薄膜的电阻值进行监控。
结论：纤维拔出的剪力-应变图如图7所示，通过对比发现，经过修复后的复合材料的力学性能指标能恢复至损伤前的90％以上，基本能满足修复后再利用的目的，数据表明本发明所公开的实施例采用的修复结构能够达到对界面裂纹的有效修复，最大限度降低复合材料结构后期维护成本。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
本文中所描述的不同实施方案的零部件可经组合以形成上文未具体陈述的其它实施例。零部件可不考虑在本文中所描述的结构内而不会不利地影响其操作。此外，各种单独零部件可被组合成一或多个个别零部件以执行本文中所描述的功能。
此外，尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
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