[發明專利]一種碳纖維熱塑性復合材料智能結構及其制造方法

有效

• 申請號: 201711243975.7
• 申請日: 2017-11-30
• 公開（公告）號: CN109849325B
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 姚鑫驊;欒叢叢;劉加朋;劉丞哲;傅建中
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B29C64/10
• 分類號: B29C64/10;B29C64/379;B33Y10/00;B33Y40/20;B33Y80/00
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 徐敏

本發明公開了一種碳纖維熱塑性復合材料智能結構的制造方法，包括以下步驟：步驟1：根據智能結構的形狀和內部結構計算打印路徑；步驟2：打印熱塑性復合材料基體，且在基體中留出至少一組孔道，每組孔道包括相互靠攏并且沿著相同方向延伸的兩條孔道；步驟3：根據計算的路徑在步驟2的打印間隙中，在已打印的熱塑性復合材料基體上打印碳纖維，并添加電極到打印好的碳纖維層中；步驟4：向每組孔道的兩條孔道中分別注入不同組份樹脂膠，同一組的兩條孔道中的樹脂在孔道發生破壞時相遇后會發生固化；本發明還公開了一種碳纖維熱塑性復合材料智能結構。本發明能夠實現智能結構狀態自監測以及損傷在線原位自修復。

技術領域

本發明涉及復合材料制造技術領域，特別涉及一種碳纖維熱塑性復合材料智能結構及其制造方法。

背景技術

碳纖維增強復合材料作為一種高強度輕量化材料廣泛應用于汽車工業、航空航天、化工紡織和機械制造以及體育器械和建筑等領域。對使用的碳纖維增強復合材料結構進行狀態檢測，正確評估結構的實際性態，可有效避免重大事故的發生。目前主要采用離線方式進行檢測，如紅外熱象法、沖擊回波法、超聲脈沖法等，這些方法均不能實時監測結構的狀態。已有研究表明，碳纖維電阻值變化能夠實時反映結構應力應變狀態以及損傷等健康狀態。充分挖掘碳纖維良好的導電特性，利用其良好的力阻特性，有望實現碳纖維增強復合材料結構狀態的實時監測，對正確評定結果的實際性態，確定結構可靠性具有重要意義。

此外，當結構發生損傷時，需要停機或拆卸相關結構部件進行離線修復，尚缺乏有效的在線或原位修復方法。不同組份樹脂具有在單獨存放時為液態，相遇混合而固化的特性，通過合理設置不同組份樹脂的位置關系，有望實現結構損傷的原位和在線自修復，可極大簡化結構損傷修復的過程，節約時間和成本。

發明內容

本發明提供了一種碳纖維熱塑性復合材料智能結構及其制造方法，得到的智能結構通過實時測量碳纖維阻值變化，可實現結構狀態的實時監測，并且在結構損傷時可實現結構損傷自修復。

一種碳纖維熱塑性復合材料智能結構的制造方法，包括以下步驟：

步驟1：根據智能結構的形狀和內部結構計算打印路徑；

步驟2：打印熱塑性復合材料基體，且在基體中留出至少一組孔道，每組孔道包括相互靠攏并且沿著相同方向延伸的兩條孔道；

步驟3：根據計算的路徑在步驟2的打印間隙中，在已打印的熱塑性復合材料基體上打印碳纖維，并添加電極到打印好的碳纖維層中；

步驟4：向每組孔道的兩條孔道中分別注入不同組份樹脂膠，同一組的兩條孔道中的樹脂在孔道發生破壞時相遇后會發生固化。

通過本發明制造方法得到的碳纖維熱塑性復合材料智能結構的制造方法不僅具有較好的強度，而且可實現結構狀態的實時監測，并且在結構損傷時可實現結構損傷自修復。

所述步驟4的灌注過程既可以在打印過程中進行也可以在打印結束后進行。在打印過程中進行灌注可實現兩種組份樹脂膠自密封；打印結束后進行灌注需要進行額外密封，優選的，為了保持孔道的平直，減少打印機構的交替使用，步驟4中，如果孔道是貫通的，則在步驟2打印結束后進行灌注樹脂膠。

為了提高密封效果，優選的，步驟4中，如果孔道是密封在所述熱塑性復合材料基體中的，則在步驟2打印完孔道后灌注樹脂膠。此時打印的孔道兩端需要向上彎，以留出灌注孔。自密封將孔道完全密封在智能結構中，孔道的布置方式更靈活。

優選的，步驟3中，每組孔道配合打印至少一組碳纖維，配合打印的碳纖維沿著對應的孔道延伸。對應每組孔道設置至少一組碳纖維和電極，從而可以監測所有設有孔道的部分智能結構的應力應變及損傷等狀態，孔道修復對應損壞的部分智能結構。

優選的，步驟3中，配合打印的碳纖維與對應的孔道沿徑向的間隔距離小于0.5倍的孔道最大直徑。確保孔道內樹脂在孔道發生破壞時能夠與碳纖維層相遇而發生固化。