一種自感應修復的樹脂基復合材料結構及制備修復方法與流程

本發明屬于智能復合材料領域，具體涉及一種自感應修復樹脂基復合材料結構及制備修復方法。

背景技術：

在自然界的生命系統中，存在著很多復合材料結構，如骨骼和象牙等是由膠原蛋白纖維與羥基磷灰石納米晶組成的復合材料。它們不僅輕質高強，且具有良好的環境適應性，對微小損傷能自感應并自修復。有研究表明人體脛骨如沒有自修復能力，其疲勞壽命不超過3年，可見自修復功能可顯著提高生物體環境生存能力，并大大延長壽命。

相比之下，目前在武器裝備和民用領域得到廣泛應用的纖維增強樹脂基復合材料Fiber reinforced polymer composites，FRP卻不具備自然生命系統的自感應和自修復能力。由于缺乏自我響應和保護機制，先進復合材料在遭受損傷時只能被動地利用剩余承載能力，并且在服役環境中損傷容易繼續擴展，擴展到一定程度則會導致災難性破壞。盡管先進復合材料具有輕質高強的優勢，并且采取了增加檢測、采用損傷容限設計和提高設計冗余等措施，但這些措施存在增加成本、檢測受限、降低應用效能等問題。為此人們從自然界生物體的自修復功能和機制中尋找靈感，試圖給FRP復合材料賦予自感應修復功能。

自然界生物經億萬年演化出許多精巧的高承載性能生物復合材料結構，它們往往含有許多脈管結構。承載的生物材料脈管化后獲得許多重要的功能，脈管中具有用于營養供應和信號傳感的液體，使得這些材料可以進行損傷感應和組織修復。當生物體遭受損傷時，脈管將功能物質輸送至損傷部位，通過組織增生和轉化過程，生成新生組織，最終實現傷口愈合，組織功能得以恢復。

因此，從生物體借助機體內部脈管傳輸具有特定生理功能的物質實現自感應修復功能的方法得到啟發，提出了多種具有智能仿生特征的復合材料自感應修復方案。一類是在復合材料中預埋光纖等來感知損傷和修復復合材料。此類復合材料的力學性能差，只限于科學研究，應用價值小。另外一類是在復合材料內預埋管線或者形成無異質管壁的中空脈管，以微脈管作為感應損傷和傳遞修復劑的載體。目前，提出的各種原理性方案均采用相互分開的損傷感知傳感系統和修復劑供應系統，系統接口復雜，附加增重多。

技術實現要素：

本發明的目的是提出一種基于多模塊中空脈管的智能仿生復合材料自感應修復的解決方案，該方案系統復雜度低，材料本體力學性能下降小，結構簡單可靠，從而實現自感應修復復合材料規模化應用。

本發明的自感應修復樹脂基復合材料結構，包括樹脂基復合材料，其包括若干復合材料單元，在每個復合材料單元內設置有相互連通的中空脈管，該結構還包括設置在樹脂基復合材料表面的修復劑輸送管路，其中充滿修復劑，該修復劑輸送管路與所述每個復合材料單元的中空脈管連通，且在連接管道內安裝有單向的止回閥和流量檢測元件。

進一步地，所述連接管道的端部具有細直徑針管。

進一步地，各復合材料單元的中空脈管相互獨立。

進一步地，復合材料單元的劃分根據實際復合材料應用的力學或者易受損情況確定，包括規則形狀的、不規則的、或者隨形的。

進一步地，所述修復劑是環氧樹脂、雙馬來酰胺樹脂、酚醛樹脂、氰酸酯樹脂或者不飽和聚酯樹脂，室溫粘度是50-200Pa.s。

一種如上述自感應修復樹脂基復合材料結構的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、形成無異質管壁的中空脈管

將犧牲線放入干纖維織物或者預浸料鋪層中，復合材料樹脂固化成型，之后通過化學或者物理方法將犧牲線去除并隔斷復合材料單元之間的脈管網絡，在樹脂基復合材料的每個復合材料單元中形成對裂紋敏感的無異質管壁的中空脈管；

步驟二、安裝修復劑輸送管路

在所述樹脂基復合材料的表面安裝修復劑輸送管路，該修復劑輸送管路上通過若干連接管道與每個復合材料單元對應連通，在該連接管道內安裝有止回閥和流量檢測元件；

步驟三、內部沖壓

向所述中空脈管中充入有一定壓力的氣體，該氣體壓力大于所述修復劑輸送管路內的液體壓力。

進一步地，固化成型后，將犧牲線拔出或者分解揮發。

進一步地，所述犧牲線是涂覆脫模劑的尼龍線、金屬線或者聚乳酸PLA線。

一種如上述自感應修復樹脂基復合材料結構的修復方法，包括以下步驟：

當所述自感應修復樹脂基復合材料結構未受損傷時，所述止回閥在壓力差的作用下處于關閉狀態；當損傷發生并擴展到中空脈管時，中空脈管內的氣體壓力下降，當氣體壓力小于所述修復劑輸送管路內的液體壓力時，所述止回閥打開，修復劑通過中空脈管流入至損傷位置，固化后實現修復。

進一步地，所述流量檢測元件檢測修復劑的流動狀態，從而感知損傷發生并確定損傷所在的位置。

本發明的有益效果是：引入中空脈管對復合材料力學性能負面影響小，使該復合材料結構在力學性能要求高的航空航天領域的應用成為可能；VaSC方法可以與復合材料制備的預浸料鋪層或者真空輔助樹脂傳遞模塑VARTM結合，可以實現大規模制造和應用于大型復合材料制件的自感應修復；在脈管加入高壓空氣，利用損傷后脈管壓力變化來實現修復劑注入和損傷自感應，結構簡單可靠。

集成了最新的含脈管復合材料設計與制備技術，巧妙結合成熟的控制、傳感和微機電技術。不需要兩套分開的損傷感應系統和修復劑供應系統，而是將修復劑供應與損傷感應集成，大大降低了系統復雜度，材料本體力學性能下降小，結構簡單可靠，具備規模化應用前景。

附圖說明

圖1自感應修復復合材料結構示意圖，

圖2復合材料自感應修復過程，

圖3是含一維中空脈管復合材料的C掃描圖像，

圖4是一維中空脈管的顯微照片。

具體實施方式

下面對本發明進一步作具體說明，但本發明不局限于此。

下述實例中所使用的實驗方法，如無特殊說明，均為常規方法；下述實例中所用的試劑和材料等，如無特殊說明，均可從商業途徑獲得。

一種自感應修復樹脂基復合材料結構，包括樹脂基復合材料1，其包括若干復合材料單元，在每個復合材料單元內設置有相互連通的中空脈管3，該結構還包括設置在樹脂基復合材料1表面的修復劑輸送管路4，其中充滿修復劑5，該修復劑輸送管路4與所述每個復合材料單元的中空脈管3連通，且在連接管道內安裝有單向的止回閥6和流量檢測元件7。

所述連接管道的端部具有細直徑針管8。各復合材料單元的中空脈管3相互獨立。

復合材料單元的劃分根據實際復合材料應用的力學或者易受損情況確定，包括規則形狀的、不規則的、或者隨形的。

所述修復劑5是環氧樹脂、雙馬來酰胺樹脂、酚醛樹脂、氰酸酯樹脂或者不飽和聚酯樹脂，室溫粘度是50-200Pa.s。

一種如上述自感應修復樹脂基復合材料結構的制備方法，該方法包括以下步驟：

步驟一、形成無異質管壁的中空脈管

將犧牲線2放入干纖維織物或者預浸料鋪層中，復合材料樹脂固化成型，之后通過化學或者物理方法將犧牲線去除并隔斷復合材料單元之間的脈管網絡，在樹脂基復合材料1的每個復合材料單元中形成對裂紋敏感的無異質管壁的中空脈管3；

步驟二、安裝修復劑輸送管路

在所述樹脂基復合材料1的表面安裝修復劑輸送管路4，該修復劑輸送管路4上通過若干連接管道與每個復合材料單元對應連通，在該連接管道內安裝有止回閥6和流量檢測元件7；

步驟三、內部沖壓

向所述中空脈管3中充入有一定壓力的氣體，該氣體壓力大于所述修復劑輸送管路4內的液體壓力。

其中，固化成型后，將犧牲線2拔出或者分解揮發。

所述犧牲線2是涂覆脫模劑的尼龍線、金屬線或者聚乳酸PLA線。

一種如上述自感應修復樹脂基復合材料結構的修復方法，包括以下步驟：

當所述自感應修復樹脂基復合材料結構未受損傷時，所述止回閥6在壓力差的作用下處于關閉狀態；當損傷發生并擴展到中空脈管3時，中空脈管3內的氣體壓力下降，當氣體壓力小于所述修復劑輸送管路4內的液體壓力時，所述止回閥6打開，修復劑5通過中空脈管3流入至損傷位置，固化后實現修復。

所述流量檢測元件7檢測修復劑的流動狀態，從而感知損傷發生并確定損傷所在的位置。

實施例1含中空脈管的玻璃纖維增強樹脂基復合材料GFRP制備

將預浸料按照如下設定的鋪層順序進行鋪貼：預埋線PSL的位置[0/0/0/0/PSL/0/0/0/0]，預埋線的直徑為100-500μm。在設定層間中加入預埋線，預埋線間隔1-20mm，然后繼續鋪貼設定鋪層的玻璃織物增強環氧樹脂SW280/3218預浸料，采用熱壓罐工藝成型復合材料。熱壓罐固化工藝為：室溫抽真空，真空度不小于-0.095MPa，加熱至60℃，保溫0.5h，加壓0.3MPa,以1.5℃/min的升溫速率升溫至130℃，恒溫2h，自然冷卻至60℃以下出罐。將預埋線從復合材料中拔出，得到含中空脈管的GFRP復合材料。

實施例2含中空脈管的GFRP復合材料制備

將預浸料按照如下設定的鋪層順序進行鋪貼：預埋線PSL的位置[45/0/-45/90/PSL/45/0/-45/90]s，預埋線的直徑為100-500μm。在設定層間中加入預埋線，預埋線間隔1-20mm，兩層預埋線錯開2-10mm，繼續鋪貼設定鋪層的玻璃織物增強環氧樹脂SW280/3218預浸料，采用熱壓罐工藝成型復合材料。熱壓罐固化工藝為：室溫抽真空，真空度不小于-0.095MPa，加熱至60℃，保溫0.5h，加壓0.3MPa，以1.5℃/min的升溫速率升溫至130℃，恒溫2h，自然冷卻至60℃以下出罐。將預埋線從復合材料中拔出，得到含中空脈管的GFRP復合材料。

實施例3含中空脈管的碳纖維增強樹脂基復合材料CFRP制備

將預浸料按照如下設定的鋪層順序進行鋪貼：預埋線PSL的位置[0/0/0/0/0/0/0/0/PSL/0/0/0/0/0/0/0/0]，預埋線的直徑為100μm-500μm。在設定層間中加入預埋線，預埋線間隔1-20mm，然后繼續鋪貼設定鋪層的碳纖維增強環氧樹脂單向帶LT-03A/T700，采用熱壓罐工藝成型復合材料。熱壓罐固化工藝為：室溫抽真空，真空度不小于-0.095MPa，加熱至40℃，加壓0.4MPa,以1.5℃/min的升溫速率升溫至125℃，恒溫2h，自然冷卻至60℃以下出罐。將預埋線從復合材料中拔出，得到含中空脈管的CFRP復合材料。

實施例4

由上述實例2得到的含中空脈管的GFRP，將其中空脈管通過止回閥和流量檢測元件與外部管路路連接，外部管路中放入修復劑，預加壓力0.06-0.09MPa。中空脈管預加壓力0.1-0.15MPa。低速沖擊后復合材料破壞，脈管中壓力下降，修復劑流入脈管到達損傷位置，實現修復。修復劑通過流量檢測元件時，流量檢測元件將信號傳輸給中央處理器，從而實現損傷感應。