[发明专利]一种碳纤维热塑性复合材料智能结构及其制造方法

说明书

本发明公开了一种碳纤维热塑性复合材料智能结构的制造方法，包括以下步骤：步骤1：根据智能结构的形状和内部结构计算打印路径；步骤2：打印热塑性复合材料基体，且在基体中留出至少一组孔道，每组孔道包括相互靠拢并且沿着相同方向延伸的两条孔道；步骤3：根据计算的路径在步骤2的打印间隙中，在已打印的热塑性复合材料基体上打印碳纤维，并添加电极到打印好的碳纤维层中；步骤4：向每组孔道的两条孔道中分别注入不同组份树脂胶，同一组的两条孔道中的树脂在孔道发生破坏时相遇后会发生固化；本发明还公开了一种碳纤维热塑性复合材料智能结构。本发明能够实现智能结构状态自监测以及损伤在线原位自修复。

技术领域

本发明涉及复合材料制造技术领域，特别涉及一种碳纤维热塑性复合材料智能结构及其制造方法。

背景技术

碳纤维增强复合材料作为一种高强度轻量化材料广泛应用于汽车工业、航空航天、化工纺织和机械制造以及体育器械和建筑等领域。对使用的碳纤维增强复合材料结构进行状态检测，正确评估结构的实际性态，可有效避免重大事故的发生。目前主要采用离线方式进行检测，如红外热象法、冲击回波法、超声脉冲法等，这些方法均不能实时监测结构的状态。已有研究表明，碳纤维电阻值变化能够实时反映结构应力应变状态以及损伤等健康状态。充分挖掘碳纤维良好的导电特性，利用其良好的力阻特性，有望实现碳纤维增强复合材料结构状态的实时监测，对正确评定结果的实际性态，确定结构可靠性具有重要意义。

此外，当结构发生损伤时，需要停机或拆卸相关结构部件进行离线修复，尚缺乏有效的在线或原位修复方法。不同组份树脂具有在单独存放时为液态，相遇混合而固化的特性，通过合理设置不同组份树脂的位置关系，有望实现结构损伤的原位和在线自修复，可极大简化结构损伤修复的过程，节约时间和成本。

发明内容

本发明提供了一种碳纤维热塑性复合材料智能结构及其制造方法，得到的智能结构通过实时测量碳纤维阻值变化，可实现结构状态的实时监测，并且在结构损伤时可实现结构损伤自修复。

一种碳纤维热塑性复合材料智能结构的制造方法，包括以下步骤：

步骤1：根据智能结构的形状和内部结构计算打印路径；

步骤2：打印热塑性复合材料基体，且在基体中留出至少一组孔道，每组孔道包括相互靠拢并且沿着相同方向延伸的两条孔道；

步骤3：根据计算的路径在步骤2的打印间隙中，在已打印的热塑性复合材料基体上打印碳纤维，并添加电极到打印好的碳纤维层中；

步骤4：向每组孔道的两条孔道中分别注入不同组份树脂胶，同一组的两条孔道中的树脂在孔道发生破坏时相遇后会发生固化。

通过本发明制造方法得到的碳纤维热塑性复合材料智能结构的制造方法不仅具有较好的强度，而且可实现结构状态的实时监测，并且在结构损伤时可实现结构损伤自修复。

所述步骤4的灌注过程既可以在打印过程中进行也可以在打印结束后进行。在打印过程中进行灌注可实现两种组份树脂胶自密封；打印结束后进行灌注需要进行额外密封，优选的，为了保持孔道的平直，减少打印机构的交替使用，步骤4中，如果孔道是贯通的，则在步骤2打印结束后进行灌注树脂胶。

为了提高密封效果，优选的，步骤4中，如果孔道是密封在所述热塑性复合材料基体中的，则在步骤2打印完孔道后灌注树脂胶。此时打印的孔道两端需要向上弯，以留出灌注孔。自密封将孔道完全密封在智能结构中，孔道的布置方式更灵活。

优选的，步骤3中，每组孔道配合打印至少一组碳纤维，配合打印的碳纤维沿着对应的孔道延伸。对应每组孔道设置至少一组碳纤维和电极，从而可以监测所有设有孔道的部分智能结构的应力应变及损伤等状态，孔道修复对应损坏的部分智能结构。

优选的，步骤3中，配合打印的碳纤维与对应的孔道沿径向的间隔距离小于0.5倍的孔道最大直径。确保孔道内树脂在孔道发生破坏时能够与碳纤维层相遇而发生固化。