CN109109348B - 用于修复碳纤维热塑性复合材料模制缺陷的加热元件 - Google Patents

Abstract

提供修复模制聚合物复合材料结构中的制造缺陷的方法。聚合物补片可以可选地设置在有缺陷的模制聚合物复合材料结构的第一波形表面上的缺陷上。限定与第一波形表面的至少一部分互补的第二波形表面的加热元件被施加在聚合物补片上。加热元件包括含有织物和热固性聚合物的导电层。聚合物补片用加热元件加热，其中加热元件在第二波形表面上具有基本一致的温度，使得聚合物补片填充缺陷。还提供了制造定制加热元件的方法以及定制加热元件。

Description

用于修复碳纤维热塑性复合材料模制缺陷的加热元件

背景技术

该部分提供与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。

本公开涉及用于修复复合材料的模制缺陷的定制加热元件、模制缺陷的修复方法以及定制加热元件的形成方法。

作为非限制性示例，聚合物复合材料被广泛用于交通工具中，例如汽车、摩托车、船只、拖拉机、客车、野营挂车、房车和坦克。作为非限制性示例，增强复合材料特别适合用于汽车或其它交通工具(例如摩托车、船只)的部件中，但也可用于其他各种行业和应用，包括航空航天部件、工业设备和机械、农用设备和重型机械。例如，增强复合材料可用于形成具有波形或复杂三维形状的汽车结构部件。非限制性示例包括结构板、车身底板、门板、内部地板、地板底盘(例如货车的)、车顶、外表面、气罐保护罩以及存储区域，包括手套箱、控制箱、行李箱、行李箱地板、卡车床等。

当聚合物复合材料，包括树脂或聚合物和至少一种增强材料(例如碳或玻璃纤维)，被模制以形成具有三维复杂形状的零件时，在具有小半径或复杂轮廓的区域中可能出现外观/结构问题。模制零件中的问题也可能由于不适当的坯件定位而产生，例如，在压缩模制过程中，或者在模制过程中由滞留空气产生。与金属材料相比，聚合物复合材料需要不同的修复方法来解决这些制造问题。事实上，聚合物复合材料中的制造缺陷可能无法以成本有效且及时的方式进行修复，并且经常被作为废弃物而丢弃。因此，需要开发用于聚合物复合材料结构制成品的有效修复方法。

发明内容

该部分对本公开进行总体介绍，并非全面披露其全部范围或全部特征。

在某些方面，本公开提供了修复模制聚合物复合材料结构中的制造缺陷的方法。该方法可以包括在模制聚合物复合材料结构的第一波形表面上提供加热元件，该模制聚合物复合材料结构包括一个或多个缺陷。加热元件限定与第一波形表面的至少一部分互补的第二波形表面。加热元件还包括含有织物和热固性聚合物的导电层。该方法还包括用加热元件加热第一波形表面的一部分。加热元件在第二波形表面上具有基本一致的温度并修复一个或多个缺陷。

一方面，该方法还包括在提供加热元件之前，将聚合物补片设置在模制聚合物复合材料结构的第一波形表面上的缺陷上方，使得通过加热可以使聚合物补片材料填充一个或多个缺陷。

另一方面，模制聚合物复合材料结构包括热塑性聚合物和增强材料，聚合物补片是也包括热塑性聚合物和增强材料的聚合物复合材料。

另一方面，聚合物补片包括聚合物复合材料，所述聚合物复合材料具有与聚合物复合材料结构相同的聚合物基体，和任选与聚合物复合材料结构相同的增强材料。

另一方面，用加热元件加热聚合物补片的最高温度小于或等于聚合物复合材料结构熔点以上约50℃。

另一方面，聚合物补片和模制聚合物复合材料结构各自包括单独选自以下的热塑性聚合物：聚酰胺、聚酯、聚烯烃、聚氨酯、聚(丙烯酸)、聚(丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸甲酯)、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚苯并咪唑、聚乳酸、聚碳酸酯、聚醚砜、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、聚乙烯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯及其共聚物和组合，模制聚合物复合材料结构还包括选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳族聚酰胺纤维、硼纤维、陶瓷纤维、聚酯纤维、超高分子量聚乙烯纤维、大麻纤维及其组合的增强材料。

一方面，第二波形表面上的温度变化小于或等于约15℃。

一方面，第二波形表面具有对应于第一波形表面的纹理的纹理表面。

一方面，加热元件还包括连接到外部电源的一对端子，使得加热是电阻加热过程。

一方面，加热元件是包括感应加热器的组件的一部分，使得加热是感应加热过程。

一方面，该方法还包括在提供加热元件之前压缩成形复合材料坯件，以形成具有一个或多个缺陷的模制聚合物复合材料结构。

在某些方面，本公开提供了用于修复模制聚合物复合材料结构中的缺陷的加热元件。该加热元件包括包含织物和热固性聚合物的导电层。导电层限定与包括缺陷的模制聚合物复合材料结构的相应表面的至少一部分互补的波形表面。加热元件能够在波形表面上保持基本一致的温度。

一方面，织物是包括编织碳纤维织物或电阻丝织物的导电织物。

一方面，波形表面限定纹理表面。

一方面，加热元件还包括与导电层电连通的一对端子。

一方面，热固性聚合物包括硅氧烷弹性体。

一方面，导电层包括导电复合材料，导电复合材料包含硅氧烷弹性体和分布于其中的导电填料。

在其他方面，本公开提供了一种用于修复模制聚合物复合材料结构中的制造缺陷的加热元件的形成方法。该方法包括将织物布置在限定波形表面轮廓的模板的空腔中。也可以将热固性聚合物的液体前体引入空腔中，使得液体前体填充织物并接触模板的表面。液体前体或织物中的至少一种包括导电材料。该方法还包括固化液体前体以形成热固性聚合物。热固性聚合物和织物一起限定了具有波形表面轮廓的加热元件。

一方面，织物是包括编织碳纤维织物的导电织物，热固性聚合物包括硅氧烷弹性体。

一方面，液体前体还包括导电填料；在固化之后，形成包括硅氧烷弹性体和导电填料的导电复合材料。

根据本文提供的描述，其他应用领域将变得显而易见。本发明内容中的描述和具体示例仅用于说明的目的，而不旨在限制本公开的范围。

附图说明

本文描述的附图仅用于说明所选实施例，而不是全部可能的实现，并且不旨在限制本公开的范围。

图1示出了具有复合三维形状的压缩模制聚合物复合材料结构，该压缩模制聚合物复合材料结构具有其中不存在聚合物复合材料的空隙区域。

图2示出了用于形成根据本公开的某些方面制备的用于修复具有一个或多个外观缺陷的复杂三维形状的聚合物复合材料结构的定制加热元件的过程的示意图。

图3示出了用于形成图2中所示的定制加热元件的过程的侧剖视图。

图4示出了根据本公开的某些方面修复后的三维形状的聚合物复合材料结构的侧剖视图，该修复后的三维形状的聚合物复合材料结构具有用图2和图3所示的定制加热元件通过电阻加热过程修复的一个或多个修复后的外观缺陷区域。

图5示出了根据本公开的某些方面用定制加热元件通过感应加热过程修复具有一个或多个外观缺陷的复杂三维形状的聚合物复合材料结构的过程的侧剖视图。

图6示出了根据本公开的某些方面制备的用于修复具有一个或多个外观缺陷的复杂三维形状的聚合物复合材料结构的定制加热元件的另一变型的透视图。

图7示出了用于形成图6中所示的定制加热元件的过程的示意图。

图8示出了通过图7所示的过程形成的定制加热元件。

图9示出了根据本公开的某些方面用定制加热元件修复具有一个或多个外观缺陷的复杂三维形状的聚合物复合材料结构的过程的侧剖视图。

图10示出了修复后的三维形状的聚合物复合材料结构的侧剖视图，该修复后的三维形状的聚合物复合材料结构具有根据本公开的某些方面用定制加热元件通过图9所示的过程修复的一个或多个修复后的外观缺陷区域。

在附图的多个视图中，对应的附图标记指示对应的零件。

具体实施方式

提供示例实施例是为了使本公开详尽，并且将范围充分传达给本领域技术人员。阐述了许多具体细节，诸如具体组成、部件、装置和方法的示例，以实现对本公开实施例的透彻理解。对于本领域技术人员来说显而易见的是，不需要采用具体细节，示例实施例可以以许多不同的形式来体现，并且都不应该被解释为限制本公开的范围。在一些示例实施例中，没有详细描述公知的过程、公知的装置结构和公知的技术。

本文使用的术语仅用于描述特定示例实施例的目的，而不旨在具有限制意义。除非上下文另外明确指出，本文所使用的单数形式“一个”和“该”也可以意图包括复数形式。术语“包括”、“包含”和“具有”是包含性的，因此指定存在所陈述的特征、要素、组成、步骤、整体、操作和/或部件，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。虽然开放式术语“包括”应被理解为用于描述和要求保护本文所阐述的各种实施例的非限制性术语，但在某些方面中，该术语还可以被理解为更具限制性的术语，例如“由......组成”或“基本上由......组成”。因此，对于任何给出的实施例引用的组合物、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或工艺步骤，本公开还具体包括由或基本上由这些引用的组合物、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或工艺步骤组成的实施例。如果是“由...组成”，替代实施例排除任何另外的组合物、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或工艺步骤，而如果是“基本上由......组成”，实质上影响基本和新颖特性的任何另外的组合物、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或工艺步骤从该实施例中排除，但是不实质上影响基本和新颖特性的任何组合物、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或工艺步骤可以包括在实施例中。

本文描述的任何方法步骤、过程和操作不应被解释为必须按照所讨论或示出的特定顺序执行，除非特别标明执行顺序。还应该理解的是，除非另有说明，否则可以采用附加的或替代的步骤。

当部件、元件或层被描述为在另一元件或层”上“、”接合到“、”连接到“或”耦合到“另一元件或层时，它可以直接位于另一部件、元件或层上，或直接接合、连接或耦合到另一部件、元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被描述为“直接在......上”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接耦合到”另一元件或层时，可能不存在中间元件或层。应该以类似的方式解释用于描述元件之间关系的其他词语(例如，“在...之间”与“直接在...之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。

虽然术语第一、第二、第三等可以在此用于描述各种步骤、元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些步骤、元件、部件、区域、层和/或部分不应该受到这些术语的限制，除非另有说明。这些术语可能仅用于区分一个步骤、元素、部件、区域、层或部分与另一个步骤、元素、部件、区域、层或部分。除非上下文明确指出，否则诸如“第一”、“第二”和其他数字术语的术语在本文中使用时并不意味着顺序。因此，在不脱离示例实施例的教导的情况下，下面讨论的第一步骤、元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二步骤、元件、部件、区域、层或部分。

本文使用的诸如“之前”、“之后”、“内部”、“外部”、“下”、“低于”、“高于”、“上”等的空间或时间相关术语可以是为了便于描述一个元件或特征与另一个元件或特征的关系，如图所示。空间或时间相对术语可以意图包括除了附图中描绘的方位之外的装置或系统在使用或操作中的不同方位。

本公开中，数值表示近似测量值或范围的极限值，以涵盖与给定值有微小偏差的值，以及具有大约所述值的实施例和具有所述值的实施例。除了在详细描述结尾处提供的实施例之外，本说明书(包括所附权利要求书)中的参数(例如，数量或条件)的所有数值应被理解为在所有情况下均被术语“大约”修饰，无论“大约”是否实际出现在数值之前。“大约”表示所述的数值允许一些轻微的不精确性(近似于该值的精确值；近似地或相当地接近该值；差不多)。如果“大约”所包含的不精确性在本领域中没有以这种普通含义理解，那么如本文所用的“大约”至少指示可能由测量和使用这些参数的普通方法所引起的变型。例如，“大约”可包括小于或等于5％、任选地小于或等于4％、任选地小于或等于3％、任选地小于或等于2％、任选地小于或等于1％、任选地小于或等于0.5％、在某些方面中任选地小于或等于0.1％的变型。

此外，范围的公开包括全部范围内的所有值和进一步划分的范围的公开，包括给出的范围的端点和子范围。

现在将参照附图更全面地描述示例实施例。

在某些方面，本公开提供了修复模制聚合物复合材料结构中的制造缺陷的方法。聚合物复合材料广泛用于汽车、摩托车、船只、拖拉机、客车、房车、野营挂车和坦克等交通工具中，在未来通过努力会进一步减少交通工具的质量，从而提高其使用率。作为非限制性示例，增强复合材料特别适合用于汽车或其它交通工具(例如摩托车、船只)的部件中，但也可用于其他各种行业和应用，包括航空航天部件、工业设备和机械、农用设备和重型机械。例如，增强复合材料可用于形成具有波形或复杂三维形状的汽车结构部件。非限制性示例包括气罐保护罩、车身底板、结构板、门板、内部地板、地板底盘(例如货车的)、车顶、外表面以及存储区域，包括手套箱、控制箱、行李箱、行李箱地板、卡车床等。聚合物复合材料可以由热塑性树脂和增强填料形成或包含热塑性树脂和增强填料。增强材料可以是颗粒、纤维(如短纤维、长纤维、连续纤维、晶须、织物)等或其任何组合的形式。

压缩模制通常用于形成聚合物复合材料汽车零件，例如结构或承载零件。典型地，通过将聚合物复合材料坯件置于压模的模腔中来进行聚合物复合材料部件的压缩模制，所述压模具有至少两个共同限定模腔的模头。在某些变型中，压模和模腔可选地预热。施加热量和压力以形成压缩模制的固结聚合物复合材料。

模制问题，例如外观或结构瑕疵或缺陷，可能是由于模制过程中不恰当的坯件定位或滞留空气或水分引起的。此外，在三维聚合物复合材料零件被模制成具有复杂几何形状和/或模腔形状的曲率具有小半径的情况下，在树脂未能完全填充的区域可能出现制造外观缺陷。制造缺陷可以是多种形式，例如复合材料结构内的凹陷或缺失空隙区域，或在复合材料中的增强材料缺乏树脂时表现为模糊的区域(使得增强材料，如纤维，表现为模糊区域)。其他问题可能包括因空气或水分而产生的气泡。因此，制造缺陷可能是外观，例如缺乏热塑性树脂的凹陷、凹坑、空隙、孔、凹槽、隆起或模糊区域。

对于外观修补，用于填充这种缺陷的材料理想地与聚合物复合材料结构具有良好的粘合性，以确保修复耐久性，并具有与聚合物复合材料的颜色和纹理相匹配的颜色和纹理。

本公开涉及用于修复聚合物复合材料结构中的制造缺陷的方法。更具体地，在某些方面，本公开提供了从外观上修复由模制产生的制造缺陷的方法。当热塑性复合材料的模制缺陷可以容易地解决时，可以提高生产率。然而，在使用修复技术(如使用热毯)修复具有复杂形状的复合材料零件中的这些外观缺陷时出现了挑战。热毯通常不能充分满足复杂几何复合材料结构的复杂性，因此不能将热量均匀地施加到正在修复的所有表面上，这可能导致额外的外观问题或缺陷以及复合材料结构的潜在损坏。过度加热表面会潜在地损坏基体复合材料，而加热不足可能会使表面修复失败，因为适当的加热有助于熔化修复/补片材料并压印上必要的表面纹理。因此，可能具有制造缺陷的简单几何形状的零件可以通过这种热毯技术来修复。然而，更常见的情况是在更复杂的三维形状零件上出现的制造缺陷(由于模腔形状的复杂性)，其对于修复来说可能更具挑战性。

图1示出了三维复杂聚合物复合材料零件20，其包括聚合物基体和分布在其中的至少一种增强材料或填充材料。聚合物树脂可以是热塑性聚合物。作为非限制性示例，聚合物可以包括：聚酰胺树脂(例如PA6、PA11、PA12、PA46、PA66、PA610和己内酰胺)、乙烯基酯、聚酰胺酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚醚酰亚胺树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺、聚乙烯醇树脂、氯乙烯树脂、偏二氯乙烯树脂、乙酸乙烯酯树脂、聚苯乙烯树脂、丙烯腈苯乙烯树脂、丙烯腈丁二烯苯乙烯树脂、丙烯酸树脂、甲基丙烯酸酯树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚苯硫醚树脂、聚苯并咪唑树脂、聚缩醛树脂、聚碳酸酯树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂、聚萘二甲酸乙二醇酯树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂、聚丙烯酸酯树脂、聚芳醚砜树脂、聚苯醚树脂、聚苯硫醚树脂、聚砜树脂、聚醚砜树脂、聚醚醚酮树脂、聚乳酸树脂、聚碳酸酯树脂以及这些聚合物的任何组合或共聚物。

在某些变型中，增强材料或填充材料可以是颗粒或纤维。纤维的合适的非限制性示例包括碳纤维、玻璃纤维(例如纤维玻璃钢或石英)、芳族聚酰胺纤维(例如，

对位芳族聚酰胺合成纤维和

对位芳族聚酰胺合成纤维)、硼纤维、陶瓷纤维、聚酯纤维、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维、大麻纤维、玄武岩纤维及其组合。

合适的纤维可以是连续纤维或短切纤维，包括相对较短的纤维(例如，具有约0.1mm至约10mm的长度)，相对较长的纤维(例如，具有约10mm至约100mm的长度)，或连续纤维(例如，具有大于或等于约100mm的长度)，并且可以包括其任何组合。在某些变型中，纤维可以作为纤维毡或具有互连或接触纤维的织物提供。在其他方面，纤维可以分布(例如，均匀分布)在整个树脂基质/聚合物中。

如本领域技术人员所理解的，增强聚合物复合材料可以进一步包括其他常规成分，包括其他增强材料、功能性填料或添加剂，如有机/无机填料、阻燃剂、抗紫外线辐射剂(UV稳定剂)、抗氧化剂、着色剂或颜料(如炭黑粉末)、脱模剂、软化剂、增塑剂、表面活性剂等。关于着色剂或颜料。

继续参考图1，聚合物复合材料零件20被压缩模制并且限定了具有三维轮廓的本体区域24。本体区域24包括各种弯曲区域30。这样的形状被认为对于压缩模制过程是复杂的，因为其在弯曲区域30中限定一个或多个紧密半径或复杂的轮廓。因此，由于弯曲区域30，在本体区域24中形成一个或多个外观缺陷或空隙32，这可能是由模制过程、滞留蒸汽或空气或模制期间的模头错位而引起的。值得注意的是，一个或多个外观缺陷或空隙32还可以包括上面讨论的有缺陷的表面纹理、模糊或其他外观缺陷，并且不限于空隙或缺失材料。

如上所述，在各个方面，本公开可以通过使用具有局部纹理化模具的定制加热元件来修复有缺陷的表面纹理或外观空隙，该局部纹理化模具被设计为在零件表面上均匀加热。以这种方式，外观修复热塑性纤维复合材料零件中的模制或其他制造缺陷的过程可以提高生产收率。一方面，所述方法可以包括压缩模制复合材料坯件，以形成具有制造缺陷的模制聚合物复合材料结构。

因此，本发明提供了在某些方面用于修复模制聚合物复合材料结构中的缺陷的加热元件。加热元件包括导电层，所述导电层限定与包含缺陷的模制聚合物复合材料结构的相应表面的至少一部分互补的波形表面，以这种方式，加热元件被定制用于模制聚合物复合材料零件。该导电层包括织物和热固性聚合物。该导电层包括至少一种导电材料。例如，织物可以是导电的，或者导电层可以包括具有热固性聚合物和分布于其中的导电材料的导电复合材料。加热元件能够在模制聚合物复合材料结构的波形表面上保持基本一致的温度。

该织物是可模制和悬垂的，例如柔软且有弹性，并且可用于形成贴合具有缺陷的模制聚合物复合材料结构的相对表面的导电层。织物可以包括毡制、针织、缝合、编织、机织、无纺、卷曲和非卷曲材料，包括布和垫子。该织物可以是导电的并且由导电材料形成。或者，该织物可以是不导电的并且由非导电材料形成，在这种情况下，导电材料(例如，导电聚合物复合材料)可以分散在非导电织物的开口内。在某些方面，织物是包括碳纤维或电阻丝的导电织物。在某些变型中，导电织物可以是机织碳纤维织物。在其他方面，电阻丝织物可以用作导电织物。电阻丝织物可以是机织的。加热元件的电阻小于或等于约1000欧姆，可选地小于或等于约100欧姆，在某些变型中，可选地小于或等于约10欧姆。

在某些变型中，一对端子与导电层电连通。在织物导电的情况下，端子可以与导电织物电连通。在导电层中包括导电复合材料的情况下，端子可以与导电复合材料电连通。端子可以连接到导电层的一个或多个区域，并且连接到用于为导电层提供供电电压的电源。

在某些方面，与模制聚合物复合材料结构的相应表面的至少一部分互补的层的波形表面是纹理表面。纹理表面包括可见图案，例如交叉影线、纹理图案或其他表面微图案。在某些方面中，纹理表面与聚合物复合材料结构的表面纹理相似或匹配，使得加热元件的波形表面为与聚合物复合材料结构的表面的其他暴露区域混合的修复部位赋予纹理。

导电层限定与模制聚合物复合材料结构的相应表面的至少一部分互补的波形表面，并且还包括热固性聚合物。在某些变型中，形成热固性聚合物的前体为液体形式并且具有粘度，使得其可以渗透到开口内并穿过织物结构。前体可以可选地包括分布在其中的导电材料。在固化前体之后，导电层包括分布在织物的开口内的固化的热固性聚合物，并且在某些方面中限定能够在相对表面上压印图案的导电层的纹理表面。热固性聚合物可以承受修复期间由加热元件产生的相对高的热量水平，以熔化和/或软化热塑性材料。虽然温度可以根据模制聚合物复合材料结构中的热塑性聚合物和修复材料/补片中的聚合物而变化，但是在某些方面，热固性聚合物可承受大于或等于约250℃的温度。在某些变型中，热固性聚合物包括硅氧烷，例如硅氧烷弹性体。

在其他变型中，加热元件的导电层包括导电复合材料，导电复合材料包括聚合物，诸如硅氧烷弹性体等热固性聚合物，以及分布在其中的导电填料。导电材料可以包括颗粒或纤维，例如碳纤维，或金、银、铜、镍、碳、石墨烯、铂等颗粒。导电层可以包括不导电织物或导电织物与导电复合材料的组合，其中导电填料分布在导电复合材料中。

本公开设想了形成用于修复模制聚合物复合材料结构中的制造缺陷的加热元件的过程50，如图2和图3所示。提供模板52，其可以是基本没有任何缺陷的模制聚合物复合材料结构。因此模板52限定了形成复杂三维形状54的波形表面轮廓56。波形表面轮廓56将限定与模制聚合物复合材料结构相反的形状。应该注意的是，虽然未示出，但是在其他方面，本公开还设想使用用于形成模制聚合物复合材料的模具的相对侧或相反侧来限定将接收模制聚合物结构的相反形状，所述模制聚合物结构具有一个或多个缺陷。该方法包括在限定复杂三维形状54的模板52的波形表面轮廓56周围设置导电织物60。下一步，引入热固性聚合物的液体前体62，使得液体前体62填充导电织物60的开口并流过导电织物60以接触模板52的表面58。

下一步，液体前体62被固化(例如通过反应或固化/交联)，以形成包括热固性聚合物67和导电织物60的加热元件66，所述热固性聚合物67和导电织物60一起限定具有波形表面轮廓的加热元件66。在液体前体62的固化过程中，由热固性聚合物67和导电织物60形成的导电层限定了与模板52的波形表面轮廓56紧密贴合的加热元件66，使得当加热元件被移除时，其保持波形表面轮廓56。值得注意的是，导电层实际上可以包括多个不同的材料层，不限于单层。加热元件66的厚度可以大于或等于约0.001mm至小于或等于约5cm。在某些方面，跨越加热元件66的不同区域的厚度变化的最大值小于或等于约20％，可选地小于或等于约15％，在某些变型中，可选地小于或等于约10％。

此外，固化的热固性聚合物67通过液体前体与模板52的表面58的接触而限定纹理表面72。以这种方式，因为模板52被用于聚合物复合结构的压缩模制，所以它向加热元件66中的热固性聚合物提供相同的纹理，使得纹理表面72将与充当模板52的模制聚合物复合材料结构的表面图案匹配。

如上所述，导电织物60可以是上述中的任何一种，例如机织碳纤维织物。热固性聚合物67可以是上述中的任何一种，例如硅氧烷弹性体。在某些变型中，液体前体62进一步包括导电填料；在固化之后，形成包括固化的热固性聚合物67(例如，硅氧烷弹性体)和导电填料的导电复合材料。以这种方式，可以进一步增强加热元件66中的电导率。在其他变型中，织物可以是不导电的，但是除了热固性聚合物以外，前体还可以包括导电材料，从而可以形成导电复合材料。因此，在这种变型中，液体前体62包括导电材料或填料；在固化之后，形成包括固化的热固性聚合物67(例如，硅氧烷弹性体)和导电填料的导电复合材料。该织物不需要是导电的。

如图2所示，两个端子68、70连接到导电织物60，导电织物60可以连接到与外部电源(图2和图3中未示出)电连接的导线管的引线。

在某些方面，本公开设想了修复模制聚合物复合材料结构112中的制造缺陷110的方法100，如图4所示。在某些方面，该方法任选地包括将聚合物补片120设置在模制聚合物复合材料结构112的第一波形表面122上的缺陷110上。应该注意的是，在其他变型中，不需要使用补片120，例如，在不需要额外材料，而只需通过加热就可以修复小缺陷或划痕的情况下。在使用时，补片120材料可以由具有分散在聚合物基体或树脂中的增强材料的热塑性聚合物或热塑性复合材料组成，其可以是与形成聚合物复合材料结构112的材料相同或不同的材料。在其他变型中，聚合物补片可以是未固化或未反应的热固性材料。在某些变型中，模制聚合物复合材料结构112包括热塑性聚合物和增强材料，聚合物补片120是包括与模制聚合物复合材料结构112相同的热塑性聚合物和增强材料的聚合物复合材料。

在某些方面，缺陷110可以至少部分地填充有填充材料(未示出)。当缺陷填充有填充材料时，在填充材料硬化之后，将补片120设置在缺陷110上。补片120可以包括热塑性聚合物。在某些变型中，补片120可以是具有聚合物和分散在其中的增强材料的聚合物复合材料补片。补片120中的热塑性聚合物可以与上文讨论的关于聚合物复合材料的合适材料相同。因此，聚合物补片120可以具有与聚合物复合材料结构112的组成相同的组成，包括具有相同水平(例如，相似纤维含量)的相同增强材料，或具有与聚合物复合材料结构112不同的聚合物复合材料组成和/或纤维含量。例如，聚合物补片120可以具有与聚合物复合材料结构112的组成相同的组成，但填料或纤维含量小于聚合物复合材料结构112中的纤维含量。在某些变型中，合适的聚合物补片120材料包括与聚合物复合材料结构112相同的聚合物基体或树脂，但可以不包括增强材料(例如填料/纤维含量)。

聚合物补片120可以流动以填充空隙，同时在其他区域留下少量材料以掩盖或混入聚合物复合材料结构112。在某些方面，聚合物补片120可以具有大于或等于约1μm至小于或等于约1mm的厚度。在某些方面，聚合物补片120基本上匹配聚合物复合材料结构112的组成和/或颜色，使得在修复完成后，聚合物补片120遮盖缺陷110的痕迹只轻微可见或完全不可见。

加热元件130的设计类似于并且根据在图2和图3中描述的过程形成，加热元件具有与模制聚合物复合材料结构112的第一波形表面122的至少一部分互补的第二波形表面132。加热元件130具有导电织物133和热固性聚合物134以及两个端子136。端子136与导线管138和电源140电连接。加热元件130可以通过向导电织物133施加电流用于电阻加热过程。

第二波形表面132具有对应于第一波形表面122的纹理的纹理表面142。加热元件130的第二波形表面132设置在聚合物补片120上方并与聚合物补片120接触。根据本公开的各个方面，加热元件130在第二波形表面132上传递基本一致的温度，使得聚合物补片120熔化或软化以填充缺陷110或使之平滑。因此，在第二波形表面132上产生的基本一致的温度为模制聚合物复合材料结构112的第一波形表面122的期望区域提供均匀的热量。

如上所述，通过在表面施加均匀的热量，避免了过热和加热不足。过热可能导致热塑性复合材料的结构损坏，而加热不足可能导致聚合物补片120无法修复缺陷。如上所述，基本一致的温度意味着加热元件130的第二波形表面132上的温度变化小于或等于约15℃，可选地小于或等于约10℃，在某些变型中，可选地小于或等于约5℃。

用加热元件加热聚合物补片120的最高温度小于或等于形成模制聚合物复合材料结构112的材料的熔点以上约50℃。在某些方面，最高温度小于或等于聚合物复合材料熔点以上约35℃，可选地小于或等于聚合物复合材料熔点以上约30℃，可选地小于或等于聚合物复合材料熔点以上约20℃，可选地小于或等于聚合物复合材料熔点以上约15℃，在某些变型中，可选地小于或等于聚合物复合材料熔点以上约10℃。在某些方面，加热可以达到大于或等于约150℃至小于或等于约250℃的平均最高温度，可选地大于或等于约175℃至小于或等于约250℃，可选地大于或等于约200℃至小于或等于约245℃，在某些方面，可选地大于或等于约230℃至小于或等于约245℃。加热元件和/或加热组件可以包括一个或多个热电偶(未示出)或用于监测系统中的温度的其他装置。

在某些方面，除了热量之外，还可以将压力通过聚合物补片120施加到加热元件130以及模制聚合物复合材料结构112。虽然未示出，但可选的绝缘材料可以设置在加热元件130的一侧上，以减少热传递，例如在施加压力的实施例中，从而减少施加压力的部件的加热。施加给热源26的压力的量可以是大于或等于约0.001MPa至小于或等于约50MPa，可选地大于或等于约0.005MPa至小于或等于约1MPa的标准大气压力。压力源可以是本领域中已知的任何压力源，例如机械力(例如真空袋、沙袋等)或磁力(例如电磁铁)。

在各个方面，本修复方法可以用修复材料填充凹陷和/或遮盖模制聚合物复合材料结构上的缺陷区域。然后，加热元件有利地在需要修复的复杂几何形状零件的表面上提供均匀的加热。复杂几何形状零件的表面上的均匀加热可以通过在零件表面上使用具有良好悬垂性的导电织物(例如耐图案化布或电阻丝)并用导热硅橡胶填充布的开口来实现。在其他变型中，均匀厚度的导电层可以喷涂在零件表面上。然后，可以对要修复的区域施加热量和可选的压力。最后，组件可以被冷却以形成修复后的模制聚合物复合材料结构。在进行图4中的如100的方法之后，形成修复后的模制聚合物复合材料结构150，其具有修复后区域152，其中聚合物补片120填充制造缺陷110。在某些方面，在修复过程完成之后，修复后区域152不可见或仅轻微可见。

在图5所示的另一个替代过程160中，感应加热过程与定制加热元件一起使用，用于修复模制聚合物复合材料结构中的制造缺陷。该方法包括将聚合物补片170设置在模制聚合物复合材料结构184的第一波形表面182上的缺陷180上。聚合物补片170和聚合物复合材料184可以与以上在图4的上下文中所描述的相同(聚合物补片120和聚合物复合材料112)。

在某些方面，缺陷180可以至少部分地填充有填充材料(未示出)。当缺陷填充有填充材料时，在填充材料硬化之后，将聚合物补片170设置在缺陷180上。加热元件190具有与模制聚合物复合材料结构184的第一波形表面182的至少一部分互补的第二波形表面192。加热元件190限定包括导电织物194和热固性聚合物196的导电层。可选的绝缘材料200可以设置在加热元件190的一侧上，以在需要在加热元件190的背面发生接触时使热传递最小化，例如，在施加压力的实施例中。感应加热器202被设置在加热元件190的一侧上，位于聚合物复合材料结构184的相对侧，但也可以被设置在组件的另一侧上(例如，加热元件190的具有可选的绝缘材料200的一侧)。感应加热器202与外部电源单元(例如，具有AC 120V)电连通，当被激活时，感应加热器在加热元件190内的导电织物194(以及分布于其中的可选导电复合材料)内诱发感应加热。因此，加热元件130是包括感应加热器202、聚合物补片170和在两者之间的模制聚合物复合材料结构184的组件的一部分，因而加热是感应加热过程。此外，加热元件190在第二波形表面192上传递基本一致的温度，使得聚合物补片170熔化或软化以填充缺陷180或使之平滑。因此，在第二波形表面192上产生的基本一致的温度为模制聚合物复合材料结构184的第一波形表面182的期望区域提供均匀的热量。基本一致的温度与前面所述的相同。此外，如上所述，在感应加热过程中也可以施加压力。加热元件和/或加热组件可以包括一个或多个热电偶(未示出)或用于监测系统中的温度的其他装置。

本公开进一步设想了形成可以用于修复模制聚合物复合材料结构中的制造缺陷的另一加热元件230的另一过程220，如图6和图7所示。提供模板240，该模板的形式是基本没有任何缺陷的模制聚合物复合材料结构。模板240限定波形表面轮廓244，该波形表面轮廓244限定包括纹理表面246的复杂三维形状，该纹理表面246将产生具有与待修复的模制聚合物复合材料结构相反的形状的加热元件230。在该方法中，提供织物250。如上所述，湿织物250可以是不导电的。浇注热固性耐热聚合物260的前体以填充织物的开口，从而形成湿织物250。液体聚合物前体流过织物开口并接触纹理表面246。然后去除过量的液体前体。湿织物(包括织物250和热固性耐热聚合物260的前体)设置在纹理表面246上并固化(例如，反应和/或固化/交联)以采用波形表面轮廓244。热固性耐热聚合物260可以是导电室温硫化(RTV)硅氧烷/硅橡胶。RTV硅橡胶可以固化以提供一致的厚度。提供织物250以协助提供均匀厚度，从而产生均匀热分布。

热固性耐热聚合物元件的厚度可以大于或等于约0.0001mm至小于或等于约10mm。在某些方面，跨越热固性耐热聚合物层的不同区域的厚度变化的最大值小于或等于约20％，可选地小于或等于约15％，在某些变型中，可选地小于或等于约10％。热固性耐热聚合物接触沿着模板240的纹理表面246的表面。因此，热固性耐热聚合物通过液体前体与模板240的纹理表面246的接触而采用纹理表面。以这种方式，因为模板240被用于聚合物复合结构的压缩模制，所以它向加热元件230中的热固性聚合物提供相似的纹理，使得纹理表面将与模制聚合物复合材料结构的表面图案匹配。

如上所述，织物250可以是不导电的，或者可以像上述中的任何一种一样导电，例如机织碳纤维织物。热固性聚合物可以是上述中的任何一种，例如硅氧烷弹性体。在某些变型中，例如织物250不导电，液体前体260进一步包括导电填料；在固化之后，形成包括固化的热固性聚合物(例如，硅氧烷弹性体)和导电填料的导电复合材料。

在液体前体固化(例如通过反应或固化/交联)之后，热固性耐热聚合物260和织物250一起限定具有波形表面轮廓244(也参见图8)的加热元件230。在固化之后，可以用固化的热固性耐热聚合物260将可选的绝缘材料262引入到织物250上。

以这种方式，有缺陷的模制聚合物复合材料结构可以位于加热元件230内，取代图6和图7中所示的模板240。图8示出了包括热固性耐热聚合物260和可选的绝缘材料262的最终加热元件230，所述热固性耐热聚合物260在织物250的开口内固化(尽管显示为独立的层，实际上可以共混为一层)。应该注意的是，在本公开的上下文中描述的任何实施例中的加热元件仅需要限定模板的表面的一部分(对应于模制聚合物复合材料零件)，但也可能对应于复杂三维形状的整个表面。因此，与复杂三维形状的部分区域(如图6所示)对应的加热元件可用于修复可能更常发生缺陷的选定区域。

图9示出了根据图6-8中的过程和加热元件形成的加热元件270。加热元件270包括热固性耐热聚合物280、织物层282和绝缘层284。加热元件270可以是具有端子(未示出)的电阻加热系统或具有感应加热器(未示出)的感应加热系统。模制聚合物复合材料结构290具有制造缺陷292和设置在制造缺陷292上的热塑性聚合物补片294。模制聚合物复合材料结构290限定第一波形表面300。

加热元件270具有与模制聚合物复合材料结构290的第一波形表面300的至少一部分互补的第二波形表面310。第二波形表面310具有纹理，与第一波形表面300的纹理互补。加热元件270的第二波形表面310设置在聚合物补片294上方并与聚合物补片294接触。根据本公开的各个方面，加热元件270在第二波形表面310上传递基本一致的温度，使得聚合物贴片294熔化或软化以填充缺陷292或使之平滑。如在其他实施例中那样，在第二波形表面310上产生的基本一致的温度为模制聚合物复合材料结构290的第一波形表面300的期望区域提供均匀的热量。以这种方式，定制加热元件传递均匀一致的热量以实现高质量的修复。

如图10所示，形成修复后的模制聚合物复合材料结构320，其具有修复后区域322，其中聚合物补片294填充制造缺陷292。在某些方面，在修复过程完成之后，修复后区域322不可见或仅轻微可见。

在各个方面，修复后的模制聚合物复合材料结构的修复后区域理想地不可见。如果聚合物补片材料不同于基础聚合物复合材料，则其具有可以使用诸如FTIR和NMR的工具进行区分的独特基质化学性质。在修复或补片材料(作为基础聚合物复合材料)中使用相同的树脂时，修复材料可具有不同的碳纤维加载量和碳纤维几何形状。因此，可通过酸消化去除修复区域中的树脂，仅留下碳纤维。然后可以测量修复材料中的碳纤维的物理尺寸，并且可以基于测量的树脂和纤维质量计算该区域中的纤维含量以确定是否存在修复后区域。无损检测(例如超声波、射线照相、涡流检测等)和X射线也可用于纤维尺寸测量。

为了说明和描述的目的提供了对实施例的上述描述。其目的不是穷举或限制本公开。即使没有具体示出或描述，特定实施例的单独元件或特征通常不限于该特定实施例，而是在适用的情况下可互换并且可用于选定实施例中。相同处也可以有多种方式的变化。这样的变化不被认为是背离本公开，所有这样的修改旨在被包括在本公开的范围内。

Claims (11)

1.一种修复模制聚合物复合材料结构中的制造缺陷的方法，所述方法包括：

在所述具有缺陷的模制聚合物复合材料结构的第一波形表面上提供 加热元件，其中所述加热元件限定与第一波形表面的至少一部分互补的第二波形表面，所述加热元件包括含有织物和热固性聚合物的导电层；以及

用所述加热元件加热所述第一波形表面的一部分，其中所述加热元件在所述第二波形表面上具有基本一致的温度，以修复所述缺陷，并且其中所述加热元件的所述第二波形表面的轮廓由所述织物和热固性聚合物限定，并且所述轮廓在形成后被保持。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括在提供所述加热元件之前， 将聚合物补片设置在所述模制聚合物复合材料结构的所述第一波形表面上的所述缺陷上方。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述模制聚合物复合材料结构包括热塑性聚合物和增强材料，所述聚合物补片是同样包括所述热塑性聚合物和所述增强材料的聚合物复合材料。

4.根据权利要求2所述的方法，其中用所述加热元件加热所述聚合物补片的最高温度小于或等于所述聚合物复合材料结构熔点以上50℃。

5.根据权利要求2所述的方法，其中所述聚合物补片和所述模制聚合物复合材料结构各自包括单独选自以下的热塑性聚合物：聚酰胺、聚酯、聚烯烃、聚氨酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚苯并咪唑、聚乳酸、聚碳酸酯、聚醚砜、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、聚苯醚、聚苯硫醚、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯及其共聚物和组合，所述模制聚合物复合材料结构还包括选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳族聚酰胺纤维、硼纤维、陶瓷纤维、聚酯纤维、超高分子量聚乙烯纤维、大麻纤维及其组合的增强材料。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二波形表面上的温度变化小于或等于15℃。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二波形表面具有对应于所述第一波形表面的纹理的纹理表面。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述加热元件还包括连接到外部电源的一对端子，使得加热是电阻加热过程。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述加热元件是包括感应加热器的组件的一部分，使得加热是感应加热过程。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括在提供所述加热元件之前压缩成形复合材料坯件，以形成具有所述缺陷的所述模制聚合物复合材料结构。

11.根据权利要求5所述的方法，其中所述聚合物补片和所述模制聚合物复合材料结构各自包括单独选自以下的热塑性聚合物：聚乙烯、聚丙烯及其共聚物和组合。

Images