CN104634816A - 一种用于复合材料的损伤检测或修复的微波热激励系统及其热激励方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于复合材料的损伤检测或修复的微波热激励系统，包括依次连接的微波电源、电流控制器、磁控管、波导、微波辐射天线、以及靠近微波辐射天线设置的微波能量转换器，电流控制器与微波控制仪通过导线相连接，微波能量转换器包括硅橡胶基体以及均布在硅橡胶基体中的微波吸收材料。本发明另外提供了一种用如上所述微波热激励系统对复合材料进行热激励的方法。

Description

一种用于复合材料的损伤检测或修复的微波热激励系统及其热激励方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料热激励系统，尤其涉及一种不受被激励结构自身导电(如碳纤维增强材料)和内部包含导电部件(如电缆)等限制的、可以较好地适应复杂型面的快速热激励系统及其热激励方法，属于复合材料检测与修复领域。

背景技术

复合材料在航空航天、清洁能源、土木工程、交通运输等领域得到广泛的应用，在现代工程结构中所使用的比例越来越高。由于复合材料制造过程分散性较大，并且在各种环境条件下又容易受到损伤，所以缺陷的发生、发展是不可避免的。为了保证结构具有所需的可靠性，一方面需要在复合材料结构使用过程中进行无损检测，及时准确地发现结构中的损伤和缺陷；另一方面要对所发现的损伤和缺陷及时采取有效措施，恢复结构应有的抵抗破坏、抵抗变形和保持稳定性的能力，在外加载荷作用下保证结构的完好性。复合材料结构制造工艺的特点决定了在服役过程中维护工作的重要性。随着复合材料应用的发展，特别是越来越多的承力构件选用复合材料制造，其损伤缺陷的检测与修复得到了越来越多的关注。

在复合材料结构损伤和缺陷的检测方法中，红外无损检测是一种广为业界所优选的检测方法。红外检测的基础是红外辐射原理，通过运用红外辐射测量分析方法和技术对设备、材料及其他物体的表面温度场的分布和变化进行测量和分析，实现对物体内部的变化进行分析和研究。红外检测是一种实时检测技术，通过接收物体发出的红外辐射，将物体表面的辐射强度以图像的形式显示出来，从而准确判断物体表面的温度分布情况。与超声、射线等常规检测方法相比，具有准确、实时、快速、无污染等优点。随着红外热像仪的发展，红外检测技术得到了大量的应用。复合材料内部的缺陷与损伤所产生的与正常区域的温度差对红外检测的效果有直接影响。均匀性好、温度易于控制的热激励源可以提高复合材料红外无损检测的精度和可靠性，热激励的速度也直接影响了红外无损检测的效率。

复合材料结构大多采用一体化工艺制造，结构体积较大。局部区域的损伤和缺陷直接降低了结构整体的可靠性。通过损伤和缺陷区域的修复可以恢复或部分恢复结构的性能，因此修复工作是保障其安全可靠服役的重要手段。胶接修理是修复复合材料构件缺陷和损伤的一种主要方法，有贴补修理和挖补修理两类。在修理过程中，对修复区的加热是关键因素，对修复效果具有重要的影响。

目前在复合材料红外无损检测和修复工作中用得比较多的加热设备有大功率电光源、热风机、电热毯和烘箱等。这些加热设备虽然可以为检测或修复区提供所需的高温，但加热效率不高，加热均匀性不好，加热过程不易控制，多数构件不能实现原位修复。

微波加热是效率较高的加热方式，也在复合材料的检测与修复工作中得到了应用。如专利申请号为201410533424.4申请名称为基于微波激励的复合材料内部积水缺陷损伤检测法及系统的专利申请材料中所述。但是不宜使用于含导电材料的复合材料构件的加热中。由于导电材料对微波有反射作用，导致构件内部发热不均匀，会形成火花，甚至会发生爆炸。碳纤维增强复合材料是复合材料家族中的重要成员，为很多重要承力构件所采用，在很多领域、特别是航空航天领域中发挥了重要作用。一些玻璃纤维增强复合材料也采用碳纤维片进行修补。但碳纤维自身也导电，存在产生火花的隐患，所以无法直接采用微波加热进行检测和修复。在由非导电的复合材料(如玻璃纤维增强树脂材料等)制成的构件中，也会有导电零部件，如金属导线、销钉、金属框架等，使得这些非导电的复合材料构件无法实施微波原位加热，影响了检测和修复速率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于包含导电材料或构件在内的复合材料构件的检测和修复的、高效率、高均匀性微波热激励系统。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种用于复合材料的损伤检测或修复的微波热激励系统，包括依次连接的微波电源、电流控制器、磁控管、波导、微波辐射天线、以及靠近微波辐射天线设置的微波能量转换器，电流控制器与微波控制仪通过导线相连接，微波能量转换器包括硅橡胶基体以及均布在硅橡胶基体中的微波吸收材料。

作为一种优选的方案，所述微波能量转换器上设有若干温度传感器，温度传感器通过导线与微波控制仪相连接。

作为一种优选的方案，所述微波吸收材料包括铁氧体粉、羰基铁粉、各种超微金属粉、碳化硅粉、碳化硅纤维、碳纤维、金属纤维和有机高分子聚合物中的一种或几种。

本发明另一个所要解决的技术问题是：提供上述所述微波热激励系统用于包含导电材料或构件在内的、型面较复杂的复合材料结构在工位状态下的检测和修复时的激励方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种用如上所述微波热激励系统对复合材料进行热激励的方法，包括如下步骤：

步骤(1)，对被激励复合材料构件上需激励区域表面进行清理；

步骤(2)，将微波能量转换器和需激励区域贴合，保持良好接触；

步骤(3)，根据被激励复合材料构件检测或修复的要求，对微波控制仪控制参数进行设置或整定；

步骤(4)，启动微波电源、电流控制器和微波控制仪；

步骤(5)，根据被激励复合材料构件包括检测或修复的要求，进行升温或保温调节。

有益效果：由于采用添加了微波吸收材料的硅橡胶基体，将微波能量转换成热能对待激励构件进行加热，既避免了微波与材料的直接作用，又充分利用了微波加热效率高、均匀度高、可控性好的特点，使得该系统可以应用于导电材料(如碳纤维增强复合材料)制成的构件、或内部存在导电构件(如导线)等的构件，也适用于用导电材料制成修补片进行结构修复。

由于微波能量转换器采用硅橡胶基体，柔性大，可以弯曲成曲率较大的状态，能够较好地适应型面复杂的结构，而且可对复合材料构件实现在工位状态下进行损伤检测和修复。

由于微波能量转换器上设有若干温度传感器，温度传感器通过导线与微波控制仪相连接，能够实时根据待修复构件的温度对微波强度进行调整，以使修复效果更好。

附图说明

图1是本发明中的热激励系统示意图；

图2是本发明中微波能量转换器示意图；

图1-2中：1、微波电源，2、电流控制器，3、磁控管，4、波导，5、微波辐射天线，6、硅橡胶基体，7、微波吸收材料，8、温度传感器，9、微波控制仪。

具体实施方式

如图1-2所示，一种用于复合材料的损伤检测或修复的微波热激励系统，包括依次连接的微波电源1、电流控制器2、磁控管3、波导4、微波辐射天线5、以及靠近微波辐射天线5设置的微波能量转换器，电流控制器2与微波控制仪9通过导线相连接，微波能量转换器上设有若干温度传感器8，温度传感器8通过导线与微波控制仪9相连接。微波能量转换器包括硅橡胶基体6以及均布在硅橡胶基体6中的微波吸收材料7。

用上述微波热激励系统对复合材料进行热激励的方法，包括如下步骤：

步骤(1)，对被激励复合材料构件上需激励区域表面进行清理；

步骤(2)，将微波能量转换器和需激励区域贴合，保持良好接触；

步骤(3)，根据被激励复合材料构件检测或修复的要求，对微波控制仪9控制参数进行设置或整定；

步骤(4)，启动微波电源1、电流控制器2和微波控制仪9；

步骤(5)，根据被激励复合材料构件包括检测或修复的要求，进行升温或保温调节。

其工作原理为：微波电源1输出端与电流控制器2相连，电流控制器2与磁控管3相连，磁控管3所产生的微波由波导4输入微波辐射天线5，微波辐射天线5靠近硅橡胶基体6，与硅橡胶基体6中微波吸收材料7作用转化为热能。同时，由于微波能量转换器中微波吸收材料7吸收微波，对其后面的复合材料结构形成微波保护；吸收的微波转化为热能，通过贴合在构件表面的硅橡胶基体6传递到复合材料构件上，形成检测或修复所需的温度场。微波能量转换器中的温度传感器8感应基体温度，作为控制信号送入控制系统，可对微波强度进行实时的更为精细的调整。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于复合材料的损伤检测或修复的微波热激励系统，其特征在于：包括依次连接的微波电源、电流控制器、磁控管、波导、微波辐射天线、以及靠近微波辐射天线设置的微波能量转换器，电流控制器与微波控制仪通过导线相连接，微波能量转换器包括硅橡胶基体以及均布在硅橡胶基体中的微波吸收材料。

2.如权利要求1所述的一种用于复合材料的损伤检测或修复的微波热激励系统，其特征在于：所述微波能量转换器上设有若干温度传感器，温度传感器通过导线与微波控制仪相连接。

3.如权利要求2所述的一种用于复合材料的损伤检测或修复的微波热激励系统，其特征在于：所述微波吸收材料包括铁氧体粉、羰基铁粉、各种超微金属粉、碳化硅粉、碳化硅纤维、碳纤维、金属纤维和有机高分子聚合物中的一种或几种。

4.一种用权利要求1-3中所述任一种微波热激励系统对复合材料进行热激励的方法，包括如下步骤：

步骤(1)，对被激励复合材料构件上需激励区域表面进行清理；

步骤(2)，将微波能量转换器和需激励区域贴合，保持良好接触；

步骤(3)，根据被激励复合材料构件检测或修复的要求，对微波控制仪控制参数进行设置或整定；

步骤(4)，启动微波电源、电流控制器和微波控制仪；

步骤(5)，根据被激励复合材料构件包括检测或修复的要求，进行升温或保温调节。