CN113232337A - 一种超表面馈能的复合材料构件损伤外场微波快速修补方法 - Google Patents

Abstract

一种超表面馈能的复合材料构件损伤外场微波快速修补方法，其特征是在复合材料构件待修补面放置电磁超表面构件，并与开口的微波辐射器共同组成微波谐振腔腔体，形成超表面馈能的微波谐振腔，微波源向谐振腔馈入微波，利用超表面馈能实现纤维增强复材补片直接吸收微波能量，实现外场条件下复材构件的快速修补。本发明可以大幅度提高修补效率，操作方便，成本低。

Description

一种超表面馈能的复合材料构件损伤外场微波快速修补方法

技术领域

本发明涉及一种碳纤维复合材料构件损伤的修补方法，尤其是一种复合材料构件损伤外场的修补方法，具体是一种超表面馈能的复合材料构件损伤外场微波快速修补方法。

背景技术

碳纤维复合材料质量轻，强度高，是航空航天高端装备减重增效的关键材料，已在航空航天、汽车、风电、船舶等领域得到广泛的应用。但是复合材料脆性大，在服役过程中极易发生损伤，停机返厂维修的周期长、代价高昂。无人机、直升机等在战场环境下受到攻击，容易产生弹片划伤、裂纹、穿孔等损伤，影响作战性能，若不能及时修补，会延误战争时机。因此，亟需提出一种复合材料构件损伤外场修补方法。

现有的复合材料构件损伤修补主要采用“电热毯”加热修补工艺，采用“电热毯”作为外部热源加热，热量从“电热毯”经辅助材料缓慢传递至复合材料内部，修补加热过程中升温速率低，材料厚度方向温度梯度大，修补件层间剪切强度低，影响修补质量，难以满足复材快速高质量修补的需求。

针对现有复合材料外场快速修补方法的问题，本发明提出了针对碳纤维增强复合材料构件损伤的超表面馈能微波原位修补方法，将构件待修补面作为腔体的一部分，突破了外场环境下无法将损伤复合材料构件拆卸并放入大型微波腔体修补的局限。同时结合超表面馈能技术，本发明建立了实现了电磁超表面-纤维增强复材体系与空气的阻抗匹配，实现对复材构件的外场原位微波快速加热修补，并根据修补工艺曲线动态调控输入微波能量，使得零损伤构件力学性能达到外场快速修补标准。故本发明提出了一种超表面馈能的复合材料构件外场微波快速修补方法，实现固化工艺精确调控的高质量外场微波快速修补。

发明内容

本发明的目的是针对现有复合材料外场修补方法传热速率慢、温度梯度大、修补质量差的问题，提供一种基于超表面馈能的复合材料构件损伤外场微波快速修补方法，以满足碳纤维增强复合材料构件损伤外场快速修补的需求。

本发明的技术方案为：

一种超表面馈能的复合材料构件损伤外场微波快速修补方法，其特征是，在复合材料构件待修补面上铺放电磁超表面，并与开口的微波辐射器共同组成微波谐振腔腔体，形成超表面馈能的微波谐振腔。同时在待修补复材构件表面及内部放温度传感器，实现复材在固化过程中的实时精准温度控制，使复材的固化过程可按照设计的外场微波快速修补工艺曲线进行，完成复材构件在外场环境下的微波原位快速修补。

所述的电磁超表面由针对特定微波谐振频率设计的亚波长金属结构与柔性介质层组成。所设计的电磁超表面与复合材料组成的体系将在微波电磁场的激励下发生电磁耦合效应，改变体系的介电常数与磁导率，达到超表面-复材体系与空气之间的阻抗匹配状态。

所述的开场环境下的微波谐振腔，是将纤维增强复合材料待修补面作为微波谐振腔的一部分，并用柔性材料实现复材修补面与开口谐振腔之间的过渡，保证谐振腔与复材构件之间贴合的要求，并通过高微波反射率材料对复材与微波谐振腔的接缝处进行密封防泄漏处理。

所述的外场微波快速修补工艺是针对复合材料的超表面馈能的快速修补工艺。通过快速升温至复材固化发生交联反应的温度上限，然后再保温至复材固化完全。在保证零件固化质量的前提下，实现复材构件微波快速修补。

本发明的具体步骤可以概括为：

步骤1：将纤维增强复合材料受损区域进行探测，并对待修补区域进行切割处理，并将修补片与损伤区域进行胶结预处理，使得修补片可以与待修补表面紧密贴合。

步骤2：将固化辅助材料、电磁超表面及真空袋按顺序铺放在待修补零件的表面，并固定。之后抽真空，给予真空袋内一个负压来压实复材修补件。

步骤3：在真空袋的表面铺放温度传感器，实时读取修补表面的温度数据，并根据所设计的固化工艺曲线实时调整输入的微波能量，调控温度。

步骤4：微波辐射器与复合材料修补面之间采用柔性耐高温材料进行过渡接触，将复合材料待修补面作为微波谐振腔腔体的一部分。完成微波辐射器与复合材料表面之间的固定后，利用高微波反射率材料对谐振腔与复材的接缝处进行防泄漏密封处理，完成整体设备的搭建工作。

步骤5：使用设计的修补工艺对复材构件待修补面进行加热固化，实现复材构件在外场环境下的微波快速原位修补。

本发明的有益效果是：

针对多向铺层的碳纤维增强复合材料难以被微波直接加热固化的难题，本发明建立修补面上电磁超表面与纤维增强复材体系与空气的阻抗匹配。同时，将零件待修补面作为微波谐振腔的一部分，突破了微波加热必须将零件放入大型密闭腔体内的局限。并结合材料特点设计固化工艺，实现对复材构件的微波快速高质量加热固化。本发明可以大幅度提高修补效率、降低复材构件损伤修补的能耗，为复材构件的快速修补工艺提供了一种思路。

本发明利用一种超表面馈能的外场微波快速修补方法，实现复材构件在外场环境下的快速加热固化，首次实现了对于多向纤维增强复合材料的外场快速修补。

附图说明

图1是本发明所采用的电磁超表面与多向铺层纤维增强复合材料的组合。

图2是本发明的超表面馈能的外场微波快速修补示意图。

具体实施方案

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的阐述，应当指出的是，下述实施例仅用于说明本方法的某些实施特例，并不用于限制本发明的保护范围，在本发明公开后，本领域技术人员基于本发明中关于复材受损构件的修补方法做出的任何修改或变化，都属于本申请权利要求书中所限定的保护的范围。

如图1、2所示。

一种超表面馈能的复合材料构件外场微波快速修补方法，利用多向铺层的纤维增强复合材料对微波高反射率的特点，将复材修补面作为微波谐振腔的一部分，实现开场环境下的复材构件微波固化修补。利用电磁超表面与复材体系在高频微波电磁场环境下激励的电磁耦合效应，改变体系的磁导率与介电常数，使其与空气介质之间达到阻抗匹配状态，复材构件直接吸收微波能量从而快速固化修补。本发明所采用的电磁超表面的结构为具有亚波长结构的金属板以及柔性介质板，实现对于复材修补曲面的柔性贴合；并结合纤维增强复合材料的固化反应动力学，设计出满足零件固化质量要求的微波快速固化工艺曲线，实现复合材料构件损伤外场快速修补。

实例一。

本实例是在多向铺层的碳纤维增强热固性树脂基复合材料的外场修补中应用。所述的多向纤维增强树脂基复合材料原材料UIN10000为以碳纤维作为增强体，以中温固化的环氧树脂为基体的预浸料体系。在受损构件的表面进行挖除，将待成型的预浸料补片通过树脂与损伤边缘材料进行胶粘，将柔性电磁超表面固定在纤维增强复合材料的修补面上，并在其表面铺放脱模布、有孔隔离膜、无孔隔离膜、透气毡以及真空袋同时进行真空密封。将微波谐振腔通过柔性材料固定安装在待修补表面，并根据修补片的厚度及平面尺寸选择对应的固化修补工艺，实现针对外场环境下的多向铺层的碳纤维复合材料的快速微波固化修补。具体操作步骤如下：

步骤1：利用酒精或丙酮等有机溶剂清洗待修补构件的表面，并对受损区域进行探测。

步骤2：将损伤区域进行挖除，并对受损区域进行表面光整处理，并对挖去部分边缘进行打磨，将预浸料修补片胶粘固定在待修补区域，并在补片上按顺序铺放脱模布、有孔隔离膜、无孔隔离膜、电磁超表面及透气毡，并用真空袋对复材的修补表面进行真空密封。

步骤3：将温度传感器铺放在真空袋的表面，并将微波谐振腔通过柔性过渡材料固定安装在复材待修补表面上，并用锁紧机构进行固定。根据复材补片的形状、尺寸、厚度在人机交互界面上选择相应的微波快速固化工艺曲线。对温度数据进行校准，根据外场环境的温度和湿度，对设备的灵敏度进行修改调整，提高闭环反馈温度控制系统的准确度。

步骤4：启动设备对复合材料预浸料补片进行外场微波快速固化，在人机交互界面上显示出复材在微波固化过程中的温度曲线以及固化状态，必要时可以适当在复材的固化修补过程中进行暂停保温，以适应不同场合的固化度以及修补时间的要求。

步骤5：将微波谐振腔从修补面拆卸下来，并将真空袋等复材固化辅助材料从修补构件表面取下，并对修补区域进行质量检测，从而确保复材构件的修补质量达到使用要求。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种超表面馈能的复合材料构件损伤外场微波快速修补方法，其特征是：在复合材料待修补面上放置电磁超表面，并与开口的微波辐射器共同组成微波谐振腔体；按待修补材料特性设计修补工艺，在高频微波电磁场的激励下，激发超表面-复合材料体系发生电磁耦合效应，实现复合材料直接吸收微波能量，快速加热修补。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的电磁超表面是一种通过控制波前相位、振幅以及偏振进行波束调控的结构，所述结构由亚波长金属单元和介质层组成，通过表面单元结构设计，使得超表面-复合材料体系的磁导率与介电常数发生改变，进而达到与空气介质之间的阻抗匹配。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的修补工艺首先利用微波快速加热复合材料至推荐固化温度以上10℃～15℃保温1分钟，然后降低至推荐固化温度±5℃范围内，并保持该温度直至固化结束。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的微波谐振腔腔体为能自适应调整的腔体；复合材料修补面与开口谐振腔之间安装有柔性材料过渡，保证谐振腔与复合材料构件之间贴合，并通过高微波反射率材料对复合材料与微波谐振腔的接缝处进行密封防泄漏处理。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：它包括以下具体步骤：

步骤1：对纤维增强复合材料受损区域进行探测，并对待修补区域进行切割处理，将修补片与损伤区域进行固定，使得修补片能与待修补表面紧密贴合；

步骤2：将复合材料固化用的辅助材料、电磁超表面及真空袋按顺序铺放在待修补零件的表面，并固定；然后抽真空，利用真空压力压实复合材料修补件；

步骤3：在待修补复材构件表面及内部放温度传感器，实时读取修补构件的温度数据，并根据所设计的固化工艺曲线实时调整输入的微波能量，调控温度；

步骤4：微波辐射器与复合材料修补面之间采用柔性耐高温材料进行过渡，将复合材料待修补面作为微波谐振腔腔体的一部分；完成微波辐射器与复合材料表面之间的固定后，利用高微波反射率材料对谐振腔与复合材实的接缝处进行防泄漏密封处理；

步骤5：使用设计好的修补工艺对复材构件待修补面进行加热固化，实现复材构件在外场环境下的微波快速原位修补。

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