一种复合材料构件外场快速自修复装置及修复方法

摘要

一种复合材料构件外场快速自修复装置及修复方法，其特征是所述装置将所有设施集成于便携式箱体中，包括以交变加热电源为核心部件，利用复合材料自修复温度自适应控制回路实现自动控温，内置高精度数字电表测量修补材料自加热回路的电参数，操作面板设置有加热电缆快拔接头、温度传感器接口、真空管路结构、切割动力输出接口等快速自修复工艺接口。本发明利用导电预浸补片自身综合电损耗发热特性，实现了在外场修复时无需额外的焦耳毡等外部发热物的目的，大大简化了快速修复设备的便携性，大幅提高复合材料构件外场快速修复质量，缩减修复时间，降低修复成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料修复技术，尤其是一种复合材料快速修复技术，具体地说是一种复合材料构件外场快速自修复装置及修复方法。

背景技术

目前，复合材料已经大量用于各类无人机、先进战斗机、商用客机等飞行器的制造，在全球航空宇航制造领域已成为一种不可逆转的趋势。但是由于复合材料普遍存在层间层强度低、横向性能差、抗压能力弱等缺点，飞机非常容易发生以冲击损伤为主的各种结构破坏，如裂纹、缺口、分层和破孔等，这将显著降低复合材料的静、动态载荷性能，严重时会直接威胁飞机的安全。而复合材料因其低导电率的特性，不同于铝合金飞机，复合材料飞机面临着更加严重和频繁的闪电雷击损伤。所以开展飞机复合材料修理研究工作，提高复合材料外场快速修补能力，在保证安全的同时，以减少报废率，提高使用完好率，降低复合材料的使用成本，具有十分重要的意义。以汉莎航空公司2006年飞机维修统计为例，在243架次飞机的1647宗复合材料损伤中，总修理费高达3.3亿人民币，传统的电加热毯等加热方法存在传热速度慢，温度控制滞后，固化温度不均匀的问题，导致固化质量欠佳。外场快速修复，能有效提高修复效率和质量，其重要性不言而喻。

传统的复合材料修复方法有热补仪修补、光固化修补、微波修补等等。中国专利申请号200420067154.4 ，申请日2004年6月15日，由中国人民解放军空军装备研究院航空装备研究所公开了一种便携式复合材料热补装置，该方法由计算机进行监控电热毯对损伤区域进行加热固化，设备移动性好，操作简单但加热温度不均匀，附属物件太复杂。中国专利申请号200910031317.0，申请日2009年5月8日，由南京航空航天大学公开了一种基于光修复技术的只能结构自愈伤方法与健康监测系统，该系统利用太阳光能和光固化技术实现复合材料损伤区域的自愈合，实用性强，成本低，环保节能，但对环境和材料体系的要求比较高。中国专利申请号201310375027.4，申请日2013年8月26日，由南京航空航天大学公开了一种基于微波的复合材料构件快速修补装置及修补方法，该方法在损伤区域填补预浸料之后再使用微波发生装置对其进行加热固化，固化速度快，加热也比较均匀，但微波的穿透深度有限，难以固化大厚度补片，并且还会产生一定的辐射泄漏，危害人体。中国专利申请号201620742380.0，申请日2016年7月14日，由中国人民解放军装甲兵工程学院公开了一种复合材料自加热成型修补装置，该方法利用自加热材料本身的放热性能对复合材料贴片进行快速、便捷的固化修补，但其附属物件复杂，并且自加热材料发热不均匀。上述方法中均难以达到飞机复合材料构件外场高质量、高效、快速修复的目的。

综上所述，现存的航空材料修补工艺中存在以下问题：

1.传统热补仪外场加热设备设施复杂，附属物品多，且固化周期较长，能量损耗较大。

2.传导加热会导致材料有由内向外的温度梯度，加热不均匀导致材料各方面性能降低，严重降低复合材料成型质量，甚至成型失败。

3.微波、紫外光、电子束等修复方法有对操作人员有害的辐射。

碳纤维等导电纤维自身具有优异的导电性能，对它通电产生焦耳损耗生成的热量可直接用于复合材料的修复固化。这种自发热的方法温度响应速度快，能耗低，精度高，操作性能好，在复合材料及其结构的外场与快速修复方面拥有潜在的优势。中国专利申请号200310113547.4，申请日2003年11月17日，由中国航空工业第一集团公司北京航空材料研究院提出了一种碳纤维增强复合材料的自电阻加热成型方法，该方法公开了一种导电性碳、石墨纤维增强树脂基复合材料的自电阻加热速成型及纤维增强的热塑性复合材料的自加热焊接或修补的方法。其技术解决方法为：充分利用碳纤维复合材料的自电阻，在压力机械上、下台面与预浸料之间分别安装绝缘层，绝缘层与预浸料之间加装电极，形成以预浸料为电阻的导电通道，成型、焊接、修补复合材料。中国专利申请号201510817586.5，申请日2015年11月23日，由西北工业大学提出了一种树脂基碳纤维复合材料的自阻电加热固化方法，该方法公开了一种采用通电加热碳纤维的方式提供树脂固化所需的能量，最终获得所需要的零件。其技术解决方法为：将电加热的方式运用到纤维增强型复合材料中去，对树脂基碳纤维复合材料预成形体通电加热，通过控制电源电流的方式来控制预成形体的温度。中国专利申请号201611229851.9，申请日2016年12月27日，由北京航空航天大学提出了一种长纤维及连续纤维增强热塑性复合材料的电阻加热快速成型方法，该方法公开了一种以碳纤维薄毡作为加热单元的热塑性复合材料电阻加热的快速成型方法及加工系统。其技术解决方法为：金属电极通过导电银胶固定在碳纤维薄毡两端，将铺层好的材料体系置于真空袋或压模机模具中。通过电压调控装置对碳纤维薄毡通电加热，并通过温度控制装置实现工艺温度的调控。

上述方法的实质均为利用导电纤维自身导电性进行通电后产生电导损耗，从而实现复合材料的固化成型。但针对复合材料预浸料补片的外场快速修复领域，损伤的形式和铺叠好的预浸料补片形式具有较大的不确定性，预浸料铺层方法与整体零件固化有较大差别，电极的安装和补后处理与传统的电导损耗固化方式有较大不同，仅凭借由电阻产生的电导损耗，而不考虑介电损耗等损耗作用难以适应复杂构型的快速均匀加热；虽然在申请者已公开的专利CN201710975475.6中，提出了利用综合电损耗方法进行材料的固化，但外场快速修补对修补设备有便携、快速反应、易于操作等要求。在中国专利申请号200310113547.4中提出将电导损耗方法运用于材料修补，但仅凭简单的方法移植难以适应以上所述的复合材料外场快速修复要求，故针对于复合材料外场快速修复，亟需一种具有高质量、高效率、低成本的外场快速自修复装置和使用方法，且对应的修复设备应满足便携、快速反应等要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有的复合材料修复过程缺少相应的现场修复设备而造成修复不便的问题，设计一种能在现场进行快速修复且成本低效果好的便携式的复合材料构件外场快速自修复装置，同时提供一种相应的修复方法。

本发明的技术方案之一是：

一种复合材料构件外场快速自修复装置，其特征是它包括：

一便携式手提箱8，该便携式手提箱用于放置复合材料构件外场快速自修复所需的各部件；

一交变加热电源模块1，该交变加热电源模块1至少输出一路波形、频率、电流密度可控的工作电流；

至少一路小型温度传感器2，该小型温度传感器2连接温度信号转换器3，

上数据处理及存储器4，该数据处理及存储器4将所测量到的温度信号处理转换成模拟信号送温度控制单元5进行接收、处理、储存；

一温度控制单元5，该温度控制单元5输出控制信号至交变控温电源模块1，控制加热温度；

一高精度电表7，该高精度电表7的输入端与信号传输通道6电气连接，它的输出端与所述的数据处理及储存器4连接；

至少带一路真空管路9的真空泵系统10；

一软轴11，该软轴11用于驱动切割电机12类修复辅助组件；

一箱体操作面板13，该箱体操作面板13设有加热电缆快拔接口14、多路真空接口15、真空仪表16、旋转软轴输出接口17、人机交互触屏18、多点位温度仪表19、多点位电信号仪表20，电源控制旋钮21操作单元；

一储物模块22，该储物模块22中存储有导电预浸料补片、快速拆装电极、大功率传输线缆、温度传感器、真空辅助材料、切割砂轮。

所述的交变加热电源模块1具有调频、调流、调压三种工作模式，以导电预浸料补片温度信号作为控制参量，使预浸料补片产生电导损耗、介电损耗、极化损耗形式的综合电损耗而自发热固化。

所述的快速拆装电极由薄导电片层构成，表面涂覆有导电脱模剂或覆盖有导电脱模层，铺层过程中依靠弹簧、螺栓、挥发性导电粘接剂或真空压力方式装载于预浸料补片，固化后直接脱模，避免切割修复结构，电极也可补后嵌入材料作为结构的一部分。

所述的高精度数字电表7的测量信号作为材料修复过程质量判别依据，即当体积电阻等信号变化趋于预设指标，可判定固化是否完成。

所述的便携式手提箱体8采用外部强电供电，或配置大容量便携式电源供电。

本发明的技术方案之二是：

一种复合材料构件外场快速自修复方法，其特征是它包括以步骤：

第一步：修复准备，定位损伤位置，评估损伤类型、程度，清理损伤表面区污物和残留物；

第二步：切割打磨；修复形式为挖补修复时，则按照修复流程使用箱体中的切割设备进行研磨、切除、阶梯打磨操作，切除部分轮廓边缘预留电极凹槽；

第三步：预埋电极，按照修复区域的尺寸裁切导电预浸料补片，在裁切好的补片边缘预埋设电极，快速拆装电极凭借机械夹紧力与补片连接，补后嵌入式与补片直接压紧粘接；

第四步：补片铺设，按照修复铺层要求，将预埋电极的补片逐层铺设至修复区域，各层电极的触头利用金属快拔头短接；

第五步：线缆连接，用快速插接头连接金属快拔头，连接预浸料补片自修复回路于复合材料构件外场快速自修复装置中的交变加热电源模块，连接电信号测量通道线缆，埋设温度传感器；

第六步：真空压实，按照要求铺设脱模布、隔离膜、透气毡、真空袋等修复辅助材料，埋设真空接头，连接真空管道抽取真空，压实预浸料补片、各电极触头和测量触头；

第七步：加热自修复，待准备工作准备就绪，设置修复工艺程序段，开启交变加热电源模块，根据高精度电表显示的电压、电流、电阻值进行初始电流密度、波形、频率调控，随后由补片自发热的温度由温度控制单元根据实时测量的温度和电参数进行工艺参数调控；

第八步：修复完成，去除辅助材料，若为快速装拆电极，拆去电极材料，若为补后嵌入式电极则打磨光滑作为材料结构的一部分。

本发明的有益效果：

本发明利用导电预浸补片自身综合电损耗发热特性，实现了在外场修复时无需额外的焦耳毡等外部发热物，大大简化了快速修复设备的便携性，大幅提高复合材料构件外场快速修复质量，缩减修复时间，降低修复成本。

附图说明

图1是本发明待修复区域处理完成后的整体结构示意图；

图2是本发明待修复区域不同电极铺设示意图；

图3是复合材料构件外场快速自修复装置简化结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。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。此外，在本发明公开后，本领域技术人员基于本发明复合材料外场快速自修复的原理所做出的任何修改和变化，都属于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1-3所示。

一种复合材料构件外场快速自修复装置，它包括：

一便携式手提箱8，该便携式手提箱用于放置复合材料构件外场快速自修复所需的各部件；

一交变加热电源模块1，该交变加热电源模块1至少输出一路波形、频率、电流密度可控的工作电流；

至少一路小型温度传感器2，该小型温度传感器2连接温度信号转换器3，

上数据处理及存储器4，该数据处理及存储器4将所测量到的温度信号处理转换成模拟信号送温度控制单元5进行接收、处理、储存；

一温度控制单元5，该温度控制单元5输出控制信号至交变控温电源模块1，控制加热温度；

一高精度电表7，该高精度电表7的输入端与信号传输通道6电气连接，它的输出端与所述的数据处理及储存器4连接；

至少带一路真空管路9的真空泵系统10；

一软轴11，该软轴11用于驱动切割电机12类修复辅助组件；

一箱体操作面板13，该箱体操作面板13设有加热电缆快拔接口14、多路真空接口15、真空仪表16、旋转软轴输出接口17、人机交互触屏18、多点位温度仪表19、多点位电信号仪表20，电源控制旋钮21操作单元；

一储物模块22，该储物模块22中存储有导电预浸料补片、快速拆装电极、大功率传输线缆、温度传感器、真空辅助材料、切割砂轮。

详述如下：

本发明的复合材料构件外场快速自修复装置的所有组件都集成于一个便携式手提箱中8中。箱体操作面板13上设置有交变加热电源1简称电源控制开关，电源1可根据与待修复材料相关的预先设定的参数至少输出一路波形、频率、电流密度可控的工作电流，该工作电流通过加热传输线缆32直接加到与待修复材料紧密连接的加热电极30，使待修复区域材料产生各种电能损耗热而被加热固化。同时，待修复区域的预浸料补片34中均匀分布若干温度传感器33，其中，至少有一路温度传感器可通过信号传输线37将温度信号传递给转换器3，温度转换器3将接收到的温度信号转化为温度控制单元5可以接收和处理的模拟量信号。所述的温度控制单元5根据待修复区域实时温度的大小输出相应的控制信号至交变加热电源模块1，使之输出相适应的最佳参数的电流。同时，电信号传输通道6与高精度电表7相连，所述的高精度电表7可以实时显示待修复材料的电参数，并通过信号传输线将相关信息存入存储器4中。所述的便携式箱内还应设有软轴11驱动切割电机12等修复辅助组件和至少带一路真空管路9的真空泵系统10，真空泵系统通过真空接头24抽取贴有真空袋25的整个待修复区域35的空气，在修复进程中为整个体统提供真空环境，该真空袋和真空袋上的抽气口应均是耐高温材料。所述的箱体操作面板13上设有传输电极快拔接口14、多路真空接口15、真空仪表16、旋转软轴输出接口17、人机交互触屏18、多点位温度仪表19、多点位电信号仪表20，电源控制旋钮21等操作单元，附属设施如导电预浸料补片、快速拆装电极、大功率传输线缆、温度传感器、真空辅助材料、切割砂轮等修复过程附属配件放置于所述便携箱体的储物模块22中。人机交互触屏18上设有控制真空泵、电源、真空仪表、温度控制仪表等元器件通断的按钮，同时，还能实时显示温度变化曲线和系统的各个状态参数。

如图3所示，箱体操作面板13上分别设有电极快拔接口14，多路真空接口15，真空仪表16，旋转软轴输出接口17，人机交互触屏18，多点位温度仪表19，多点位电信号仪表20，电源控制模块21和储物模块22；箱体内部集成有温度控制单元5，温度控制单元连接交变加热电源1和温度信号转换器3，温度信号转换器3将小型温度传感器2传回的温度信号进行转换，软轴11可驱动切割电机12等修复辅助组件，真空管路9与真空泵系统相连，高精度信号传输通道6与高精度电表7相连，所有元器件均可放入存储器4中。

本发明的电预浸料补片可以是单向、多向的碳纤维预浸料补片、短切碳毡预浸补片、玻纤混碳纤维补片、石墨预浸料补片、金属增强预浸料补片等导电预浸料补片；所述的交变加热电源模块，其特征在于可以在外场快速修复的过程中以调频、调流、调压三种工作模式进行修复，调节时以预浸料补片温度信号作为控制参量，预浸料补片产生电导损耗、介电损耗、极化损耗等多种形式的综合电损耗，产生更均匀、更高效的自发热效应，实现快速，均匀的固化修复。

本发明的快速拆装电极由薄导电片层构成，导电片层可以是金属片、金属网，也可以是石墨片层等导电性较好的材料，其厚度小于单层预浸料补片；为了实现补后的快速拆卸，表面可涂覆有导电脱模剂，也可覆盖导电脱模层；为了铺层过程中实现电极与材料的良好接触，依靠弹簧、或螺栓、或挥发性导电粘接剂、或真空压力等方式装载于预浸料补片，固化后可直接脱模，避免切割修复结构，电极材料也可补后嵌入材料，在补后结构强度达到修复恢复了的前提下，作为结构的一部分继续服役。

本发明的高精度数字电表主要用于测量信号实时反馈在显示屏幕中，作为材料修复过程质量判别依据，即当体积电阻等信号变化趋于预设指标，可判定固化是否完成。本发明的便携式箱体可采用外部强电供电，也可配置大容量便携式电源供电。所述温度传感器可以是热电偶、热电阻、光纤荧光、光纤光栅等温度传感器。

下面结合复合材料修复实例对本发明做进一步说明：

图1所示为损伤后某型飞机的复合材料蒙皮零件自修补示意图，原有结构36表层有打磨挖槽后的待修复区域35，在待修复区域35中填入预浸料补片34，预浸料补片34的两端是与其紧密贴合的加热电极30，加热电极30与加热传输线缆32和电信号传输线31连接。同时，在待修复区域35中还铺设有若干温度传感器33，温度传感器33将温度信号通过信号传输线37将温度信号传送回相应控制模块。整个待修复区域35依次铺设脱模布28、隔离膜电极27，透气毡26并由真空袋25封装，边缘区域由密封胶条29密封，整体由真空接头24通过真空管23与真空泵连接抽取真空。

利用本发明的修复方法对损伤区域深度为2mm，大小约为300mm*80mm的复合材料为基体的飞机蒙皮进行修复，步骤如下：

步骤一：利用超声波扫描仪测得复合材料损伤区域的位置和程度，清理损伤表面区污物和残留物，确定预浸料补片34的尺寸参数为350mm*100mm及需要的层数为8层；

步骤二：启动电源控制旋钮21，运行驱动切割电机12，对飞机蒙皮损伤位置进行打磨处理，切除部分轮廓边缘并预留电极凹槽；

步骤三：按照已确定的尺寸裁切预浸料补片34，在裁切好的补片边缘预埋设加热电极30，电极30与补片34隔层铺设，快速拆装电极凭借机械夹紧力与补片连接，补后嵌入式与补片直接压紧粘接；电极通过加热传输线缆32和电信号传输线31连接交变加热电源模块1。同时，在修复区域埋设9个热电偶温度传感器33，位置均匀。温度传感器33通过信号传输线37将温度信号传回装置；

步骤四：按照真空封装的要求铺设脱模布28，隔离膜电极27，透气毡26，真空袋25等修复辅助材料，最后用密封胶条29在边缘位置进行仔细密封，同时埋设真空接头24，连接真空管23，启动真空泵系统10抽取真空，压实预浸料补片33、各电极触头和测量触头，过程中利用真空仪表16监测；

步骤五：在操作面板13上开启交变加热电源模块1，材料电阻大概为0.65欧姆，先初设电流为42A，再根据高精度电表7显示的电压、电流、电阻值进行电流密度、波形、频率调控，使树脂基碳纤维预浸料以2～5℃/min的升温速率升温至90℃左右，然后在此温度下保温半小时，再以1～3℃/min的升温速率升温至120℃左右，保温两小时，使待修复区域充分并且均匀的加热；

步骤七：固化完成后，关闭电源，关闭真空泵，待材料自然冷却至室温后，去除真空封装袋，以及材料上的若干热电偶，拆除快速拆装电极或者打磨突出的电极触头即可。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。