用于复合材料构件损伤快速修复的装置及方法与流程

本发明属于复合材料构件修复技术领域，特别是涉及一种用于复合材料构件损伤快速修复的装置及方法。

背景技术：

目前复合材料由于其重量轻和强度大的优点而在军事装备中得到了广泛的应用。各种武器装备(如各种导弹和军用飞机)都大量采用先进复合材料，并且逐步向主承力结构上发展以代替重量大的金属，以此降低本身重量来增加用于战斗的载荷。例如坦克的装甲已经发展成铝合金装甲和复合装甲，其中轻质合金材料和复合材料是重要的组成部分。在训练或战时，装备及零部件经常会出现划伤、裂纹、断裂、撕裂、穿孔等损伤现象，严重影响装备的使用性能及战斗性能。由于轻质合金和复合材料的损伤修复不同于钢质零部件的修复，而目仍缺乏有效的技术手段对其进行快速修复，从而严重制约了这些装备作战和保障能力的发挥。利用聚合物基复合材料对损伤装备及其零部件进行粘结、粘贴、堵漏等，是战场抢修中应用最多、最普遍、最有效、最便捷的方法。但聚合物基复合材料在使用过程中，大多需要施加外界条件才能使其固化，达到使用要求。常用的方法有电热毯加热(加热、加压)、紫外光辐射等，这些方法虽然各具特点，但也存在各自的缺点和不足，难以满足战场条件下损伤快速修复的要求。如高温固化现场无加热设备，且需较长时间；室温固化不仅时间更长，而且牺牲了粘结强度；使用快速固化剂不仅牺牲粘结强度，而且材料的保质期短，不便储藏和运输，现场使用也极不方便。

微波作为一种全新的热能技术，具有加热速度快、加热均匀、温度可控、方便、无污染等优点，是近些年来一个很热门的研究方向。利用微波快速固化复合材料贴片来修复装备及零部件的损伤，是一项全新的技术，非常适用于战场抢修。微波修复需要利用微波加热设备实现，现有的复合材料构件修复微波加热设备中，微波发生器产生的微波，需要经过微波辐射器作用于待修复的复合材料表面，由于武器设备待修复位置的空间多狭小，难以大型设备操作，因此存在现有微波加热设备不能适用于空间狭小位置的零部件修复的问题，严重制约设备的常用场景和修复范围。此外，由于待修复零部件表面形状、高低不一，微波加热设备的微波辐射器与修复部位难以完全贴合，导致微波散发，使微波不能更多的作用于待修复部位。上述问题一方面降低了修复效率，更为重要的是，由于微波的泄漏会严重影响操作人员的身体健康；这些都是本领域技术人员所不希望见到的。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，本发明提供了一种用于复合材料构件损伤快速修复的装置及方法，以解决现有微波加热设备由于设备尺寸问题影响修复适用场景以及微波泄漏的技术问题。

一种用于复合材料构件损伤快速修复的装置，包括：微波发生器(1)、柔性波导管(2)、微波辐射器(3)和温度检测装置(4)；

所述微波发生器(1)包括电源(11)、磁控管输出功率控制器(12)和磁控管(13)，所述磁控管输出功率控制器(12)通过所述电源(11)与所述磁控管(13)连接；

所述微波辐射器(3)包括连接基座(31)、微波扩散罩(32)和微波防漏器(5)，所述连接基座(31)通过所述柔性波导管(2)连接所述磁控管(13)，所述微波扩散罩(32)为锥形结构，且所述微波防漏器(5)通过所述微波扩散罩(32)连接所述连接基座(31)；

所述温度检测装置(4)安装在所述微波扩散罩(32)内，且所述温度检测装置(4)与所述磁控管输出功率控制器(12)通信连接。

较佳的是，所述微波防漏器(5)和所述微波扩散罩(32)之间通过连接环(33)连接在一起。

较佳的是，所述微波防漏器(5)包括对接环(51)、伸缩筒(52)和贴合环(53)，所述对接环(51)的结构和尺寸与所述连接环(33)相适配，且所述对接环(51)与所述连接环(33)连接，所述伸缩筒(52)连接在所述对接环(51)和所述贴合环(53)之间。

较佳的是，所述贴合环(53)的表面涂覆有自粘结胶层。

较佳的是，所述伸缩筒(52)利用微波反射材料制成。

较佳的是，所述伸缩筒(52)利用吸波材料制成。

较佳的是，所述伸缩筒(52)所用基材为硅橡胶，且所述硅橡胶内掺杂混合有微波吸收材料。

较佳的是，所述微波吸收材料包括铁氧体粉、羰基铁粉、碳纤维和金属纤维中的一种或几种。

较佳的是，所述温度检测装置(4)为非接触式温度传感器。

本发明还公开了一种用于复合材料构件损伤快速修复的方法，所述方法基于上述的用于复合材料构件损伤快速修复的装置，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，利用磁控管输出功率控制器(12)设置待修复零部件表面的加热温度和保持时间；

步骤S2，在待修复零部件表面温度达到所述加热温度前，磁控管输出功率控制器(12)根据温度检测装置(4)调节电源(11)和磁控管(13)的输出功率，以持续对待修复零部件表面进行加热；

步骤S3，当待修复零部件表面温度达到所述加热温度时，磁控管输出功率控制器(12)根据温度检测装置(4)调节电源(11)和磁控管(13)的输出功率，以使待修复零部件表面温度保持在所述加热温度或保持在待修复零部件表面修复材料的最高温度阈值之下

与现有技术相比，上述发明具有如下优点或者有益效果：

一、本发明利用柔性波导管一端连接微波辐射器和微波发生器的磁控管，从而在在操作空间狭小的环境下，可以将体积较大的微波辐射器放置在空间充足的第一位置，然后操作人员将微波辐射器移动至修复位置，由于柔性波导管的角度能够进行弯折，能够方便的实现上述用于复合材料构件损伤快速修复的装置的分体布置，提高了设备的修复应用场景。

二、本发明的用于复合材料构件损伤快速修复的装置根据对待修复零部件表面温度的实时监测，自动控制磁控管输出功率，避免了发生复合材料加热温度不足导致材料无法固化或者加热温度过高损坏修复材料的问题，降低了对使用者的经验要求。

三、本发明中通过于微波辐射器的微波扩散罩的输出端设置微波防漏器，且该微波防漏器的伸缩筒可以利用微波反射材料或吸收材料制成，从而能够将可能泄漏的微波被伸缩筒反射回待修复零部件表面或被伸缩筒吸收使伸缩筒温度升高加热伸缩筒内部的空气，从而避免了能量损失并提高修复效率，且由于伸缩筒为柔性材料，当使用者将微波辐射器及微波防漏器靠近待修复零部件时，随着距离的接近，贴合环首先与待修复零部件接触，如果待修复零部件表面结构不平整，随着微波防漏器进一步靠近待修复零部件伸缩筒受压收缩并对贴合环施加压力，使柔性贴合环和伸缩筒在零部件凸起的位置内凹，从而实现了对待修复零部件的良好贴合，避免了微波泄漏对操作人员造成的健康损害。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未可以按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明实施例中用于复合材料构件损伤快速修复的装置示意图；

图2为本发明实施例中未设置微波防漏器的微波辐射器和波导示意图；

图3为本发明实施例中设置有微波防漏器的微波辐射器和波导示意图；

图4为图3中的微波辐射器剖面示意图；

图5为用于复合材料构件损伤快速修复的方法流程图。

其中，1是微波发生器，11是电源，12是磁控管输出功率控制器，13是磁控管，2是柔性波导管，3是微波辐射器，31是连接基座，32是微波扩散罩，33是连接环，34是输出天线，35是辐射腔，4是温度检测装置，5是微波防漏器，51是对接环，52是伸缩筒，53是贴合环。

具体实施方式

本发明公开了一种用于复合材料构件损伤快速修复的装置，包括：微波发生器、柔性波导管、微波辐射器和温度检测装置；所述微波发生器包括电源、磁控管输出功率控制器和磁控管，所述磁控管输出功率控制器通过所述电源与所述磁控管连接；所述微波辐射器(3)包括连接基座、微波扩散罩和微波防漏器，所述连接基座通过所述柔性波导管连接所述磁控管，所述微波扩散罩为锥形结构，且所述微波防漏器通过所述微波扩散罩连接所述连接基座；所述温度检测装置安装在所述微波扩散罩内，且所述温度检测装置与所述磁控管输出功率控制器通信连接。

下面结合附图和具体的实施例对本发明进行进一步的说明，但是不作为本发明的限定。

如图1～4所示，本发明公开了一种用于复合材料构件损伤快速修复的装置，具体的，该装置包括：微波发生器1、柔性波导管2、微波辐射器3和温度检测装置4，该微波发生器1包括电源11、磁控管输出功率控制器12和磁控管13，该电源11的输出端子连接磁控管13，该磁控管输出功率控制器12连接电源11；该柔性波导管2的一端连接微波发生器1的磁控管13，另一端连接微波辐射器3；该微波辐射器3包括连接基座31、微波扩散罩32、连接环33和微波防漏器5，该微波扩散罩32为锥形结构，该连接基座31设置在微波扩散罩32的输入端(即锥形结构的小口径端)，连接环33设置在微波扩散罩32的输出端(即锥形结构的大口径端)；温度检测装置4安装在微波扩散罩32内，以用于检测复合材料构件损伤修复部位的表面温度，且该温度检测装置4与磁控管输出功率控制器12通信连接以将检测的温度数据传输给磁控管输出功率控制器12；该装置利用柔性波导管2一端连接微波发生器1的磁控管13，另一端连接微波辐射器3；从而在操作空间狭小的环境下，可以先将体积较大的微波辐射器3放置在空间充足的第一位置，然后操作人员将微波辐射器3移动至修复位置，由于柔性波导管2的角度能够进行弯折，能够方便的实现上述设备的分体布置，提高了设备的修复应用场景；该微波防漏器5用于防止微波泄漏。

具体的，结合图2、图3和图4，上述微波防漏器5包括对接环51、伸缩筒52和贴合环53，该对接环51的结构和尺寸与微波辐射器3的连接环33相适配，且该对接环51与连接环33连接，伸缩筒52的一端连接对接环51，另一端连接贴合环53，优选的，该贴合环53采用柔性材料。

在本发明的一个优选的实施例中，上述伸缩筒52利用微波反射材料制成，伸缩筒52内为辐射腔35。例如伸缩筒52利用导电性能好的金属制成。又例如，伸缩筒52所用基材为硅橡胶，硅橡胶内掺杂混合有微波反射材料，优选的，该微波反射材料为圆形微波反射金属薄片，且该薄片的直径尺寸优选在0.5mm以下；且由于伸缩筒52利用微波反射材料制成时，因此伸缩筒52可以将可能泄漏的微波反射回待修复零部件表面，从而提高使用者的安全性，避免能量损失，提高了修复效率，而且避免了微波泄漏对操作人员造成的健康损害。在如图2和图4中，还示出了安装在微波扩散罩内的输出天线34。

在本发明的另一个优选的实施例中，上述伸缩筒52利用吸波材料制成，伸缩筒52内为辐射腔35。例如，伸缩筒52所用基材为硅橡胶，硅橡胶内掺杂混合微波吸收材料。优选的，该微波吸收材料为铁氧体粉、羰基铁粉、碳纤维和金属纤维中的一种或几种，以及复合铁氧体、超微金属粒子、碳化硅、有机高分子聚合物(功能高分子)纳米材料等。在如图2和图4中，还示出了安装在微波扩散罩内的输出天线34。由于伸缩筒52为柔性材料，当使用者将微波辐射器3及微波防漏器5靠近待修复零部件时，随着距离的接近，贴合环51首先与待修复零部件接触，如果待修复零部件表面结构不平整，随着微波防漏器进一步靠近待修复零部件伸缩筒52受压收缩并对贴合环51施加压力，从而使贴合环52和伸缩筒52在零部件凸起的位置内凹，从而实现对待修复零部件的良好贴合。进行微波加热时，原本泄漏部位的微波由于被伸缩筒52阻挡，微波被吸收并使伸缩筒52温度升高，能够加热伸缩筒52内部的空气，从而增强零部件修复加热的整体效果，而且避免了微波泄漏对操作人员造成的健康损害。

另外，上述装置对大多数待修复零部件都能够实现良好的微波屏蔽，但是当零部件表面形状起伏大或起伏较多，部分位点仍存在密封不严的可能，并且单人操作难以兼顾不同位点的密封。因此对上述实施例进一步改进，在一种优选的用于复合材料构件损伤快速修复的装置实施例中，上述贴合环53的表面涂覆有自粘结胶层，从而使得微波防漏器5的防漏效果更好。

在本发明的一个优选的实施例中，上述温度检测装置4为非接触式温度传感器；例如采用利用红外原理的非接触式温度传感器。

本发明通过设置温度检测装置，将待修复零部件表面的复核材料实际温度信息实时传递至磁控管输出功率控制器，通过磁控管输出功率控制器对电源进行控制，以最终实现对微波发生器输出功率的控制，因此，如图5所示，上述利用用于复合材料构件损伤快速修复的装置实现的一种复合材料构件损伤快速修复方法包括以下步骤：

步骤S1，使用者利用磁控管输出功率控制器12设置待修复零部件表面的加热温度和保持时间；

步骤S2，在待修复零部件表面温度达到所述加热温度前，磁控管输出功率控制器12根据温度检测装置4调节电源11和磁控管13的输出功率，以持续对待修复零部件表面进行加热；

步骤S3，当待修复零部件表面温度达到所述加热温度时，磁控管输出功率控制器12根据温度检测装置4调节电源11和磁控管13的输出功率，以使待修复零部件表面温度保持在所述加热温度或保持在待修复零部件表面修复材料(即复合材料贴片)的最高温度阈值之下。

其中，上述最高温度阈值是指待修复零部件表面修复材料(即复合材料贴片)固化过程中的最高加热温度，超过该温度会影响待修复零部件表面修复材料固化后的某一或某些关键性能指标。

本领域技术人员应该理解，本领域技术人员在结合现有技术以及上述实施例可以实现变化例，在此不做赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

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