粘结材料的方法和设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及一种复合材料，更具体而言涉及用于加热复合材料的粘结部分的设备和方法。
【背景技术】
[0002]复合材料通常由具有显著不同的物理或化学特性的两种或更多种组成材料制成。通常，组成材料包括基体(或粘结)材料诸如树脂(例如，热固性环氧树脂)和增强材料诸如多个纤维(例如，碳纤维的编织层)。当被结合时，组成材料通常产生特性与个体组成材料都不同的复合材料，即使组成材料在复合材料的完成结构内一般保持分离和不同也是如此。碳纤维增强聚合物就是这种复合材料的一个例子。
[0003]由于许多原因，复合材料都可能是优选的。例如，复合材料会比常规材料更坚固和/或更轻。结果，复合材料一般用来构成各种物体，诸如交通工具(诸如，飞机、汽车、船舶、自行车和/或其组成部件)和非交通工具结构(例如，建筑物、桥梁、游泳池面板、淋浴室、浴缸、储油槽和/或其组成部件)。
[0004]偶尔，这些复合材料可能受到损坏，在这种情况下，相比于将受损复合材料完全替换掉，对受损复合材料进行修复可能是优选的。目前，通过将基体材料局部(或在原地)固化在现有受损的复合材料上的热覆层进行复合材料修复。然而，使用这种热覆层具有各种相关问题，例如，不均匀加热、错位加热、加热速度缓慢、固化时间长、热逃逸和/或缺乏足够的温度控制。
【发明内容】
[0005]一种粘结材料的方法可以包括:在对象的表面上的固化区域中在两个材料之间限定粘结界面；以及在不直接加热所述固化区域之外的表面的情况下对所述粘结界面进行非传导加热。
[0006]另一个粘结材料的方法可以包括在对象的表面上限定粘结区域。所述表面可以包括待修复的变形。可以将补丁材料设置在变形附近。可以将壳体施加至所述粘结区域。所述壳体可以具有位于内侧的至少一个微波发射器。所述发射器可以指向所述粘结区域。所述壳体被构造成防止微波发射器辐射到达所述粘结区域之外的表面。可以将微波辐射发射到所述粘结区域，直到所述补丁被适当地粘结至所述对象。
[0007]—种用于粘结材料的设备可以包括壳体和一个或多个微波发射器。所述壳体可以具有内侧和开口。所述一个或多个微波发射器可以位于所述壳体的内侧。所述壳体被构造成安装在具有需要修复的缺陷的表面上。所述壳体的开口可以邻近所述表面并且可以包围所述缺陷，所述壳体和所述表面形成基本封闭的腔室。
[0008]本公开提供了提供了各种设备及其使用方法。在一些实施方式中，设备可以包括加热装置、间隔机构和屏蔽机构、在一些实施方式中，所述加热装置可以是非传导、非对流加热装置，诸如一个或多个微波发射器。在一些实施方式中，所述间隔和屏蔽机构可以是壳体，所述一个或多个微波发射器可以联接至该壳体。所述特征、功能和优点可以在本公开的各种实施方式中独立地实现，或者可以在另外其他实施方式中组合。参照如下描述和附图可以看到其进一步的细节。
【附图说明】
[0009]图1是例示性设备和例示性对象的框图。
[0010]图2是具有受损外表面和受损内表面的飞机的图不。
[0011]图3A是图2的受损外表面的剖视图。
[0012]图3B是准备利用补丁进行修复的受损外表面的剖视图。
[0013]图3C是一设备的示意性图示，该设备包括联接至受损外表面以加热补丁和受损外表面之间的粘结界面的壳体。
[0014]图3D是类似于图3C的示意性图示，但是示出了处于固化状态的粘结界面。
[0015]图4A是另一个受损表面的剖视图。
[0016]图4B是准备好利用一对对置的补丁进行修复的图4A的受损表面的剖视图。
[0017]图4C是处于重构状态中的图3C的设备以及类似于图3C的设备的第二设备的示意性图示，其中这些设备被联接至图4B的准备好的受损表面以将所述补丁和准备好的受损表面之间的相应粘结界面加热。
[0018]图5是用于将所述补丁和准备好的受损表面之间的相应粘结界面加热的另选布置的示意性图示。
[0019]图6是图3C的两个设备的示意性图示，这两个设备被重构以优化发射廓线(profile)来补充粘结界面的形貌。
[0020]图7是处于另一个重构状态中的图3C的设备的半示意性立体图示，并且示出了联接至壳体的温度传感器和极化机构。
[0021]图8是沿着线8-8截取的图7的设备的剖视图。
[0022]图9是例示性粘结固化循环的图表。
[0023]图10是图示了用于粘结材料的方法的流程图，包括非传导加热爬坡温升阶段、驻留阶段和冷却阶段。
[0024]图11是由用于非传导加热爬坡温升阶段的反馈环的一个实施方式进行的操作的图示。
[0025]图12是由用于驻留阶段的反馈环的一个实施方式进行的操作的图示。
[0026]图13是由用于冷却阶段的反馈环的一个实施方式进行的操作的图示。
[0027]图14是图示了用于粘结材料的另一个方法的流程图。
[0028]图15是图示了用于粘结材料的又一个方法的流程图。
[0029]图16是例示性数据处理系统的示意图。
【具体实施方式】
[0030]
[0031]下面描述并在相关附图中例示了用于粘结材料的设备和方法的各种实施方式。除非另有明确说明，设备或方法和/或它们的各种组成部件或步骤可以但是不要求包含在这里描述的、例示的和/或结合的结构、组成部件、功能和/或变型中的至少一个。此外，在这里连同所述设备和方法一起描述、例示和/或结合的这些结构、组成部件、功能和/或变型可以但不要求包括在其他类似的设备或方法中。如下各种实施方式的描述在本质上仅仅是示例性的，绝不是用来限制本公开、其应用或使用。另外，由如下描述的实施方式提供的优点在本质上是例示性的，并且并非所有的实施方式都提供相同的优点或相同程度的优点。
[0032]具体示例、主要组成部件和另选方案
[0033]示例I
[0034]该示例描述了用于将材料粘结至对象的例示性设备，参见图1。
[0035]图1是总体以附图标记20表示的设备以及总体以附图标记22表示的对象的示意图。对象22可以包括由复合材料24制成的组成部件。复合材料24可以具有表面特征26。设备20可以被联接至复合材料24以将新特征28粘结至表面特征26。在一些实施方式中，表面特征26可以是复合材料24中的缺陷，在这种情况下，新特征28可以是修复补丁，并且可以在将新特征28粘结至复合材料24之前准备和/或改变表面特征26。
[0036]设备20可以包括非传导、非对流加热装置30。例如，加热装置30可以包括一个或多个微波发射器(例如，一个或多个磁控管)。所述一个或多个微波发射器可以是可操作的，以发射微波辐射而对新特征28和表面特征26之间的粘结界面32进行非传导和非对流加热。粘结界面32可以包括复合物形成的粘结部分，诸如一层可热固化(或热固性)基体材料。装置30可以对粘结部分适当地加热以使该粘结部分固化，并因而将新特征28粘结至早已存在的复合材料24。
[0037]设备20可以包括间隔机构34以在装置30和粘结界面32之间提供适当间隔。例如，从装置30发射的微波辐射可以具有波长λ，在这种情况下，由机构34提供的合适间隔可以是至少λ/4。在一些实施方式中，机构34提供的间隔也可以小于λ/4。然而，微波加热通常在λ/4的奇数倍(例如，λ/4、3λ/4、5λ/4等)时最大。因而，如果所提供的间隔小于波长的四分之一(例如，λ/5)，则将粘结界面32加热到合适程度可能涉及长时间操作装置30和/或发射具有更大幅度的辐射。
[0038]在一些实施方式中，机构34可以布置在装置30和粘结界面32之间。例如，机构34可以是基本上透微波的一层泡沫或塑料。在其他实施方式中，机构34可以布置在所提供的间隔之外。例如，机构34可以是可供连接或联接装置30的框架或壳体。
[0039]设备20可以包括屏蔽机构36。屏蔽机构36可以被构造成基本容纳屏蔽机构36和复合材料24之间的所有(或大部分)发射的辐射。例如，屏蔽机构36可以由具有高耗损因数的材料(例如钢或铝)制成。在一些实施方式中，屏蔽机构36可以是提供装置30和粘结界面32之间的间隔的壳体。
[0040]示例 2
[0041]该示例描述了用于将材料粘结至对象的另一个例示性设备，参见图2至图7。
[0042]图2描绘了例示性对象40。对象40可以包括一个或多个组成部件，诸如机身蒙皮、机翼蒙皮、框架、多个地板梁和/或多个水平稳定器。所述一个或多个组成部件可以由一种或多种复合材料制成，诸如层状材料、蜂窝状材料和/或在美国专利N0.8，490，348和N0.8，642，168中描述的各种示例性复合材料中的一种或多种。尽管图2示出了对象40是飞机，但是该对象可以是任何其他适当的结构，诸如汽车或建筑物。
[0043]在一些情况下，可能期望在对象的一部分上限定粘结(或固化)区域。例如，可能期望限定粘结区域以便向对象40的其中一个组成部件的已有表面特征添加新的表面特征。新的表面特征的示例可以包括附加的增强层和/或用于安装又一个特征的新的凸缘。在目前的示例中，可能期望在对象40的外表面44上限定粘结区域42，以便修复已有的表面特征，诸如缺陷(或变形或受损区域)46。另选地或附加地，可能期望在对象40的内表面50上限定粘结区域48以修复缺陷52。例如，缺陷46和/或缺陷52可以是冲击(例如，由于技术人员将工具掉落在表面上，或与另一个对象碰撞)、减压应力或火灾损坏造成的。在一些情况下，缺陷46或52中的任一个都可能需要修复，以便对象40安全地操作。在其他情况下，这些缺陷中的任一个可能是不需要修复的外观缺陷，但是仍然期望进行修复。
[0044]图3A不出了在这里表不为附图标记100的复合材料的表面44中的缺陷46的剖视图。材料100可以是包括已有基体材料104 (例如已经固化的热固性粘合剂或环氧树脂)和已有的增强材料108 (例如多个编织碳纤维层)的层压件。在图3A中，缺陷46被示出为表面44中的、延伸穿过多层增强材料108的凹口(或裂口)。在其他示例中，所述缺陷可以延伸穿过材料100的更少或更多部分。例如，所述缺陷可以为表面44中的划痕，或者可以是一直延伸穿过材料的孔洞(例如，如图4A所示)。
[0045]将缺陷46准备好进行修复可以涉及将复合材料100的一部分去除(例如，通过接近缺陷46对材料100进行砂磨和/或研磨)。例如，准备缺陷46可以涉及使受损区域成锥形，如图3B中所示。优选地，缺陷46的边缘部分可以以大约30:1的锥度比成锥形(例如，使得边缘的取向可以从表面44的取向偏离仅大约1.5度)。然后可以利用允许用的溶剂对缺陷46进行清洁。
[0046]可以通过将多个复合材料的维修层片124粘结在一起而产生补丁(或补丁材料)120。层片124可以包括交替层的基体材料和增强材料或任何其他合适的材料组合。
[0047]补丁 120可以靠近缺陷46定位。例如，可以将一层粘合剂膜128布置在定位织物的第一层132和第二层136之间。膜128可以是基体材料，例如热固性粘合剂。层132、136可以是增强材料片。膜128和层132、136可以定位在缺陷46中，从而层136接触缺陷46。然后可以将补丁 120定位在缺陷46中(例如，使得补丁 120接触层132)，以在补丁 120和复合材料100之间限