一种中温固化复合材料自加热成型修补装置的制作方法

本发明主要涉及复合材料补片修补技术领域，该装置是用一种新型混合材料，利用自身放热对修补片进行加热固化的装置。

背景技术：

而由于施工缺陷或检修过程中的机械破坏，以及服役过程中衬里材料的老化，不可避免的出现复合材料结构局部破损的情况。近年来，利用复合材料贴片修复金属构件的结构损伤，已在国内外得到了广泛的研究应用。20世纪70年代初期，澳大利亚航空研究所首先在飞机结构上使用复合材料的胶接修补技术。80年代，美国也开展了相应的研究，并对C-141进行了复合材料的修补。目前复合材料的损伤修补已形成一个较完整的体系。我国相关方面的研究起始于20世纪80年代中后期，主要包括修补设计、修补工艺等方面。

复合材料贴片是由胶粘剂和高强度纤维组成，无论是二次胶接的预浸料，还是现场固化的复合材料贴片，均需要一个恒定的温度场，使复合材料贴片和胶粘剂完全固化。因此，选择合适的固化方式是实现复合材料贴片修复技术快速、有效地关键因素之一。复合材料固化成型的方法有很多，目前最常用的固化方法是热补法、室温快速固化、紫外光固化法和微波固化法等。

1)热补法热补法主要是在真空条件下，利用加热设备使复合材料贴片固化，牢固粘结于损伤部位表面。利用热补法固化复合材料贴片修复零件部件损伤，在国内外已经得到广泛的研究和应用。热补法是以热补仪为核心，集成了除尘、干燥、真空加压、加热等功能与一体，修补质量比较高。

2)紫外光固化光固化是利用光敏胶固化速度快的特点，以光敏胶作基体树脂，用高强度纤维作为增强材料，制成预浸料修理补片，根据修复对象的需求，选择合适的修理补片，在光的辐照下而迅速固化，一达到对裂纹、空洞、腐蚀等损伤形式进行快速修复的方法。从理论上讲，各种波长的光段都可以引发固化反应，目前主要以紫外光固化修理为主。紫外光固化技术作为一项节能和环保型新技术，已在涂料、粘结剂等领域中获得广泛应用，将该技术用于树脂基复合材料的制备是近年来又一个新的发展方向。紫外光固化是在紫外光辐射下，材料体系中的光引发剂被激发，产生自由基或者阳离子，从而引发材料中不饱和双键等的物质间的化学反应(主要是各类聚合反应)，形成固化了的体型结构。目前，紫外光固化复合材料对含有人工缺陷的层合板试样具有良好的修补效果，采用紫外光固化复合材料修补贴片对缺陷进行修补是一种快速、有效的修补方法。

3)微波固化法微波固化是一种依靠物体吸收微波能将其转换成热能，使自身整体同时升温的加热方式二完全区别于其他常规加热方式。微波加热技术是通过被加热体内部偶极子高频往复运动，产生“内摩擦热”而使被加热物料温度升高，不须任何传导过程，就能使物料内部同时加热、同时升温，加热速度快且均匀，仅需传统加热方式的能耗的几分之一或几十分之一就可达到加热目的。微波加热的特点：加热均匀、速度快，选择性加热，易操作控制，强场高温，加热穿透能力强。

上述复合材料贴片固化方法都存在加热时间长，需要外界提供能量进行加热，需电源、热源，操作较为复杂，不能满足短时间修复功能，仪器较大不便于携带等缺点。针对这些问题，现设想发明一种中温固化复合材料自加热成型修补装置，依靠自身放热对贴片进行快速修补固化。

目前，现有技术中有自硫化橡胶采用自加热材料的加热硫化技术，但这种技术存在修补材料贴覆不牢，自加热材料混合不均和放热气体产物难以排出影响加热效果等问题。而现有技术中还未发现满足复合材料成型修补固化的自加热相关技术。

技术实现要素：

本发明的发明目的是提供一种中温固化复合材料自加热成型修补装置，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，加热温度时间满足复合材料贴片的固化要求，能使修补件得到优异的力学性能。

本发明的具体技术方案是一种中温固化复合材料自加热成型修补装置，包括将复合材料补片压紧在被修补的复合材料结构表面的真空加压层和加热层组件，其特征在于，

所述的真空加压层包括耐高温薄膜和安装在耐高温薄膜上的抽气口，所述的抽气口为单向阀，

所述的加热层组件包括自加热材料固体部分组成的自加热材料层、将自加热材料层贴紧在真空加压层外表面并包覆在自加热材料层外的保温层、注水口和排气口，所述的保温层包括最外层的耐高温薄膜、中间层的透气毡和内层的硅胶膜，所述的注水口和排气口安装在保温层上并分别穿过保温层与保温层包覆自加热材料层而形成的内腔连通，注水口和排气口为单向阀，

所述的自加热成型修补装置对所述的复合材料补片进行加热的方法为：1)将被修补的复合材料结构表面打磨平整、清理干净，将复合材料补片贴于修补部位上，2)将真空加压层盖于复合材料补片上，从抽气口抽气，使真空加压层将复合材料补片压紧在被修补的复合材料结构表面上，3)用保温层包覆自加热材料层，使自加热材料层覆盖在复合材料补片外侧，用胶带将保温层的边缘与被修补的复合材料结构表面粘贴在一起并密封，4)从注水口注水，并设定反应时间。

更进一步地，所述的自加热材料包括还原铁粉，活性炭，焦炭，氯化钠，碳酸钠，硅藻土，铝粉，氧化钙，氧化铝，水。

更进一步地，所述的自加热材料各组份按重量份计为：

还原铁粉1～10份，活性炭1～4份，焦炭1～2份，氯化钠0.5～2份，碳酸钠0.5～2份，硅藻土1～3份，铝粉1～4份，氧化钙1～3份，氧化铝2～8份，水10～40份。

更进一步地，所述的自加热材料各组份按重量份计为：

还原铁粉5份，活性炭2份，焦炭1.5份，氯化钠1份，碳酸钠1份，硅藻土2份，铝粉2份，氧化钙1.5份，氧化铝4份，水20份。

更进一步地，所述的硅胶膜的厚度为0.5mm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明的修补装置采用铁碳放热反应这种自加热方式对复合材料修补片进行加热固化；现有的自加热材料混合物反应过于剧烈，放热太快，放热时间较短，不能达到固化所需要的30分钟的时间。本发明采用的自加热材料中具有温度平衡剂氧化铝，加入温度平衡剂后，在放热过多或温度高于预期温度过多时吸收热量，以此降低最高温度，在温度低于预期温度过多时放出热量，使整个固化过程的温度能够在90℃上下小范围波动，从而使原本5～10min的放热时间延长为30～40min时间；

2)本发明的修补装置主要分为两大部分：真空加压层、加热层组件。加热层组件又可分为为保温层、加热层和注水口、排气口。保温层由三层组成，最外层为弹性橡胶膜，中间层选用保温效果较好的透气毡，最内层为0.5mm的硅胶膜。加热层主要由加热反应材料构成，注水口作用是为铁碳反应提供所需的反应水，排气口作用为排出铁碳反应所放出的H₂。真空加压层由PET耐高薄膜、抽气口组成，此层的目的是为复合材料固化提供所需的真空度要求；抽气口是一个单向阀结构，防止抽气后气体回流导致真空度不能达到固化所需的要求。

本发明的修补装置能够实现在无电条件下，依靠自身反应放热对损伤零件进行复合材料补片加热固化修补。整个修补装置结构简单、便于携带，操作方便快捷，保温效果好，反应充分平稳，能够满足复合材料贴片需要的温度时间等固化要求，能使损伤部位达到很高的力学性能。

附图说明

图1为本发明的中温固化复合材料自加热成型修补装置的结构示意图；

图2为本发明的中温固化复合材料自加热成型修补装置采用的自加热材料优选实施例的反应放热时的时间温度图。

图1中，1被修补的复合材料，2复合材料补片，3耐高温薄膜，4抽气口，5自加热材料固体部分，6保温层，7注水口，8排气口。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细说明。

如附图1所示，本发明的一种中温固化复合材料自加热成型修补装置，包括将环氧树脂基复合材料补片压紧在被修补的复合材料结构表面的真空加压层和加热层组件。

所述的真空加压层包括耐高温薄膜和安装在耐高温薄膜上的抽气口，所述的抽气口为单向阀。耐高温薄膜的材料为PET薄膜。

所述的加热层组件包括自加热材料固体部分组成的自加热材料层、将自加热材料层贴紧在真空加压层外表面并包覆在自加热材料层外的保温层、注水口和排气口，所述的保温层包括最外层的弹性橡胶膜、中间层的透气毡和内层的硅胶膜，透气毡为市购的聚酯透气毡。所述的注水口和排气口安装在保温层上并分别穿过保温层与保温层包覆自加热材料层而形成的内腔连通，注水口和排气口为单向阀。所述的自加热材料包括还原铁粉，活性炭，焦炭，氯化钠，碳酸钠，硅藻土，铝粉，氧化钙，氧化铝，水。所述的自加热材料各组份按重量份计为：还原铁粉1～10份，活性炭1～4份，焦炭1～2份，氯化钠0.5～2份，碳酸钠0.5～2份，硅藻土1～3份，铝粉1～4份，氧化钙1～3份，氧化铝2～8份，水10～40份。

所述的自加热材料的一种优选实施例，各组份按重量份计为：

还原铁粉5份，活性炭2份，焦炭1.5份，氯化钠1份，碳酸钠1份，硅藻土2份，铝粉2份，氧化钙1.5份，氧化铝4份，水20份。

如附图2所示，这种自加热材料的优选配方，完全可以达到固化修补环氧树脂基复合材料的要求，环氧树脂基复合材料的加热固化要求为：升温在3～5min，加热温度为85～95℃，能够保温30～35min。

使用此自加热固化方法可对环氧树脂基复合材料进行固化修补，对使用此方法进行固化的环氧树脂基复合材料进行拉剪强度测试，测量其值为专业热补仪固化强度的80％，说明此配方体系可以达到预期效果，此配方可以用来进行复合材料的加热固化修补。

本发明采用的自加热材料组合物反应原理是，还原铁粉和焦炭作为电极，是主要反应物；氯化钠提供离子，形成反应回路；活性炭做反应载体，存储水蒸气；硅藻土起催化作用；碳酸钙和碳酸钠起催化、辅助热源作用；铝粉激发反应；氧化铝作为温度平衡剂在放热过多或温度高于预期温度过多时吸收热量，以此降低最高温度，在温度低于预期温度过多时放出热量。自加热材料组合物中的氧化铝作为温度平衡剂，加入温度平衡剂后，在放热过多或温度高于预期温度过多时吸收热量，以此降低最高温度，在温度低于预期温度过多时放出热量，使整个固化过程的温度能够在90℃上下小范围波动，如附图2所示，从而使原本5～10min的放热时间延长为30～40min时间。整个配方组份和含量经过优化，产热持续时间长、反应平稳、成本低。

所述的自加热成型修补装置对所述的复合材料补片进行加热的方法为：1)将被修补的复合材料结构表面打磨平整、清理干净，去油污，将复合材料补片贴于修补部位上，2)将真空加压层盖于复合材料补片上，从抽气口抽气，使真空加压层将复合材料补片压紧在被修补的复合材料结构表面上，3)用保温层包覆自加热材料层，使自加热材料层覆盖在复合材料补片外侧，用胶带将保温层的边缘与被修补的复合材料结构表面粘贴在一起并密封，4)从注水口注水，并设定反应时间。在注水口对加热装置加水后，内部的自加热材料遇水发生反应，放出热量，同时产生大量的气体，主要是H₂，气体可从排气口排出。由于保温层的作用，使加热层与外界热量交换不大，大部分热量都能用于加热固化修补贴片。