易于使用的套件可实现复合结构的现场修复：无经验人员1个小时即可完成修复
Carbon
Tech
易于使用的套件
可实现复合结构的现场修复
■ 便携式套件可以使用紫外线固化玻璃纤维/乙烯基酯或室温存储碳纤维/环氧树脂预浸料和电池供电固化设备进行修补。
◎ UV 固化预浸料补片修复
◎ 图片来源：Custom Technologies LLC
尽管Custom Technologies LLC为复合材料桥梁开发的碳纤维/环氧预浸料现场修复被证明是简单快捷的，但我们开发了一种使用玻璃纤维增强 UV 固化乙烯酯树脂预浸料的更方便的系统。
模块化可部署桥梁是军事战术行动和后勤以及在自然灾害期间恢复运输基础设施的关键资产。目前正在研究复合结构，以减轻这种桥梁的重量，从而减轻运输车辆和发射回收机制的负担。与金属桥梁相比，复合材料还具有提高承载能力和延长使用寿命的潜力。
高级模块化复合材料桥 (AMCB) 就是一个例子，由Seemann Composites LLC（美国密西西比州格尔夫波特）和Materials Sciences LLC（美国宾夕法尼亚州霍舍姆）使用碳纤维增强环氧树脂层压板（图 1）设计和建造。然而，在现场修复此类结构的能力一直是采用复合材料的一个阻碍。
图1 复合材料桥梁，关键的现场资产
先进模块化复合材料桥(AMCB)是由Seemann Composites LLC和Materials Sciences LLC设计和制造的，使用碳纤维增强环氧树脂复合材料。
图片来源：Seeman Composites LLC （左）和美国陆军（右）。
2016 年，Custom Technologies LLC（美国马里兰州米勒斯维尔）获得了美国陆军资助的小型企业创新研究 (SBIR) 第一阶段拨款，用于开发一种可由士兵在现场成功执行的修复方法。基于这种方法，2018年获得了SBIR第二阶段拨款，用于演示新材料和电池驱动设备，即使补丁修复是由没有事先培训的新手进行的，也可以恢复结构原始强度的 90% 或更多。通过进行一系列分析、材料选择、试件制作和力学测试任务，以及小规模和全面修复，确立了该技术的可行性。
从破裂的船甲板到桥面
两个 SBIR 阶段的主要研究人员是 Custom Technologies LLC 的创始人兼总裁 Michael Bergen。Bergen从海军水面作战中心 (NSWC) Carderock 退休，在结构和材料部任职 27 年，在那里他管理美国海军舰队复合技术的开发和应用。Roger Crane 博士于 2011 年从美国海军退役后于 2015 年加入 Custom Technologies，并服务了 32 年。他的复合材料专长包括技术出版物和专利，涵盖新复合材料、原型制造、连接方法、多功能复合材料、结构健康监测和复合材料修复等主题。
这两位专家已经开发了一种独特的方法，使用复合材料修复美国提康德罗加号CG-47级导弹巡洋舰5456铝制上的超结构裂缝。Bergen说:“开发这种工艺是为了减少裂纹扩展，并作为一种可负担得起的替代方案，而不是花费2-4百万美元来更换桥面板。”“因此，我们已经证明了我们知道如何在实验室之外和真实的服务环境中进行维修。但挑战在于，目前用于军事资产的方法并不十分成功。”
他接着说，我们需要的是一种可以由没有复合材料经验的士兵执行的方法，只需要一个工具箱和维修手册。我们的目标是让这个过程变得简单：阅读手册，评估损坏并进行修复。我们不希望任何液体树脂的混合，因为这需要精确的测量以确保完全固化。我们还需要一个在维修完成后没有危险品废物的系统。它必须被包装成套件，可以通过现有的网络部署。”
新型粘合贴片材料
Custom Technologies 成功展示的一个解决方案是一种便携式套件，该套件可以使用增韧环氧树脂粘合剂根据损伤的大小（最多 12 平方英寸）定制粘合复合贴片。演示是在代表3英寸厚AMCB甲板的复合材料上完成的，其特点是3英寸厚的轻木芯(每立方英尺密度15磅)和由两层Vectorply 公司（亚利桑那州凤凰城， US) C-LT 1100 碳纤维 0°/90° 双轴缝合织物，一层 C-TLX 1900 碳纤维 0°/+45°/-45° 三轴和两层 C-LT 1100 共五层组成的面板。“我们决定该套件将使用类似多轴的准各向同性铺设的预制补丁，这样织物的方向就不会成为问题，”Crane说。
下一个问题是用于层压修复的树脂基质。为了避免混合液体树脂，贴片将使用预浸料。“然而，这些设备的挑战在于存储，”Bergen解释道。为了开发可储存的贴片解决方案，Custom Technologies 与Sunrez Corp.（美国加利福尼亚州埃尔卡洪）合作开发了一种玻璃纤维/乙烯基酯预浸料，可在六分钟内使用紫外线 (UV) 光固化。它还与Gougeon Brothers（美国密歇根州贝城）合作，建议使用新型柔性环氧树脂薄膜。
早期的研究已经证明，环氧树脂是最适合碳纤维预浸的树脂——紫外光固化乙烯酯对半透明的玻璃纤维效果很好，但在阻挡光的碳纤维下却不能固化。基于Gougeon Brothers的新型薄膜，最终的环氧预浸料在210°F/99°C下固化1小时，在室温下保存寿命很长，不需要低温储存。Bergen 说，如果需要更高的玻璃化转变温度 (T g ) ，树脂也会在更高的温度下固化，例如在 350°F/177°C 。两种预浸料都在便携式维修套件中提供，作为密封在塑料薄膜信封中的预浸料补片叠层。
由于维修套件可能会长时间存放，因此需要 Custom Technologies 进行保质期研究。“我们购买了四个硬塑料外壳——典型的军事用于运输设备的类型——并将环氧粘合剂和乙烯基酯预浸料的样品放入每个外壳中，”Bergen 说。然后将这些箱子放在四个不同的位置进行测试：密歇根州 Gougeon Brothers 工厂的屋顶、马里兰州机场的屋顶、Yucca Valley（加利福尼亚沙漠）的户外设施和户外腐蚀测试实验室在佛罗里达州南部。所有案例都有数据记录器，Bergen 指出，“我们每三个月提取一次数据和材料样本进行评估。佛罗里达州和加利福尼亚州的箱子记录的最高温度为 140°F，这对大多数修复树脂来说是一个真正的挑战。” 此外，Gougeon Brothers 内部测试了新开发的纯环氧树脂。“在 120°F 的烤箱中放置数月的样品开始聚合，”Bergen 说。“然而，对于相应的110°F温度下的样品，树脂化学作用只提高了很小的一部分。”
维修检测
为了展示修复技术，必须制造出具有代表性的层压板，对其进行损坏和修复。Crane说:“在第一阶段的项目中，我们最初使用的是小规模的4 × 48英寸梁和四点弯曲测试，以评估修复过程的可行性。”“在二期工程中，我们使用了12 × 48英寸的面板，通过施加载荷对故障产生双轴应力状态，然后评估修复性能。在第二阶段的项目中，我们还完成了对我们建造的AMCB模型的维修。”
修复工作在测试板和AMCB的比例模型上进行了验证，AMCB使用了与Seemann Composites建造的原始桥梁相同的层压板和核心材料。
图片来源:Custom Technologies LLC
Bergen表示，用于演示修复性能的测试板与Seemann Composites制造的AMCB的层压板和芯材使用的材料相同，“但我们根据平行轴定理将面板厚度从0.375英寸缩小到0.175英寸。这种方法，连同梁理论和经典层压板理论(CLT)的附加元素，被用于将全尺寸AMCB的转动惯量和有效刚度与更易于处理、成本效益更低的演示产品联系起来。然后，我们使用 XCraft Inc.（美国马萨诸塞州波士顿）开发的有限元分析 [FEA] 模型来改进结构维修的设计。”
Bergen解释说:“我们想模拟的是测试板的损伤程度要高于现场桥面板的损伤程度。”“所以，我们的方法是用孔锯打一个直径为3英寸的孔。然后我们把破损材料的插头拔出来，用手持式气动研磨机以12:1的速度打磨。”
Crane 解释说，对于碳纤维/环氧树脂修复，一旦“损坏”的面板材料被移除并应用适当的围巾，预浸料就会被切割成宽度和长度以匹配损坏区域的锥度。“对于我们的测试面板，这需要四层预浸料，使修复材料与原始未损坏的碳面板的顶部保持一致。在此之后，碳/环氧树脂预浸料的三个覆盖层集中在该修复部分上。每个连续的层在下面层的所有边上延伸 1 英寸，这提供了从“良好”周围材料到修复区域的逐渐负载转移。” 执行此修复的总时间——包括修复区域准备、切割和放置修复材料以及应用固化程序 ——大约为 2.5 小时。
步骤 1.此测试面板显示 3 英寸孔直径，以模拟标记在中心的损坏以及修复周长。
所有步骤的照片来源：Custom Technologies LLC
步骤 2.使用电池供电的手动研磨机去除损坏的材料，并以 12:1 的锥度围住修复补丁。
对于碳纤维/环氧树脂预浸料，修复区域采用真空包装并使用电池供电的热粘合机在 210°F/99°C 下固化一小时。
尽管碳/环氧树脂修复简单、快速，但该团队认识到，有必要采用更合适的解决方案来恢复性能。这导致了对紫外线(UV)固化预浸料的探索。Bergen解释说:“对Sunrez乙烯基酯树脂的兴趣来自于公司创始人Mark Livesay之前在海军的经验。“我们首先向Sunrez提供一种准各向同性的玻璃纤维，以预浸乙烯基酯，并评估不同条件下的固化特性。此外，乙烯基酯树脂不能像环氧树脂那样提供合适的二级粘合性能，因此需要额外的努力来评估各种粘合线偶联剂，并确定一种适合这种应用。”
另一个问题是，玻璃纤维不能提供与碳纤维相同的机械性能。Crane说:“与碳/环氧树脂补丁相比，我们可以通过增加一层玻璃/乙烯基酯来解决这个问题。”“之所以只需要增加一层，是因为玻璃材料是一种更重的织物。”这就产生了一种合适的贴片，即使在非常寒冷/冰冻的现场温度下，也可以在6分钟内固化，而不需要提供热量。Crane 指出，这种修复可以在1小时内完成。
两种补丁系统都经过了演示和测试。对于每一次修复，将被损坏的区域标记出来(步骤1)，用孔锯创建，然后使用电池驱动的手动磨床移除(步骤2)。然后将修复区域切成12:1的锥度。用酒精垫清洁斜线表面(步骤3)。接下来，将修补贴片切割成合适的尺寸，放在清洁表面上(步骤4)，并用滚轮固定以去除气泡。玻璃纤维/ UV固化乙烯基酯半固化片,然后将剥离层放置在修复区域上，并使用无绳紫外线灯固化贴片六分钟（步骤 5）。对于碳纤维/环氧树脂预浸料，使用预编程、一键式、电池供电的热粘合机在 210°F/99°C 下对修复区域进行真空包装和固化一小时。
Bergen说:“然后我们进行了测试，以评估贴片的粘合能力和恢复结构承载能力的能力。”“在第一阶段，我们被要求证明易于使用，并且能够恢复至少75%的强度。这是在修复模拟损坏后在 4 x 48 英寸碳纤维/环氧树脂和轻木芯梁上以四点弯曲完成的。第二阶段的项目使用了12 × 48英寸的面板，在复杂的应变载荷下必须显示超过90%的强度要求。我们满足了所有这些要求，然后拍摄了AMCB模型上的维修方法，为如何使用内场技术和设备提供了视觉参考。”
维修步骤 左右滑动查看更多
步骤3
步骤4
步骤5
步骤6
新手成功，未来应用
该项目的一个关键方面是证明一个新手可以轻松地完成修复。为了做到这一点，Bergen有了一个想法:“我答应给我们在陆军的两个技术联络点:Bernard Sia博士和Ashley Genna做一个演示。在对第一阶段项目的最后审查时，我请Ashley进行修复，她之前没有任何修复经验。使用我们提供的工具和使用手册，她补上了补丁，完成了修复，没有任何问题。”
另一个关键的进展是电池驱动的固化系统(图2)。“我们开发的维修套件中的所有工艺设备都是无线的。”其中包括Custom Technologies与热焊接器供应商WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Md.， U.S.)共同开发的电池驱动热焊接器。Crane说:“这种电池供电的热粘合机经过预先编程以完成固化，因此新手无需为固化周期编程。”“他们只需按下按钮，就可以完成适当的坡度和浸泡。”目前使用的电池可以使用一年，然后才需要充电。
图2电池供电的固化
预编程、电池供电的热粘合机只需按一下按钮即可固化碳纤维/环氧树脂修复补丁，无需修复知识或固化周期编程。
图片来源：Custom Technologies, LLC
随着第二阶段项目的完成，Custom Technologies 正在准备后续改进提案并收集对此感兴趣的支持者。“我们的目标是将这项技术成熟到 TRL 8 并将其推向现场，”Bergen 说。“我们也看到了非军事应用的潜力。”
本文来源：compositesworld