[发明专利]复合材料微波无损检测、快速修复与实时监测的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料构件无损检测、快速修补和固化过程在线监测技术，尤其是一种一体化检测修复技术，具体地说是一种复合材料微波无损检测、快速修复与实时监测的方法及装置。

背景技术

目前，随着航空器对轻量化的要求进一步提高，复合材料在飞机结构件上的使用量逐渐超过金属材料。但是，飞机复合材料构件在受到剧烈冲击、震动、雷击、鸟撞、烧蚀等外部作用时，很容易出现破损、疲劳断裂、分层脱胶等损伤，这些损伤大部分需要在飞机使用过程中进行检测及修补。传统的飞机复合材料构件外场修补采用热补法，即利用电加热毯覆盖修补区域，通过热量传导的方式加热固化修补区域的补片。近年来又出现了微波外场快速修复设备即利用微波源产生的微波并通过辐射天线辐照至修补区域，使得修补区域的复合材料补片由内到外均匀发热并固化。虽然微波外场快速修补法较热补法具有更快的升温速率，温度均匀性也更好，但是仅凭借材料温度难以精确控制微波场功率，且修补区域的固化反应过程无法实时监测，由此可能会导致微波固化后的修补区域出现局部温度过高、固化质量难以控制等情况。

在实际的外场修复过程中，首先要对材料进行无损检测，以确定构件的损伤类型、位置与尺寸。传统的检测方式主要运用超声波检测，但超声波在复合材料介质内衰减大，穿透能力差，很难准确的探测待修复区域的损伤情况。另外，超声波探伤往往需要在制件表面涂抹有毒或是有腐蚀性的液体耦合剂，这对制件质量和作业人员都有非常大的伤害。近年来提出了一种复合材料微波无损检测手段。由于微波在复合材料中穿透性强，衰减弱，测量精确，且小功率的微波不会对材料产生影响，可在无任何耦合剂的情况下精准测量出复合材料内部的损伤外形，尺寸，位置等信息。

为提高复合材料外场快速检修的质量和效率，急需提供一种复合材料微波检测、快速修复与固化监测方法和装置。

发明内容

本发明的目的是针对现有的复合材料构件修得时检测和修复分开进行且修复过程中不能实时控制修复质量的问题，发明一种高度集成的，包含无损检测和快速固化以及材料固化状态在线监测等功能的复合材料微波无损检测、快速修复与实时监测的方法，同时提供一种相应的装置。它利用同一个微波源产生微波信号，该信号可直接辐照至材料受损区域，通过接受并处理材料的回波信号可得到材料的损伤信息；同时该信号还可通过有源放大器进行功率放大，利用辐射器辐射至材料对材料进行加热固化；在加热固化的同时，利用半球面收发器接收材料的回波，根据该回波信息，计算回波的功率衰减，实时得到材料的固化度和介电性能的变化。固化过程中，根据固化过程中材料的温度变化和固化度的变化，智能控制微波源的输出功率和频率，高效的解决了微波在对材料进行加热时温度场分布不均匀的问题，提高了复合材料修复速度和修复质量。

本发明的技术方案之一是：

一种复合材料微波无损检测、快速修复与实时监测的方法，其特征在于：首先，使用同一微波源与收发天线实现微波无损检测复合材料损伤区域；其次，根据检测结果，启动微波加热固化待修复区域；第三在固化修复的同时监测复合材料的固化状态，实时调整修复工艺；其中，检测、监测与修复能同时进行、分步进行或单独进行操作。

所述的微波检测、修复与监测的频率在300MHz至300GHz之间。

所述的微波检测、修复与监测的频率在2GHz至8GHz之间。

所述的微波源在微波控制器的控制下产生微波经过传输线，由半球面收发器辐射微波直接对复合材料进行检测，或直接切换至有源放大器放大，通过多路发射天线对复合材料快速修复与固化监测；在加热修复过程中，半球面收发天线辐射微波至复合材料待修复区域后，基于反射的微波信号变化计算复合材料介电常数随修复温度与时间变化，监测复合材料的固化状态；半球面收发天线接收回波，对材料的固化状态进行实时监测；复合材料损伤检测过程中，半球面收发天线内同一周线上的微波天线既能发射微波，又能接收微波，同时有至少两个在不同周线上的接收端接收材料反射的微波。

一种复合材料微波无损检测、快速修复与实时监测的方法，它包括以下具体步骤：

第一步：开启微波检修装置，利用半球面收发器发出微波信号对材料进行扫频检查，频率从2GHz至8GHz变化；粗略扫描受损的复合材料构件后，根据处理后的多路回波信号大致确定修补区域；

第二步：利用第一步中获得的指示波段微波对受损区域进行精确检测，确定受损类型和损伤程度，对待修复区域进行精确定位，并且利用溶剂清洗该区域后，切割挖补修复区域，并打磨断层多余毛刺和断裂的纤维；