微波固化技术在航空复合材料维修中的应用

微波固化技术在航空复合材料维修中的应用

李婷婷 1朱子红 2李安荣 3张建钊 4

1-4石家庄海山实业发展总公司 , 石家庄 050000

摘要：微波固化相比热固化而言，在航空装备复合材料维修方面，具有很大的优势。本文从微波固化与热固化对比研究，微波固化设备、材料体系及在航空装备领域的应用进行了相关综述，并对微波固化技术产业化进行了展望。

关键词：复合材料；微波固化；维修

引言

相比于传统材料而言，复合材料具有高的比强度和比刚度、可设计性强、抗疲劳性能好、耐腐蚀性能好等一系列的优点，在航空装备领域得到了广泛的应用。经过60多年的发展，复合材料在飞机上的应用从次承力结构迅速扩展到机翼、平尾、机身等主承力结构上。随着复合材料在飞机结构上的大量应用以及应用部位重要性的提升，复合材料的维修显得愈发重要。

现常用的复合材料修理方法有树脂注射修理、树脂填充修理、机械连接修理、胶接修理等。目前，除使用机械连接修理和常温修理外，修理中需要对复合材料修理区进行加热以使胶液固化，提高结构强度。常规的复合材料热修理，固化周期长、效率低、热固化加热不均匀，存在温度梯度，部件的外围比中心先达到所设定的温度，过程中易产生固化应力，且热修理中存在“热影响区”，严重影响航空装备复合材料修理的胶接质量及强度。而微波固化技术由于具有加热速度快、加热均匀、温度易于控制、热惯性小、可选择性加热、能源利用率高，且可有效提高复合材料的力学性能和界面结合力，降低材料的残余应力等优点，成为近年来复合材料固化领域的研究热点之一。

一、微波固化技术

微波是频率在300MHz~300GHz的电磁波，在化学反应中一般采用2.45GHz的微波进行辐射反应，该频率与常见高分子材料中极性分子振动频率接近，可用于树脂的固化成型。微波固化加热原理现有两种说法，一是“致热效应”，另一为“非致热效应”。“致热效应”指复合材料置于电磁环境下，内部介质极化，产生的极化强度矢量落后电场一个角度，基于电场范围产生相同的电流，使得材料内部功率耗散，将微波能转变为热能^[1]。“非致热效应”是指微波改变系统的熵值，改变了树脂固化过程中的反应动力学，从而引起化学反应。目前学者更偏向于“致热效应”加热原理。

作为一种全新的代替传统加热方式的固化技术，微波固化可应用于复合材料制造及修补中，且微波固化设备可进行便携化、小型化改造，针对飞机大型设备不易达到位置，可采用小型化微波固化设备对其进行修理。

二、微波固化与热固化对比研究

与热压罐和烘箱的表面加热技术不同，微波固化技术依赖于体积加热，热能通过电磁相对均匀且迅速地传递到整个部件，能更好地控制过程温度，且能极大地缩短固化周期，显著提升固化反应速率。

文琼华等^[2]以碳纤维增强双马来酰亚胺树脂为研究对象，采用不同方法对比了热压罐和微波固化成型制备的层压板的孔隙率，微波固化较热压罐固化孔隙率高，将其原因归结为未施加足够的压力将气泡排出。张青等^[3]人对比了碳纤维/环氧树脂复合材料的热固化与微波固化，发现微波固化与热固化固化机理不同，微波固化将固化周期缩短了57%，提高了反应速率，微波固化和热固化的拉伸强度和层间剪切强度基本相当，但微波固化试样力学性能离散系数更小。总的来说，学者普遍认为微波固化质量较热固化质量有所提高，这为微波固化产业化提供了质量基础。

三、微波固化设备

作为一种可替代热固化的固化工艺，相关学者对微波固化设备进行了相关研究，主要包括固化装置尺寸、形状、控制系统等方面进行设计改进^[4]，期望可以保证微波固化过程中的均匀性，改善固化产物质量，为适应外场修理，相关学者也对微波固化设备进行了相应小型化、便携化设计。

代永朝等^[5]设计的微波快速胶接修复机，采用微波天线辐射的方式将直接将微波施加到修复区，适用于外场条件下的飞机结构损伤修理。袁铁军等^[6]针对面板增强中空复合材料构件的成型，设计高导热透波芯模，施加固化压力，并采用带有旋转转台的微波炉腔等对其进行固化成型。马世宁等^[7]针对战场抢修快速化修理，研制了满足不同材料体系原位和现场维修的微波修复设备。丁星星等^[8]搭建了实验平台，将高压引入T300碳纤维/环氧树脂复合材料的固化中实验平台主要包括微波发生器、热压罐腔体以及测温反馈控制装置。

四、微波固化材料体系

环氧树脂是目前应用最为广泛的结构材料之一，国内外对环氧树脂材料体系微波固化研究较多。除此之外，也有对聚酯、聚氨酯、聚酰亚胺、双马来酰亚胺树脂等材料体系进行微波固化研究。在进行微波固化时，因部分树脂固化过程中微波感应性较若、限制了微波的加热速率，还会造成固化不均，因此常在树脂体系中添加吸波材料。

游彦宇等^[9]对Fe₃O₄加入E51+DDM体系的增速机理进行研究，并进一步研究了玻璃纤维增强复合材料的热、力学性能。郑伟峰等

^[10]采用微波固化工艺对直升机复合材料传动轴进行修理。郑彧等^[11]对酚醛树脂进行了微波固化研究，相比于热固化，微波固化可以减少50%左右的固化时间。针对微波固化技术难以有效固化多向铺层碳纤维增强树脂基复合材料的问题，成李冰^[12]提出微波间接加热固化方法。

五、微波修复在航空装备领域的应用

微波固化技术具有固化均匀，加热效率高，可克服“热影响区”等优点，作为航空装备修复新手段，可有效缩短修复时间，提高修复强度。代永朝等^[13]将自行研制的微波快速粘接修补机和微波结构胶用于航空装备铝合金的修理中，修补后静载荷和疲劳寿命有明显提高。陆阳等^[14]将微波固化技术应用于C型蜂窝夹层结构的修理。许陆文^[15]将微波固化技术应用于现役某重型战斗机机身裂纹的复合材料修复中。

六、结束语

尽管微波固化较热固化有许多优点，但国内的微波固化技术还远不能达到工程应用的要求，大多数停留于实验室阶段，设计具有工业生产规模的高度自动化微波设备，微波固化材料体系及工艺成熟化，对微波固化达到工程应用具有积极意义。

参考文献：

[1] 沈怡.探讨飞机复合材料维修中非常规固化技术的有效运用[J].工程科技与产业发展，2019，27（06）：85.

[2] 文琼华，孟江燕，龚楚，等.碳纤维增强树脂基复合材料孔隙率检测方法的分析比较［J］.玻璃钢/复合材料，2016（7）：32-37.

[3] 张青，常新龙，张有宏，等.碳纤维/环氧树脂复合材料微波固化试验[J].宇航材料工艺，2018,6:58-62.

[4] 张青，常新龙，张有宏，等.炭纤维复合材料微波固化技术研究进展[J].固体火箭技术，2018,41（5）：627-635.

[5] 代永朝，郑立胜，陈宜参.基于微波固化技术的快速胶接修复机的研制[J].机电产品开发与创新，2011，24（4）：55-57.

[6] 袁铁军，周来水，郑伟峰，等.面板增强中空复合材料构件微波成形工艺[J].中国机械工程，2016,27（4）：544-548.

[7] 马世宁，孙晓峰，朱乃姝.微波修复技术研究与发展[J].中国表面工程[J].2010，23（2）：100-105.

[8] 丁星星，湛利华，李树建，等.先进树脂基复合材料高压微波固化工艺实验研究[J].玻璃钢/复合材料，2018,1:68-72

[9] 游彦宇，李勇，还大军，等.Fe₃O₄对微波扫描快速成形复合材料固化速率及性能的影响[J].南京航空航天大学学报，2016,48(4):569-576.

[10] 郑伟峰，周来水，袁铁军，等.氧化铝增强混杂纤维复合材料传动轴微波固化性能研究[J].玻璃钢/复合材料，2019,(1):15-22.

[11] 郑彧，孙正军，倪林，等.热固性酚醛树脂的微波固化[J].木材加工机械，2015，26（3）：31-34.

[12] 成李冰.碳纤维增强树脂基复合材料微波间接加热固化工艺研究[D].南京航空航天大学，2018.

[13] 代永朝，郑立胜.飞机微波固化粘接修补技术试验研究[J].粘接，2008，29（6）：38-41.

[14] 路阳，赵宇，代永朝.复合材料损伤微波修理试验研究[J].航空维修与工程，2009，3：50-51.

[15] 许陆文.复合材料微波快速抢修技术在某重型战机抢修中的应用[J].中国表面工程，2006,19（5）：223-226.