提供全球复合材料市场GydF4y2Ba
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使用玻璃纤维/乙烯基酯预浸料紫外线固化预浸料贴片修复GydF4y2Ba

UV固化预浸补丁修复GydF4y2Ba
尽管Custom Technologies LLC为内场复合材料桥梁开发的碳纤维/环氧预浸料修复被证明是简单和快速的,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。照片Credit:自定义技术LLCGydF4y2Ba

模块化可部署的桥梁是军事战术和物流的关键资产,以及在自然灾害期间恢复运输基础设施。正在研究复合结构以减少这种桥梁的重量,这反过来减少了运输车辆和发射检索机制的负担。复合材料还提供了增加负载承载能力并与金属桥相比延长使用寿命的潜力。GydF4y2Ba

先进的模块化复合桥(AMCB)是使用碳纤维增强的环氧树脂层压板(图1)设计和构建的一个示例。GydF4y2BaSeemann复合材料有限责任公司GydF4y2Ba(Gulfport,Miss。,美国)和GydF4y2Ba材料科学有限公司GydF4y2Ba(霍舍姆佩恩。,美国)。然而,在该领域修复这种结构的能力一直是阻碍采用复合材料的一个问题。GydF4y2Ba

先进的模块化复合桥(AMCB)GydF4y2Ba

图1复合桥,关键infield资产GydF4y2Ba
先进的模块化复合桥(AMCB)由SeeMann Composites LLC和材料科学LLC设计和构建,使用碳纤维增强的环氧复合材料。照片Credit:Seeman Composites LLCGydF4y2Ba(左)GydF4y2Ba和美国军队GydF4y2Ba(右)GydF4y2Ba。GydF4y2Ba

2016年,GydF4y2Ba自定义技术有限责任公司GydF4y2Ba该公司获得了一项小企业创新研究(SBIR)的第一阶段拨款,由美国陆军资助,以开发一种可被士兵在战场上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,即使是由没有受过任何训练的新手进行补丁修复,也能恢复结构原来强度的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,以及小尺寸和全尺寸修复,确立了该技术的可行性。GydF4y2Ba

从破裂的船甲板到桥甲板GydF4y2Ba

Sbir阶段的主要调查员是迈克尔·卑尔根,创始人兼自定义技术LLC主席。卑尔根从海军地面战中心(NSWC)Carderock退役,在结构和材料部门的27年期间,他管理了美国海军舰队的复合技术的开发和应用。Roger Crane博士于2015年从2011年的美国海军退休后加入了2015年的自定义技术,拥有32年的服务。他的复合材料专业知识包括技术出版物和专利涵盖了新的复合材料,原型制造,加入方法,多功能复合材料,结构健康监测和复合修复等主题。GydF4y2Ba

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。卑尔根说:“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。选择是一种复合修复(本质上是在受损区域的顶部粘上一块板)或将资产从服务站(d级)修复中移除。因为需要进行d级维修,所以有很多资产被搁置在一旁。”GydF4y2Ba

他继续,他继续,“是一种方法,可以由一名士兵在复合材料中没有经验,只使用套件和维修手册。我们的目标是使该过程简单:阅读手册,评估损坏并进行维修。我们不希望任何液体树脂混合,因为这需要精确测量以确保完全治愈。在修理完成后,我们还需要一个没有Hazmat废物的系统。它必须包装为可以由已经到位的网络部署的套件。“GydF4y2Ba

新型粘合贴片材料GydF4y2Ba

定制技术已成功演示的一种解决方案是一种便携式套件,可实现粘合的复合贴片,以损坏的尺寸定制 - 最多12平方英寸 - 使用增韧的环氧粘合剂。在代表3英寸厚的AMCB甲板的复合材料上完成了示范,该模拟器具有3英寸厚的Balsa核心(每立方英尺密度15磅),具有包括两层的面罩GydF4y2BaVIRTAMPLE CORP.GydF4y2Ba(Phenix City, Ala., U.S.) C-LT 1100 carbon 0°/90° biaxial stitched fabric, one ply of C-TLX 1900 carbon fiber 0°/+45°/-45° triaxial and two more plies of C-LT 1100 for five plies total. “We decided the kit would use premade patches in a quasi-isotropic layup of similar multiaxials so that fabric orientation wouldn’t be an issue,” says Crane.

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,贴剂将使用预浸料。“然而,这些挑战是储存,”卑尔根解释道。开发可存储的补丁解决方案,与之合作的定制技术GydF4y2BaSunrez Corp.GydF4y2Ba该公司正在研发一种玻璃纤维/乙烯基酯预浸料,这种预浸料使用紫外线(UV)光在6分钟内固化。它也适用于GydF4y2BaGougeon兄弟GydF4y2Ba(美国湾城,Mich。,美国),用新型柔性环氧树脂膜建议。GydF4y2Ba

早期的研究已经证明,环氧树脂是碳纤维预浸料坯的最合适的树脂 - UV-固化乙烯基酯与半透明玻璃纤维一起工作,但不固化透光碳纤维。基于Gougeon Brothers的新薄膜,最终的环氧树脂预浸料坯在210°F / 99°C下进行了一小时固化,在室温下具有长的保质期 - 不需要低温储存。树脂还将在较高的温度下固化,例如,如果较高的玻璃化转变温度(T),例如在350°F / 177°C时(TGydF4y2BaGGydF4y2Ba) 是必须的。两种预浸料坯都以便携式维修试剂盒提供,作为在塑料薄膜信封中密封的主要预浸料贴片叠层。GydF4y2Ba

由于修理套件可以在很长时间存储,所以需要定制技术来执行保质期研究。“我们买了四种硬塑料案件 - 典型的军事用途为运输设备 - 并将环氧粘合剂和乙烯基酯预浸料的样品放入每一个中,”卑尔根说。The cases were then placed in four different locations for testing: on the roof of Gougeon Brothers’ facility in Michigan, on the roof of an airport in Maryland, outdoors at a facility in Yucca Valley (California desert) and at an outdoor corrosion testing lab in southern Florida. All of the cases had data loggers, Bergen notes, “and we’d pull data and material samples every three months for evaluation. A maximum temperature of 140°F was recorded by the boxes in Florida and California, which is a real challenge for most repair resins.” In addition, Gougeon Brothers tested the newly developed neat epoxy resin in-house. “Samples held for months in an oven at 120°F started to polymerize,” says Bergen. “However, for corresponding samples held at 110°F, the resin chemistry advanced only a small amount.”

用于修复测试的先进模块复合桥模型GydF4y2Ba

在测试面板以及AMCB的这种缩放模型上验证了维修,它使用与Seamann复合材料构建的原始桥中相同的层压板和核心材料。照片Credit:自定义技术LLCGydF4y2Ba

维修测试GydF4y2Ba

为了证明修复技术,必须制造代表层压板,损坏,然后修复。“在I阶段项目中,我们最初使用小规模,4×48英寸的光束和四点弯曲试验来评估我们修复过程的可行性,”起重机说。“然后,我们在第二阶段项目中转化为12 x 48英寸的面板,施加负荷以创建双轴应力状态失效,然后评估修复性能。在II期项目中,我们还完成了我们建造的AMCB的模型进行维修。“GydF4y2Ba

用于演示修复性能的测试面板使用相同的层压板和核心作为由SeeMann复合材料构建的AMCB表示,“但是,基于平行轴,我们将面板厚度从0.375英寸缩放到0.175英寸定理。这种方法以及光束理论和经典层压理论[CLT]的附加元素,用于将全尺寸AMCB的惯性矩和有效刚度相关联,以更具易易且具有成本效益的下尺寸证明制品。然后我们使用了由Xcraft Inc.开发的有限元分析[FEA]模型(波士顿,质量。,美国)来改进结构维修的设计。“用于测试面板和AMCB模型的碳纤维织物是从VSIXPLYPLY和BALSA Core提供的GydF4y2Ba核心复合材料GydF4y2Ba(布里斯托尔,r.i.,美国)。GydF4y2Ba

Infiefe Composite修复测试面板与标记修复区域GydF4y2Ba

步骤1。GydF4y2Ba该测试面板显示3英寸孔直径,以模拟中心标记的损坏以及修复周边。所有步骤的照片信用:自定义技术LLC。GydF4y2Ba

infield复合修复研磨机去除损坏并执行锥形围巾GydF4y2Ba

步骤2。GydF4y2Ba电池供电的手磨床用于去除损坏的材料和围巾A 12:1锥度以接收修复贴片。GydF4y2Ba

“我们希望在测试面板上模拟更高程度的损坏,而不是在现场桥甲板上的可能看法,”卑尔根解释道。“所以,我们的方法是使用孔锯制作3英寸直径的孔。然后我们将损坏的材料插入堵塞并使用手持气动研磨机进行12:1围巾。“GydF4y2Ba

对于碳纤维/环氧树脂修复,解释起重机,一旦移除了“受损”的面板材料并施加了适当的围巾,预浸料坯被切割到宽度和长度以匹配受损区域的锥度。“对于我们的测试面板,这需要四层预浸料,即使原始未损坏的碳面板的顶部也能带来修复材料。此后,将碳/环氧预浸料的三个过分置于该修复部分上。每个连续的帘布层延伸1英寸在下面的各个侧面,从而为修复区域的“良好”围绕材料提供了逐渐载荷转移。“执行此修复的总时间 - 包括修理区域制备,切割和放置修复材料并施加固化程序 - 约为2.5小时。GydF4y2Ba

内场复合修补碳纤维/环氧预浸料修补GydF4y2Ba

对于碳纤维/环氧树脂预浸料,修复面积真空袋装,并在210°F / 99℃下使用电池操作的热粘合剂固化1小时。GydF4y2Ba

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。”GydF4y2Ba

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。“与碳/环氧贴剂相比,通过使用玻璃/乙烯基酯的另一种帘布层来解决这一点,”起重机说。“仅需要一个额外的层的原因是玻璃材料是较重的织物。”这导致可以施加合适的贴剂,然后在六分钟内固化,即使在非常冷/冻结的infield温度下也无需提供热量。起重机笔记此维修可以在一小时内完成。GydF4y2Ba

对两个贴片系统进行了证明和测试。对于每次修复,用孔锯创建的标有要损坏的区域(步骤1),然后使用电池供电的手研磨机去除(步骤2)。然后将修复区域令人满意为12:1锥度。用酒精垫清洗难道的表面(步骤3)。接下来,将修复贴片切割成尺寸,定位在清洁的表面上(步骤4)并用辊子固结以除去气泡。对于玻璃纤维/ UV固化乙烯基酯预浸料,然后将剥离帘布层置于修复区域上,并且使用无线UV光固化贴剂六分钟(步骤5)。对于碳纤维/环氧树脂预浸料,修复面积是真空袋装并使用预先编程的单扣,电池电动机热粘合剂固化,在210°F / 99°C时为1小时固化。GydF4y2Ba

“然后我们进行了测试以评估贴片的粘合剂键和恢复结构的承载能力的能力,”卑尔根说。“在第1阶段,我们被要求证明易于应用和恢复至少75%的能力。这在4×48英寸的碳纤维/环氧树脂和BALSA芯梁上完成了四点弯曲,在修复模拟损伤后。第2阶段项目使用12×48英寸的面板,并且在复杂的应变负载下必须显示出大于90%的强度要求。我们遇到了所有这些要求,然后在AMCB模型上拍摄了修复方法,为如何使用infiefe技术和设备提供可视参考。“GydF4y2Ba

新手成功,未来的应用GydF4y2Ba

该项目的一个关键方面是为了证明新手可以轻松完成修复。为此,卑尔根有一个想法:“我曾向陆军的两项技术联系方式答应了示范:Bernard Sia和Ashley Genna博士。最后审查我项目的第I阶段,我要求阿什利没有先前的修复经验,执行修复。使用我们提供的套件和手册,她申请了修补程序并完成了修复而没有任何问题。“GydF4y2Ba

infiefe复合材料修理电池供电的热粘合剂GydF4y2Ba

图2电池供电的固化GydF4y2Ba
一键固化碳纤维/环氧修补补丁,无需维修知识或固化周期编程。图片来源:Custom Technologies, LLCGydF4y2Ba

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绳的。”这包括Custom Technologies与热焊接器供应商共同开发的电池驱动热焊接器GydF4y2BaWichiTech产业公司。GydF4y2Ba(Randallstown,MD。,美国。)。“这款电池供电的热粘合剂预先编程为完成治愈,因此新手不需要编程固化周期,”起重机说。“他们只是按下按钮,完成适当的斜坡和浸泡。”目前在持续一年内使用的电池需要再充电。GydF4y2Ba

随着II期项目现已完成,定制技术正在准备一个后续的增强建议和收集兴趣信和支持。“我们的目标是将这项技术成熟到TRL 8并将其放入现场,”卑尔根说。“我们也看到了非军事应用的潜力。”GydF4y2Ba

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