便携修复套件简化复合结构现场维护

模块化可部署桥梁是军事战术行动与后勤、自然灾害中恢复交通基础设施的关键资产。复合材料结构正被研究用于减轻此类桥梁重量，从而减轻运输车辆与发射回收机构负担。复合材料还能提升承载能力并延长使用寿命，优于金属桥梁。

先进模块化复合桥梁（AMCB）是一例，由 Seemann Composites LLC（美国密西西比州海湾港）与 Materials Sciences LLC（美国宾州霍舍姆）用碳纤维增强环氧层压板设计建造（图 1）。然而，现场修复此类结构的能力一直是阻碍复合材料采用的问题。

2016 年，Custom Technologies LLC（美国马里兰州米勒斯维尔）获得美国陆军资助的小企业创新研究（SBIR）一期资助，开发可由士兵在现场成功实施的修复方法。基于此方法，2018 年获二期 SBIR 资助，演示新材料与电池供电设备，即使由无经验新手操作补丁修复，也能恢复结构 90% 以上原始强度。通过一系列解析、材料选择、试样制备与力学测试任务，以及小规模与全尺寸修复，确立了技术可行性。

从破裂舰艇甲板到桥面板

两期 SBIR 主要研究员为 Custom Technologies LLC 创始人兼总裁 Michael Bergen。Bergen 从海军水面作战中心（NSWC）Carderock 部退休，拥有 27 年结构与材料部门任职经历，管理美国海军舰队复合技术开发应用。Dr. Roger Crane 2015 年加入 Custom Technologies，2011 年从美国海军退休，服役 32 年。其复合材料专长包括新材料、原型制造、连接方法、多功能复合材料、结构健康监测与复合修复的技术出版物与专利。

这两位专家已开发出用复合材料修复 USS Ticonderoga CG-47 级导弹巡洋舰 5456 铝合金上层建筑裂纹的独特工艺。“该工艺旨在减缓裂纹扩展，作为 200-400 万美元甲板板更换的经济替代方案，”Bergen 说。“因此我们证明了自己懂得如何在实验室外、真实服役环境中修复。但挑战在于现有军事资产修复方法不太成功。选项是粘结加厚修复[本质上在受损区粘贴钢板]或退役资产进行 depot 级（D 级）维修。因需 D 级维修而闲置的资产数不胜数。”

他继续说道，需要的是“士兵无复合材料经验、仅凭套件与修复手册即可执行的方法。我们的目标是让过程简单：读手册、评估损伤、做修复。不想有任何液态树脂混合，因需精确计量确保全固化。也需要修复后无危废处理的系统。且必须打包成套件，利用现有部署网络分发。”

创新粘结补丁材料

Custom Technologies 成功演示的一种方案是便携套件，使用增韧环氧胶粘剂，按损伤尺寸定制粘结复合补丁——最大 12 平方英寸。演示在代表 3 英寸厚 AMCB 甲板的复合材料上完成，该甲板采用 3 英寸厚轻木芯（密度 15 磅/立方英尺），面皮由 Vectorply Corp.（美国阿拉巴马州菲尼克斯城）C-LT 1100 碳纤维 0°/90° 双向缝编织物两层、一层 C-TLX 1900 碳纤维 0°/+45°/-45° 三轴、再两层 C-LT 1100 共五层组成。“我们决定套件使用准备好的准各向同性铺层多轴向补丁，避免织物取向问题，”Crane 说。

下一问题是修复层压用的树脂基体。为避免混合液态树脂，补丁采用预浸料。“但预浸料的挑战是储存，”Bergen 解释。为开发可储存补丁方案，Custom Technologies 联合 Sunrez Corp.（美国加州埃尔卡洼）开发六分钟 UV 固化玻纤/乙烯基酯预浸料。也与 Gougeon Brothers（美国密歇根州贝城）合作，后者建议用新型柔性环氧树脂膜。

早期调查已证明环氧树脂最适合碳纤维预浸料——UV 固化乙烯基酯对透光玻纤效果好但无法固化遮光碳纤维下层。基于 Gougeon Brothers 新型膜，最终环氧预浸料在 210°F/99°C 下一小时固化，室温长保质期——无需低温储存。Bergen 说树脂在更高温度如 350°F/177°C 下也能固化，如需更高玻璃化转变温度（T_g）。两种预浸料均以预制预浸料补丁铺层密封在塑料膜信封中，随便携修复套件提供。

因修复套件可能长期储存，Custom Technologies 必须进行保质期研究。“我们买了四个硬塑料箱——军方典型装备运输箱——分别放入环氧胶粘剂与乙烯基酯预浸料样品，”Bergen 说。箱子放置在四个不同测试地点：Gougeon Brothers 密歇根设施屋顶、马里兰机场屋顶、加州尤卡谷户外（沙漠）、佛罗里达南部户外腐蚀测试实验室。所有箱子配数据记录器，Bergen 注记，“每三个月提取数据与材料样品评估。佛罗里达与加州箱子记录最高温度 140°F，这对大多数修复树脂是真正挑战。”此外，Gougeon Brothers 内部测试新开发纯环氧树脂。“数月在 120°F 烤箱样品开始聚合，”Bergen 说。“但对应 110°F 样品，树脂化学仅微量推进。”

修复测试

为演示修复技术，需制造代表性层压板、制造损伤再修复。“一期项目初期用 4 x 48 英寸小梁四点弯曲测试评估修复工艺可行性，”Crane 说。“二期项目过渡到 12 x 48 英寸面板，施加载荷制造双轴应力状态至失效，再评估修复性能。二期项目也在我们建造的 AMCB 模型上完成修复。”

演示修复性能的测试面板用与 Seemann Composites 建造的 AMCB 同谱系层压板与芯材制造，Bergen 说，“但基于平行轴定理将面皮厚度从 0.375 英寸缩放至 0.175 英寸。此法结合梁理论与经典层压板理论（CLT）额外要素，用于关联全尺寸 AMCB 转动惯量与有效刚度至更易处理、成本效益更高的缩尺演示件。再用 XCraft Inc.（美国马萨诸塞州波士顿）开发的有限元分析（FEA）模型优化结构修复设计。”测试面板与 AMCB 模型用碳纤维织物采购自 Vectorply，轻木芯供应商 Core Composites（美国罗德岛布里斯托尔）。

步骤 1. 测试面板显示模拟损伤的 3 英寸直径孔标记在中心，以及修复周边。所有步骤图片来源：Custom Technologies LLC.

步骤 2. 电池驱动手持磨床移除受损材料并刮削 12:1 锥度以接收修复补丁。

“我们想模拟比现场桥面板可能见到的更高损伤程度，”Bergen 解释。“所以用孔锯钻 3 英寸直径孔，拔出损伤芯料，用手持气动磨床做 12:1 刮削。”

对于碳纤维/环氧修复，Crane 解释，移除“受损”面皮材料并施加适当刮削后，预浸料按受损区锥度裁剪宽度长度。“测试面板需四层预浸料使修复材料齐平原始未受损碳面皮顶部。之后三层超覆层碳/环氧预浸料居中覆盖修复段。每层向四周各延伸 1 英寸，提供从周围‘好’材料到修复区的渐进载荷传递。”执行此修复总时间——含修复区准备、裁剪放置修复材料、施加固化程序——约 2.5 小时。

尽管碳/环氧修复简便快捷，团队认识到需更快捷方案恢复性能。这引向 UV 固化预浸料探索。“对 Sunrez 乙烯基酯树脂的兴趣基于与 Mark Livesay 的海军过往经验，他创立了公司，”Bergen 解释。“我们先提供 Sunrez 准各向同性玻纤预浸乙烯基酯，评估不同条件下固化曲线。进一步，因乙烯基酯次级粘结性能不如环氧，额外努力评估各种粘结耦合剂并认证一款用于此应用。”

另一问题是玻纤力学性能不如碳纤维。“通过比碳/环氧补丁多用一层玻纤/乙烯基酯解决，”Crane 说。“只需单层额外层是因为玻纤材料面重更高。”得到可在极冷/冰冻现场温度六分钟固化、无需供热的合适补丁。Crane 指出此修复可在一小时内完成。

两套补丁系统均经演示测试。每次修复：标记损伤区（步骤 1），孔锯制孔再用电池手持磨床移除（步骤 2）。修复区刮削成 12:1 锥度。刮削表面用酒精棉片清洁（步骤 3）。接着裁剪修复补丁至尺寸，定位于清洁表面（步骤 4），辊压实排气泡。玻纤/UV 固化乙烯基酯预浸料则铺设剥离布再用无绳 UV 灯照射六分钟固化（步骤 5）。碳纤维/环氧预浸料则抽真空袋装，用预编程一键式电池供电热粘合器在 210°F/99°C 固化一小时。

修复步骤

步骤 3. 准备好的修复区用一次性酒精棉片溶剂擦拭清洁。

步骤 4. 玻纤/乙烯基酯修复补丁裁剪至尺寸并定位于修复区。

步骤 5. 剥离布覆盖修复区后，用无绳 UV 灯照射六分钟固化补丁修复。

步骤 6. 完成的 UV 固化玻纤/乙烯基酯预浸料补丁修复。

“随后测试评估补丁粘结强度与恢复结构承载能力，”Bergen 说。“一期要求演示易用性与恢复至少 75% 强度。在 4 x 48 英寸碳纤维/环氧与轻木芯梁四点弯曲测试中，修复模拟损伤后达标。二期用 12 x 48 英寸面板，要求复杂应变载荷下恢复 90% 以上强度。我们满足所有要求，并拍摄 AMCB 模型修复方法，为现场技术与设备使用提供视觉参考。”

新手成功与未来应用

项目关键一点是证明新手能轻松完成修复。Bergen 有个主意：“我答应向陆军两技术联系人 Dr. Bernard Sia 与 Ashley Genna 演示。一期最终评审时，我让无修复经验的 Ashley 用套件与手册操作。她无任何问题贴补丁完成修复。”

另一关键发展是电池供电固化系统（图 2）。“现场修复只有电池电源，”Bergen 指出。“我们开发的修复套件所有工艺设备均无绳。”包括与 WichiTech Industries Inc.（美国马里兰州兰德尔镇）共同开发的电池供电热粘合器。“这款电池热粘合器预编程完成固化，新手无需编程固化周期，”Crane 说。“只需按按钮，自动完成适当升温保温。”目前电池使用一年需充电。

二期项目完成后，Custom Technologies 正准备后续增强提案并收集兴趣与支持函。“我们目标是将技术成熟至 TRL 8 并投入实战，”Bergen 说。“也看到非军事应用潜力。”