CN102729490B - 微波固化复合材料的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合材料的加工装置及加工方法，尤其涉及一种微波固化纤维增强树脂基复合材料加工装置及加工方法。罐体布置多边形多模谐振腔，包括微波源水冷接口、微波源电气接口与磁控管连接，磁控管布置在罐体的外侧，磁控管通过磁控管天线与矩形波导管连接，矩形波导管布置在多边形多模谐振腔的外侧，多边形多模谐振腔的内侧壁上布置真空管接头，多边形多模谐振腔内放置工作台，模具放置在工作台上，模具内放置复合材料、且上端布置真空阀，真空阀通过真空管与真空管接头连接。
Description
技术领域
本发明涉及微波固化复合材料的方法和装置，属于复合材料固化成型工艺与装备技术领域。
背景技术
复合材料具有高比强度和比刚度、质量轻、耐热、耐腐蚀、抗疲劳、减震性能好等优点，广泛用于航空航天领域、交通运输、风力发电、电子电力等领域。预浸料则是把强化纤维(碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维)浸渍在基体(环氧树脂、聚酯树脂、热可塑性树脂等)中制成的预浸料片材产品，是复合材料的中间材料。
由于复合材料具有上述优异的性能，故针对不同的复合材料构件发展出了不同的成型方法。其中，热压罐成型方法在航空航天、汽车制造和石油化工等领域有着非常广泛的应用。尤其是在航空航天领域已经成为最为重要的成型工艺。但热压罐成型技术存在诸多的问题和缺陷：（1）热压罐固化时间长、能耗高及资源利用率低。热压罐工艺主要以对流换热的形式从外到里加热构件，温度差异是引起其内部热传导发生的根本原因。复合材料成型固化时间长，并需要保证足够的温度均匀性。这种加热方式效率低，时间长，温度控制具有滞后性，大量的能源被消耗。（2）热压罐成型大尺寸和厚度的构件会出现无法接受的温度梯度和比较差的压实度。大尺寸复杂复合材料的成型需要复杂的模具型面和支撑,热传导和表面的对流换热困难,构件的温度均匀性差。最终将导致构件产生残余应力和变形。厚层合板在固化中温度梯度会导致粘性和固化度的各向异性，温度峰值首先出现在层板表面附近，然后向中央扩散，且几何形态对固化厚截面层板内部微裂纹的发展和脱胶有显著影响。同时，热压罐共固化的复合材料胶结界面存在一些缺陷，力学性能不够理想，影响复合材料的质量和使用寿命。
发明内容
本发明针对上述不足提供微波固化复合材料的方法和装置。
本发明采用如下技术方案：
本发明所述的微波固化复合材料的方法，采用微波直接加热复合材料构件，随着材料的温度升高，树脂的固化反应开始进行，经过一段时间的加热和保温，复合材料固化成型，该方法的步骤如下：
1）、制备材料，在模具上涂抹脱模剂，将复合材料放置在脱模剂上，复合材料上覆盖脱模布，脱模布上放置带孔隔离膜，带孔隔离膜的上方覆盖透气毡；
2）、用真空袋罩盖整个复合材料及脱模布、带孔隔离膜、透气毡，使用密封胶带将真空袋，固定在模具；
3）、在真空袋上端布置真空阀，真空阀上安装快速接头；
4）、将上述制备完成的复合材料放入工作台，将快速接头接入真空管；
5）、将真空袋抽至真空，多边形多模谐振腔内填充压缩空气或惰性气体；
6）、启动微波设备，微波能直接对复合材料进行加热，测温传感器实时测量其复合材料的温度，保证固化过程的可控性；
7）、加热完成后，打开泄压阀释放罐体内压力，取出复合材料直至冷却，制备完成。
本发明所述的微波固化复合材料的装置，包括布置在罐体外侧的磁控管，六边形多模谐振腔，复合材料，真空管，真空阀，工作台，模具；多边形多模谐振腔的内侧壁上布置真空管接头，多边形多模谐振腔内放置工作台，模具放置在工作台上，模具内放置复合材料、且上端布置真空阀，真空阀通过真空管与真空管接头连接；六边形多模谐振腔安装在密封罐体内，并开有工艺孔保证压力均衡；微波通过磁控管的天线和波导传递到矩形波导；微波在六边形多模谐振腔内来回反射，最终被纤维增强树脂基复合材料所吸收；所述的微波固化复合材料的装置还包括压力表，控制柜，真空泵，空气压缩机；所述的控制柜布置在罐体的外侧，真空泵的气体输出端延伸入多边形多模谐振腔内，空气压缩机的气体输入端延伸入多边形多模谐振腔内，控制柜内控制模块控制真空泵与空气压缩机，压力表与多边形多模谐振腔连接；所述的微波固化复合材料的装置，测温系统采用红外测温探头测温；所述的红外测温探头布置在六边形多模谐振腔的外侧的顶端，泄压阀布置在罐体的外壁上；所述的多边形多模谐振腔内的微波是 TEM 波或 TE 波或 TM 波。
有益效果
本发明提供的微波固化复合材料的方法和装置；该方法采用功率线性可调的微波加热和抽真空加压固化成型复合材料，在短时间内完成纤维增强树脂基复合材料的成型，提高构件的质量和性能。
该装置可以成型高性能、尺寸稳定性好、内应力和变形小的纤维增强树脂基复合材料。同时极大的缩短了生产时间，提高了能源利用率。实现了纤维增强树脂基复合材料的快速固化成型。
采用先进的多边形微波多模谐振腔体外加圆柱形罐体的结构方式，实现装置内电磁场的均匀性和保证压力容器的安全性。
该方法和装置可以解决传统热压罐成型方法制造纤维增强复合材料时间长、能耗高、构件固化变形严重，内应力较大以及模具支撑复杂的问题，提高复合材料构件的质量和性能。
附图说明
图1是微波固化复合材料装置的总体结构横截面示意图；
图2 是微波固化复合材料装置的总体结构示意图；
图3 是微波固化复合材料装置的矩形波导和模式搅拌器示意图；
图4 是复合材料在模具上铺放的示意图；
图中 1 是微波源水冷接口，2 是微波源电气接口，3 是磁控管，4 是磁控管天线，5 是矩形波导管，6 是多边形多模谐振腔，7 是红外测温探头，8 是罐体，9 是复合材料，11 是真空管，12 是真空管接头，13 是压力表，14 是控制柜，15 是真空泵，16 是空气压缩机，17 是流量计，18 是真空阀，19 是工作台，20 是模具，21 是泄压阀，22 是谐振腔密封门，23 是罐体密封门，24 是模式搅拌器，25 是门把手，101 是密封胶带，201 是脱模剂，301 是脱模布，401 是真空袋，501 是带孔隔离膜，701 是透气毡，901 是快速接头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细说明 ：
如图 1 图 2 所示 ：微波固化复合材料的方法和装置，包括微波源水冷接口1，微波源电气接口 2，磁控管 3，磁控管天线 4，矩形波导管 5，多边形多模谐振腔 6，红外测温探头 7，罐体 8，复合材料 9，真空管 11，真空管接头 12，压力表 13，控制柜 14，真空泵 15，空气压缩机 16，流量计 17，真空阀 18，工作台 19，模具 20，泄压阀 21，谐振腔密封门 22，罐体密封门 23，模式搅拌器 24，门把手 25，密封胶带 101，脱模剂 201，脱模布 301，真空袋 401，带孔隔离膜 501，透气毡 701，快速接头 901。
罐体 8 布置多边形多模谐振腔 6，包括微波源水冷接口 1、微波源电气接口 2 与磁控管 3 连接，磁控管 3 布置在罐体 8 的外侧，磁控管 3 通过磁控管天线 4 与矩形波导管 5 连接，矩形波导管 5 布置在多边形多模谐振腔 6 的外侧，多边形多模谐振腔 6 的内侧壁上布置真空管接头 12，多边形多模谐振腔 6 内放置工作台 19，模具 20 放置在工作台 19 上，模具 20内放置复合材料 9、且上端布置真空阀 18，真空阀 18 通过真空管 11 与真空管接头 12 连接。
控制柜 14 布置在罐体 8 的外侧，真空泵 15 的气体输出端延伸入多边形多模谐振腔 6 内，空气压缩机 16 的气体输入端延伸入多边形多模谐振腔 6 内，控制柜 14 内控制模块控制真空泵 15 与空气压缩机 16，压力表 13 与多边形多模谐振腔 6 连接。红外测温探头 7布置在多边形多模谐振腔 6 的外侧的顶端，泄压阀 21 布置在罐体 8 的外壁上。
功率线性可调的微波加热源，其微波的频率按国家标准为 2.45GHz 或 915MHz，微波的功率按腔体的大小和加热介质的升温工艺要求，可在 0 至最大功率之间线性调节。多模谐振腔体中的微波包括 TEM 波，TE 波，TM 波中的至少一种模式。
微波固化复合材料的方法，步骤如下 ：
1）、制备材料复合材料，由预浸料一层一层铺叠而成，铺放方向可各不相同。其中的增强体包括常用的碳纤维、玻璃纤维，芳纶纤维等，以及其他各种可以使用在纤维增强树脂基复合材料中的纤维。
结合附图 4 说明复合材料在模具上的铺放过程。首先，准备好满足构件制造要求的模具后，在模具表面涂刷脱模剂 201。脱模剂分三次均匀涂抹在模具表面，每次相隔 15 至30 分钟。等待脱模剂完全凝固干燥后，将预浸料一层层按照工艺要求，铺放到模具表面。铺层完毕后，在复合材料表面按顺序铺设脱模布 301、带孔隔离膜 501、透气毡 701、真空袋 401。
2）、用真空袋 401 罩盖整个复合材料及脱模布 301、带孔隔离膜 501、透气毡 701，真空袋 401 沿模具周围用密封胶带 101，在边缘处安放真空阀 18 和快速接头 901 ；
3）、在真空袋 401 上端布置真空阀 18，真空阀 18 上安装快速接头 901，材料制备完成 ；
4）、将上述制备完成的复合材料放入工作台 19，将装快速接头 901 接入真空管 11 ；
5）、将其真空袋 401 抽至真空，通过空气压缩机 16 对多边形多模谐振腔 6 内填充压缩空气或惰性气体 ；
6）、启动微波设备对复合材料进行加热，微波加热采用红外测温仪测量复合材料构件表面多个点的温度。测量的温度反馈到装置的控制系统，与工艺曲线比对，实时调整微波加热温度，实现高精度的温度控制，加热时间根据复合材料树脂的固化度及温度曲线设定。
7）、结合附图 1 和 2 说明复合材料在装置内的固化过程。将上述步骤中铺放好的纤维增强树脂基复合材料放置到图 1 中的工作台上，接通罐内真空阀。关好图 2 中的多边形多模谐振腔密封门和圆柱形罐体罐门。启动系统控制柜，选择手动控制或自动控制。
手动控制时，由人工控制加热功率、加热时间和压力大小。
自动控制时，由上位机编程输入控制面板，PLC 控制装置自动运行。
多边形多模谐振腔 6 安装在密封罐体 8 内，并开有工艺孔保证压力均衡。微波通过磁控管 3 的天线和波导 4 传递到矩形波导 5。微波在多边形的多模谐振腔 6 内来回反射，最终被纤维增强树脂基复合材料 9 所吸收。在固化开始时，真空泵 15 开始抽真空，压缩机16 向圆柱形罐体 8 内打入压缩空气，加压。随着材料的温度升高，树脂的固化反应开始进行，经过一段时间的加热和保温，复合材料固化成型。多边形谐振腔 6 尺寸由谐振模式数和功率决定，其后部封闭，前部靠近罐门处设置电磁密封门，密封门采用通用的扼流密封金属
线圈，保证无电磁泄漏。按工艺规程开始抽真空和加压。
完成后，启动磁控管产生微波，微波进入谐振腔中后开始加热纤维增强树脂基复合材料。系统控制柜实时测量压力、真空和红外测温探头的温度值，显示到上位机界面。当构件温度达到固化转变温度后，保温一段时间。停止微波磁控管，打开泄压阀泄压。泄压完成后打开罐门和密封门，将模具和构件移至装置外，自然冷却降温。温度降至室温后，构件固化成型完成。
Claims (2)
1.一种微波固化复合材料的方法，其特征在于：采用微波直接加热复合材料构件，随着材料的温度升高，树脂的固化反应开始进行，经过一段时间的加热和保温，复合材料固化成型，该方法的步骤如下：
1）、制备材料，在模具上涂抹脱模剂（201），将复合材料放置在脱模剂（201）上，复合材料上覆盖脱模布（301），脱模布（301）上放置带孔隔离膜（501），带孔隔离膜（501）的上方覆盖透气毡（701）；
2）、用真空袋（401）罩盖整个复合材料及脱模布（301）、带孔隔离膜（501）、透气毡
（701），使用密封胶带（101）将真空袋（401），固定在模具（20）；
3）、在真空袋（401）上端布置真空阀（18），真空阀（18）上安装快速接头（901）；
4）、将上述制备完成的复合材料放入工作台（19），将快速接头（901）接入真空管（11）；
5）、将真空袋（401）抽至真空，多边形多模谐振腔（6）内填充压缩空气或惰性气体；
6）、启动微波设备，微波能直接对复合材料进行加热，测温传感器（7）实时测量其复合材料的温度，保证固化过程的可控性；
7）、加热完成后，打开泄压阀（21）释放罐体（8）内压力，取出复合材料直至冷却，制备完成。
2.一种微波固化复合材料的装置，其特征在于 ：包括布置在罐体（8）外侧的磁控管（3），六边形多模谐振腔（6），复合材料（9），真空管（11），真空阀（18），工作台（19），模具（20）；多边形多模谐振腔（6）的内侧壁上布置真空管接头（12），多边形多模谐振腔（6）内放置工作台（19），模具（20）放置在工作台（19）上，模具（20）内放置复合材料（9）、且上端布置真空阀（18），真空阀（18）通过真空管（11）与真空管接头（12）连接；六边形多模谐振腔（6）安装在密封罐体（8）内，并开有工艺孔保证压力均衡；微波通过磁控管（3）的天线和波导（4）传递到矩形波导（5）；微波在六边形多模谐振腔（6） 内来回反射，最终被纤维增强树脂基复合材料（9）所吸收；所述的微波固化纤维增强树脂基复合材料加工装置还包括压力表（13），控制柜（14），真空泵（15），空气压缩机（16）；所述的控制柜（14）布置在罐体（8）的外侧，真空泵（15）的气体输出端延伸入多边形多模谐振腔（6）内，空气压缩机（16）的气体输入端延伸入多边形多模谐振腔（6）内，控制柜（14）内控制模块控制真空泵（15）与空气压缩机（16），压力表（13）与多边形多模谐振腔（6）连接；所述的微波固化纤维增强树脂基复合材料加工装置的测温系统采用红外测温探头（7）测温；所述的红外测温探头（7）布置在六边形多模谐振腔（6）的外侧的顶端，泄压阀（21）布置在罐体（8）的外壁上；所述的多边形多模谐振腔（6）内的微波是 TEM 波或 TE 波或 TM 波。
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