CN103057013A

CN103057013A - 一种纤维增强树脂基复合材料的加热固化装置及方法

Info

Publication number: CN103057013A
Application number: CN2013100067558A
Authority: CN
Inventors: 李迎光; 李楠垭; 杭翔
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2013-01-09
Filing date: 2013-01-09
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2033-01-09
Also published as: CN103057013B

Abstract

本发明涉及一种微波红外加热固化纤维增强树脂基复合材料零件的方法与装置，属于复合材料成型加工工艺技术与装备领域。采用功率线性可调的微波加热和红外热辐射加热复合材料的方式，在短时间内完成高性能和高质量的纤维增强树脂基复合材料固化成型。微波源通过磁控管产生微波后由波导导入八边形微波多模谐振腔体，红外辐射则通过安装在多模谐振腔体顶部的红外辐射器产生。两种不同频率的电磁波穿透并加热纤维增强树脂基复合材料，从而使树脂发生化学交联反应，达到固化定型温度，快速固化成型。采用八边形微波多模谐振腔体结构和在线监控反馈系统，实现装置内的电磁场均匀性，保证零件温度分布均匀。

Description

一种纤维增强树脂基复合材料的加热固化装置及方法

技术领域

本发明涉及一种微波红外加热固化纤维增强树脂基复合材料零件的方法与装置，属于复合材料成型加工工艺技术与装备领域。

背景技术

纤维增强树脂基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零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，主要有以下两点：

第一、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零件，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。

第二、热压罐成型大尺寸和厚度的零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,零件的温度均匀性差。最终将导致零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

本发明针对上述传统固化技术存在的缺陷或不足，提出一种微波红外加热固化纤维增强树脂基复合材料零件的装置及加热方法。

具体技术内容为：一种纤维增强树脂基复合材料的加热固化装置，该装置包括：电磁屏蔽及承压外壳、八边形多模谐振腔、移动式工作台及控制柜，电磁屏蔽及承压外壳套置在所述八边形多模谐振腔外侧，在所述八边形多模谐振腔与电磁屏蔽及承压外壳之间设置有微波发射源，八边形多模谐振腔内设有红外辐射装置；所述移动式工作台放置在八边形多模谐振腔内，所述微波发射源包括多个均匀布置在所述八边形多模谐振腔外侧上的磁控管及馈入天线，所述控制柜内设有所述微波发射源与红外辐射装置的电路控制系统、在线监控反馈系统。

所述在线监控反馈系统包括温度监测系统及真空度监测系统，所述温度监测系统连接有一冷却水机构，所述冷却水机构与所述磁控管相连；所述真空度监测系统连接有一抽真空机构，在八边形多模谐振腔内部设有抽真空接口，所述抽真空机构与所述抽真空接口相连。

所述红外辐射装置包括红外加热器及固定安装在八边形多模谐振腔顶部的摇杆装置，该摇杆装置包括电机主轴，轮毂，摇杆，滑块、固定滑杆及圆形摩擦副，所述电机主轴与轮毂相连，轮毂带动摇杆摆动，摇杆与滑块转动连接，滑块在固定滑杆上来回移动，滑块与红外加热器之间通过所述圆形摩擦副相连。

所述移动式工作台包括工作台及设置在所述工作台上的移动副，所述移动副包括滚珠丝杠副、固定平台、导轨、连接轴及驱动电机，所述驱动电机通过连接轴与滚珠丝杠副连接，滚珠丝杠副上端固定连接有所述固定平台，固定平台的两侧滑动连接在所述导轨上。

还包括连接在所述电磁屏蔽及承压外壳底部的压缩空气管道及空气压缩机。

所述纤维增强树脂基复合材料的加热固化装置的加热固化方法，包括以下几个步骤，

第一步：首先在未固化的纤维增强树脂基复合材料零件铺层表面或内部放置多个光纤温度传感器，再将带有光纤温度传感器的复合材料零件置于真空袋及辅助材料中，进行抽真空，抽真空后放置在模具内；

第二步：将所述第一步中装有未固化复合材料零件的模具放入所述八边形多模谐振腔中的移动工作台上，启动控制电路，微波发射源及红外辐射装置工作，移动工作台往复移动，冷却水系统冷却磁控管，控制柜实时测量真空和光纤温度传感器的数值，显示到上位机界面；

第三步：复合材料固化完成后，打开罐门，将固化完成后的纤维增强树脂基复合材料置于装置外降温冷却；

第四步：按照以上三个步骤对下一批零件进行固化成型。

当光纤温度传感器反馈的温度出现大于五度的温度差时，开启红外加热模块。

微波的频率为2.45GHz或915MHz，红外的波长为0.75～1000μm之间；微波的功率按腔体的大小和加热介质的升温工艺要求，在0至最大功率之间线性调节。

光纤温度传感器可为光纤光栅或光纤荧光传感器。

本发明的有益效果：

利用本发明装置的加热方法，该方法采用功率线性可调的微波和红外辐射加热器加热固化成型复合材料，两种不同频率的电磁波穿透并加热纤维增强树脂基复合材料，从而使树脂发生化学交联反应，达到固化定型温度，在短时间内完成纤维增强树脂基复合材料的成型，提高零件的质量和性能，且微波-红外加热中消耗的功率几乎都使被加热物升温，加热室室内的空气与相应的容器都不会发热，所以具有极高的生产效率和能源利用率，生产环境也明显改善。

附图说明

图1是微波红外固化纤维增强树脂基复合材料零件装置的总体结构示意图；

图2是滚珠丝杠移动平台总体结构示意图；

图3是红外辐射器摆动机构示意图；

图4是复合材料零件固化抽真空装置结构示意图；

其中：1、磁控管及馈入天线，2、八边形多模谐振腔，3、红外辐射器及驱动机构，4、电磁屏蔽外壳，5、纤维增强树脂基复合材料零件及真空袋，6、真空管，7、抽真空接口，8、真空气路压力计，9、检修阀门，10、磁控管与红外功率控制电路，11、真空泵，12、控制柜；13、冷却水机构；14、底座；15、光纤温度传感器接口；16、滚珠丝杠驱动装置；17、反射板；18、模具；19、工作台；20、压缩空气管道；21、空气压缩机；22、导轨；23、滚珠丝杠副及固定平台；24、丝杠；25、连接轴；26、驱动电机；27、电机主轴；28、轮毂；29、摇杆；30、滑块；31、固定滑杆；32、红外加热器；33、圆形摩擦副。34、脱模剂，35、脱模布，36、真空袋，37、带孔隔离膜，38、透气毡，39、密封胶带。

具体实施方式

以下结合附图和实例来说明本发明的具体实施方法，本发明不限于该实施例。

结合附图1、2、3和4说明复合材料在装置内的固化过程。

首先，准备好满足构件制造要求的模具后，在模具18表面涂刷脱模剂34。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，将未固化的复合材料零件5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36、带孔隔离膜37、透气毡38、真空袋36。真空袋沿模具周围用密封胶带39。将铺放好的未固化纤维增强树脂基复合材料零件5与模具18放置到图1中的工作台19上，接通真空泵11。启动系统控制柜12，选择手动控制或自动控制。手动控制时，通过磁控管与红外功率控制电路10，由人工分别控制微波与红外加热功率、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。

在所述电磁屏蔽及承压外壳底部连接有压缩空气管道20及空气压缩机21。空气压缩机21提供复合材料固化过程中所需要的外部气体压力，增加材料的压实固化度。

使用该装置对纤维增强树脂基复合材料的加热方法：

第一步：首先在未固化的复合材料零件铺层表面或内部放置多个光纤温度传感器，再将带有光纤温度传感器的复合材料零件置于真空袋及辅助材料中，抽真空后放置在模具内；

第二步：将所述第一步中装有未固化复合材料零件的模具放入所述八边形多模谐振腔中的工作台19上，启动控制电路，微波发射源及红外辐射装置工作，工作台19上的滚珠丝杠副及固定平台23往复移动，冷却水系统冷却磁控管，控制柜实时测量真空和光纤温度传感器的数值，显示到上位机界面；

第三步：复合材料固化完成后，打开罐门，将固化完成后的复合材料零件置于装置外降温冷却；

第四步：按照以上三个步骤对下一批零件进行固化成型。

优选的，当所述光纤温度传感器反馈的温度出现大于五度的温度差时，再自动开启红外加热模块。

所述的光纤温度传感器可以为光纤光栅或光纤荧光传感器中任意一种。

利用本发明装置的加热方法，该方法采用功率线性可调的微波和红外辐射加热器加热固化成型复合材料，在短时间内完成纤维增强树脂基复合材料的成型，提高零件的质量和性能，且微波-红外加热中消耗的功率几乎都使被加热物升温，加热室室内的空气与相应的容器都不会发热，所以具有极高的生产效率和能源利用率，生产环境也明显改善。

Claims

1. 一种纤维增强树脂基复合材料的加热固化装置，其特征在于：该装置包括：电磁屏蔽及承压外壳、八边形多模谐振腔、移动式工作台及控制柜，电磁屏蔽及承压外壳套置在所述八边形多模谐振腔外侧，在所述八边形多模谐振腔与电磁屏蔽及承压外壳之间设置有微波发射源，八边形多模谐振腔内设有红外辐射装置；所述移动式工作台放置在八边形多模谐振腔内，所述微波发射源包括多个均匀布置在所述八边形多模谐振腔外侧上的磁控管及馈入天线，所述控制柜内设有电路控制系统及在线监控反馈系统。

2.根据权利要求1所述的纤维增强树脂基复合材料的加热固化装置，其特征在于：所述在线监控反馈系统包括温度监测系统及真空度监测系统，所述温度监测系统连接有一冷却水机构，所述冷却水机构与所述磁控管相连；所述真空度监测系统连接有一抽真空机构，在八边形多模谐振腔内部设有抽真空接口，所述抽真空机构与所述抽真空接口相连。

3.根据权利要求1所述的纤维增强树脂基复合材料的加热固化装置，其特征在于：所述红外辐射装置包括红外加热器及固定安装在八边形多模谐振腔顶部的摇杆装置，该摇杆装置包括电机主轴，轮毂，摇杆，滑块、固定滑杆及圆形摩擦副，所述电机主轴与轮毂相连，轮毂带动摇杆摆动，摇杆与滑块转动连接，滑块在固定滑杆上来回移动，滑块与红外加热器之间通过所述圆形摩擦副相连。

4.根据权利要求1所述的纤维增强树脂基复合材料的加热固化装置，其特征在于：所述移动式工作台包括工作台及设置在所述工作台上的移动副，所述移动副包括滚珠丝杠副、固定平台、导轨、连接轴及驱动电机，所述驱动电机通过连接轴与滚珠丝杠副连接，滚珠丝杠副上端固定连接有所述固定平台，固定平台的两侧滑动连接在所述导轨上。

5.根据权利要求1所述的纤维增强树脂基复合材料的加热固化装置，其特征在于：还包括连接在所述电磁屏蔽及承压外壳底部的压缩空气管道及空气压缩机。

6.一种利用如权利要求1所述纤维增强树脂基复合材料的加热固化装置的加热固化方法，其特征在于：包括以下几个步骤，

第一步：首先在未固化的复合材料零件铺层表面或内部放置多个光纤温度传感器，再将带有光纤温度传感器的复合材料零件置于真空袋及辅助材料中，进行抽真空，抽真空后放置在模具内；

第二步：将所述第一步中装有未固化复合材料零件的模具放入所述八边形多模谐振腔中的滚珠丝杠副及固定平台上，启动控制电路，微波发射源及红外辐射装置工作，移动副带动工作台往复移动，冷却水系统冷却磁控管，控制柜实时测量真空和光纤温度传感器的数值，显示到上位机界面；

第三步：复合材料固化完成后，打开罐门，将固化完成后的复合材料置于装置外降温冷却；

第四步：按照以上三个步骤对下一批零件进行固化成型。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：当光纤温度传感器反馈的温度出现大于五度的温度差时，开启红外加热模块。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：微波的频率为2.45GHz或915MHz，红外的波长为0.75～1000μm之间；微波的功率按腔体的大小和加热介质的升温工艺要求，在0至最大功率之间线性调节。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：光纤温度传感器可为光纤光栅或光纤荧光传感器。