CN104139532A - 微波-压力固化复合材料的温度均匀分布方法及固化装置 - Google Patents

Abstract

一种微波-压力固化复合材料的温度均匀分布方法及成套固化装置，其特征是所述的方法是在压力容器罐体中采用多边形腔体使得微波在腔体中发生多次反射，提高微波入射到复合材料的均匀性。同时在腔体的前后设置波导窗，气体介质可流动到腔体中，与复合材料发生对流换热，进一步提高材料的温度均匀性，并可实现压力容器内的气体在复合材料加热固化时施加压力。所述的装置主要包括多边形腔体和电磁屏蔽窗。本发明可提高复合材料构件的温度均匀性，降低微波固化复合材料构件的翘曲变形。

Description

微波-压力固化复合材料的温度均匀分布方法及固化装置

技术领域

本发明涉及一种复合材料固化成形技术，尤其是一种利用微波加热使复合材料快速固化成形的技术，具体地说是一种微波-压力固化复合材料的温度均匀分布方法及成套固化装置。

背景技术

 众所周知，纤维增强树脂基复合材料具有高比强度和比刚度、质量轻、耐腐蚀、抗疲劳等优点，得到广泛的应用。

微波加热固化技术是以低频电磁波穿透材料，将微波能转变成热能，对材料里外进行均匀加热的技术。微波加热固化具有生产时间短、温度易于控制、能耗低等特点，适于成型大尺寸复杂构件，是一种新型的复合材料加热固化方法。但是，之前报道的复合材料微波固化技术中都是采用真空袋压实构件。但是与传统的复合材料成型工艺，比如热压罐工艺相比，没有在压力容器内提供构件外部气压的作用，使得树脂配制和预浸料铺贴过程中裹入的空气、树脂中的挥发分等难以排出而滞留在复合材料中，产生较高的孔隙率并构成缺陷。且微波加热的均匀性在加热速率较快时，会产生“热点”，从而产生一定的加热不均匀性。

然而，在微波加热系统中加入压力容器装置的难点是，如何合理地设计微波加热部分和压力容器加热部分，使得可提供均匀微波场的微波加热装置可以在高压力的条件下正常工作。

发明内容

本发明的目的是针对现有的复合材料微波固化成形装置存在加热效率低、能耗高、均匀性差的问题，发明一种微波-压力固化复合材料的温度均匀分布方法，同时设计一种温度分布均匀的成套固化装置。

本发明的技术方案之一是：

一种微波-压力固化复合材料的温度均匀分布方法，其特征在于：将复合材料构件14放置到多边形腔体9中,使微波能量在多边形腔体9中发生多次反射后入射到复合材料14表面和内部；同时使气体压力通过压力容器提供后作用到复合材料表面，压实材料；当测量到的复合材料14温度出现温差时，加热或冷却压力容器1中的气体介质，并使所述的气体介质通过多边形腔体9上设置的电磁屏蔽通风窗实现循环流动，与复合材料发生对流换热，以提高复合材料构件14的温度均匀性。

所述的温差为5℃-10℃。

本发明的技术方案之二是：

一种温度均匀分布的微波-压力复合材料固化装置，它包括压力容器1、安装在压力容器1中的固化腔体9、真空发生装置和微波发生装置，真空发生装置通过真空管8穿过压力容器1及固化腔体9与旋转固化工件14的真空袋15相连通，微波发生装置产生的微波通过微波传输线7送入固化腔体9中，其特征是所述的固化腔体9的内腔横截面为能多次反射微波的多边形结构，在固化腔体9的两端分别安装有一个固定式电磁屏蔽通风窗4和一个能打开以方便取放工件的活动式电磁屏蔽通风窗5，在压力容器1中、正对固定式电磁屏蔽通风窗4或活动式电磁屏蔽通风窗5的位置处安装有加热或致冷装置3，在加热或致冷装置3的一侧安装有送风装置2，送风装置2将经加热或致冷装置3加热或冷却后的压力容器1中的气体介质从固定式电磁屏蔽通风窗4或活动式电磁屏蔽通风窗5送入固化腔体9中对固化工件14进行加热或冷却以达到使固化工件14表面温度分布均匀的目的。

所述的固定式电磁屏蔽通风窗4或活动式电磁屏蔽通风窗5均包括金属蜂窝板18和固定板17，金属蜂窝板18安装在一个电磁屏蔽框21中，电磁屏蔽框21固定在固定板17中，固定板17固定或铰装在固化腔体9的一端上。金属蜂窝板18的孔径刚好屏蔽所用来加热复合材料的电磁波，同时中空的蜂窝结构可以使气流流通。

所述的电磁屏蔽框21通过螺钉固定在固定板17中。

所述的金属蜂窝板18与固化腔体9外侧相对的一面上加装有加强筋。

所述的加强筋呈交叉状结构。

所述的金属蜂窝板18为铝蜂窝板。

所述的真空袋15中安装有温度传感器。

本发明的有益效果：

本发明可以很好地融合压力容器加压系统和均匀微波加热系统，从而快速成型固化复合材料构件，并尤其是大尺寸复杂曲面复合材料构件。同时将气体介质在加热后流动到腔体中，与复合材料发生对流换热，进一步提高材料的温度均匀性。该装置和方法可以取得良好的成型后力学性能。

本发明具有加热固化时间短、能耗低且易于控制。

本发明可以在固化工艺中提供与传统复合材料热压罐成型工艺相当的压力压实材料，从而保证了成型后复合材料的质量。本发明在微波加热的同时，加入气体加热或冷却装置，能消除微波快速加热可能导致的对复合材料加热不均匀的问题。

附图说明

    图1是本发明的结构示意图。

    图2是图1的A-A剖视图。

    图3是图1的B向视图。

     图中：1为压力容器，2为送风装置（风扇），3为冷却或加热装置（电热丝），4为固定式电磁屏蔽通风窗，5为活动式电磁屏蔽通风窗，6为压力容器罐门，7为微波传输线，8为真空管（抽真空用），9为固化腔体，10为压力传感器，11为导轨，12为载物台，13为模具，14为固化工件（复合材料），15这真空袋系统，16为温度传感器，17为固定板，18为金属蜂窝板（铝蜂窝），19为加强筋，20为固定螺栓，21为电磁屏蔽框（铍铜簧片）。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

如图1-3所示。

一种微波-压力固化复合材料的温度均匀分布方法，首先将复合材料构件14放置到多边形腔体9中,使微波能量在多边形腔体9中发生多次反射后入射到复合材料14表面和内部；同时使气体压力通过压力容器提供后作用到复合材料表面，压实材料；当测量到的复合材料14温度出现温差（一般为5℃-10℃）时，加热或冷却压力容器1中的气体介质，并使所述的气体介质通过多边形腔体9上设置的电磁屏蔽通风窗实现循环流动，与复合材料发生对流换热，以提高复合材料构件14的温度均匀性。

实施例二。

一种温度均匀分布的微波-压力复合材料固化装置，它包括压力容器1、安装在压力容器1中的固化腔体9、真空发生装置和微波发生装置，如图1所示，真空发生装置通过真空管8穿过压力容器1及固化腔体9与旋转固化工件14的真空袋15相连通，微波发生装置产生的微波通过微波传输线7送入固化腔体9中，真空袋15安装在模具13，模具13安装在载物台12上，载物台12安装在导轨11上，导轨11安装在固化腔体9中，所述的固化腔体9的内腔横截面为能多次反射微波的多边形结构，其中以六边形为最佳，也可为五边、八边等形状，在固化腔体9的两端分别安装有一个固定式电磁屏蔽通风窗4和一个能打开以方便取放工件的活动式电磁屏蔽通风窗5，在压力容器1中、正对固定式电磁屏蔽通风窗4或活动式电磁屏蔽通风窗5的位置处安装有加热或致冷装置3，在加热或致冷装置3的一侧安装有送风装置2，送风装置2将经加热或致冷装置3加热或冷却后的压力容器1中的气体介质从固定式电磁屏蔽通风窗4或活动式电磁屏蔽通风窗5送入固化腔体9中对固化工件14进行加热或冷却以达到使固化工件14表面温度分布均匀的目的。如图2所示，具体实施时固定式电磁屏蔽通风窗4或活动式电磁屏蔽通风窗5均包括金属蜂窝板18和固定板17，如图3所示。金属蜂窝板18（可采用铝合金蜂窝）安装在一个电磁屏蔽框21中，电磁屏蔽框21固定在固定板17中，固定板17固定或铰装在固化腔体9的一端上，金属蜂窝板18上蜂窝的孔径刚好屏蔽所用来加热复合材料的电磁波，同时中空的蜂窝结构可以使气流流通。所述的电磁屏蔽框21通过螺钉固定在固定板17中。所述的金属蜂窝板18与固化腔体9外侧相对的一面上加装有呈交叉状结构加强筋。为了实现压力和温度调控，应在压力容器中安装有压力传感器10，在真空袋15中安装有温度传感器，用来实时监测工作压力和固化温度。

下面结合附图进一步说明温度均匀分布的微波-压力复合材料固化装置：微波通过微波传输线7传输至多边形固化腔体9形成电磁场，对其中的需固化的复合材料固化工件14进行加热。在固化工艺开始时，通过真空管8开始抽真空，外部压力容器1提供气压，对整个腔体加压，压实固化工件14。控制系统通过温度传感器16实时测量的温度反馈到设备的控制系统，实时调整微波加热温度，并调节气体介质加热的控制系统，实现高精度的温度控制。并且，通过压力传感器10实时测量固化腔体9内的气压，反馈到控制系统对压力容器1的加压部分进行控制。经过一段时间的加热和保温及压力作用，复合材料固化工件14固化成型。

其中，外部的压力容器1，可通过压力传感器10测得的压力容器1内的气体压强数据，根据控制系统中编制的加压的工艺曲线，实时控制并满足复合材料成型的压力曲线工艺。且该压力容器1的最大承压值为2.0MPa。

而多边形固化腔体9固定在压力容器1内部，作用是使通过微波传输线进入的微波在固化腔体9内进行多次反射，可以形成均匀的微波场，从而可以对放置于其中的待固化的复合材料固化工件14构件进行均匀地加热。多边形固化腔体9以六边形为最佳。

电磁屏蔽通风窗4，5的结构如图3所示，电磁屏蔽通风窗4、5是主要由金属蜂窝材料18制成的结构，周围设置C型的金属边条17固定。金属蜂窝18的孔径刚好屏蔽所用来加热复合材料的电磁波，同时中空的蜂窝结构可以使气流流通，方便压力容器1对多边形腔体内加压和气体介质的对流。而且，电磁屏蔽通风窗的边缘布置有铍铜簧片21，方便其结构与多边形腔体结构连接处的电磁屏蔽，结构的连接使用螺栓20。蜂窝结构18通过在电磁屏蔽通风窗4，5外侧加上加强筋19保证结构刚度。腔体一侧的电磁屏蔽通风窗4完全连接在多边形固化腔体上，腔体另一侧，即压力容器的罐门6一侧的电磁屏蔽通风窗5的一条边通过铰链连接在多边形腔体上，可自由转动和开关，方便取放模具13和复合材料固化工件14。

本发明的使用方法是先将待固化的复合材料固化工件14放置到多边形腔体9中, 在固化工艺开始时，通过真空管8开始抽真空，外部压力容器1提供气压，对整个腔体加压，压实待固化的复合材料固化工件14。微波能量在多边形腔体9中发生多次反射后入射到待固化的复合材料固化工件14表面和内部。气体压力通过压力容器提供后作用到复合材料表面，压实材料。当测量到的复合材料固化工件14温度出现温差到达5℃以上时，加热或冷却腔体中的气体介质，通过前后的电磁屏蔽通风窗5实现循环流动，进一步提高复合材料固化工件14的温度均匀性。同时，压力容器1中的气体通过电热丝3加热（或通过冷却管降温）后依靠风机2在腔体中实现循环流动，与复合材料发生对流换热，进一步提高材料的温度均匀性。

其中，压力容器1中气体压力的施加可根据材料的工艺要求提前在控制系统中设置并在成型过程中自动控制。并且，测量到的复合材料构件14最大和最小温度的差异达到或超过设定的最大温度5℃时，采用加热（或冷却）气体介质，并在多边形腔体9中循环流动的方法进一步减小温差。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种微波-压力固化复合材料的温度均匀分布方法，其特征在于：将复合材料构件（14）放置到多边形腔体（9）中,使微波能量在多边形腔体（9）中发生多次反射后入射到复合材料（14）表面和内部；同时使气体压力通过压力容器提供后作用到复合材料表面，压实材料；当测量到的复合材料（14）温度出现温差时，加热或冷却压力容器（1）中的气体介质，并使所述的气体介质通过多边形腔体（9）上设置的电磁屏蔽通风窗实现循环流动，与复合材料发生对流换热，以提高复合材料构件（14）的温度均匀性。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的温差为5℃-10℃。

3.一种温度均匀分布的微波-压力复合材料固化装置，它包括压力容器（1）、安装在压力容器（1）中的固化腔体（9）、真空发生装置和微波发生装置，真空发生装置通过真空管（8）穿过压力容器（1）及固化腔体（9）与旋转固化工件（14）的真空袋（15）相连通，微波发生装置产生的微波通过微波传输线（7）送入固化腔体（9）中，其特征是所述的固化腔体（9）的内腔横截面为能多次反射微波的多边形结构，在固化腔体（9）的两端分别安装有一个固定式电磁屏蔽通风窗（4）和一个能打开以方便取放工件的活动式电磁屏蔽通风窗（5），在压力容器（1）中、正对固定式电磁屏蔽通风窗（4）或活动式电磁屏蔽通风窗（5）的位置处安装有加热或致冷装置（3），在加热或致冷装置（3）的一侧安装有送风装置（2），送风装置（2）将经加热或致冷装置（3）加热或冷却后的压力容器（1）中的气体介质从固定式电磁屏蔽通风窗（4）或活动式电磁屏蔽通风窗（5）送入固化腔体（9）中对固化工件（14）进行加热或冷却以达到使固化工件（14）表面温度分布均匀的目的。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征是所述的固定式电磁屏蔽通风窗（4）或活动式电磁屏蔽通风窗（5）均包括金属蜂窝板（18）和固定板（17），金属蜂窝板（18）安装在一个电磁屏蔽框（21）中，电磁屏蔽框（21）固定在固定板（17）中，固定板（17）固定或铰装在固化腔体（9）的一端上；金属蜂窝板（18）的孔径刚好屏蔽所用来加热复合材料的电磁波，同时中空的蜂窝结构可以使气流流通。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征是所述的电磁屏蔽框（21）通过螺钉或铆钉或焊接固定在固定板（17）中。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征是所述的金属蜂窝板（18）与固化腔体（9）外侧相对的一面上加装有加强筋。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征是所述的加强筋呈交叉状结构。

8.根据权利要求4所述的装置，其特征是所述的金属蜂窝板（18）为铝蜂窝板。

9.根据权利要求3所述的装置，其特征是所述的真空袋（15）中安装有温度传感器。