CN104149365A - 复合材料轴类零件的微波固化方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种复合材料轴类零件的微波固化方法及装置，其特征是所述的方法是先将未固化的复合材料铺叠在涂刷了脱模剂的光滑芯模表面形成待固化的轴类零件，然后将待固化的轴类零件套装在真空袋中，在真空袋的两端用耐高温胶带密封，然后抽真空以便将待固化的轴类零件压实，再将压实后的待固化的轴类零件连同芯模一并放置到微波固化炉中，按照复合材料加热工艺设置微波固化炉加热参数，加热固化复合材料轴类零件；待最终保温段结束，直接将轴类零件移出固化炉，在室外环境降温即可。本发明具有加热固化时间短、能耗低且温度均匀性好、易于控制的优点。

Description

复合材料轴类零件的微波固化方法及装置

技术领域

本发明涉及一种复合材料固化技术，尤其是一种复合材料轴类零件固化技术，具体地说是一种基于微波加热技术的复合材料轴类零件的微波固化方法及装置。

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、耐腐蚀、抗疲劳和减振性好等许多优点，已在工业领域获得了广泛的应用。采用纤维增强树脂基复合材料制造轴类零件可减轻整体结构重量，降低使用维护费用，减少振动噪声，提高轴类零件的临界转速。

在传统的成型工艺中，复合材料轴类零件多采用热压罐成型工艺方法。但该方法加热复合材料轴类零件存在层间剪切强度低、变形严重和成型周期长、能耗高等问题。此外，其加热过程是一个热传导过程，使得复合材料轴类零件内部存在温度梯度，树脂固化很难均匀和完全，易于产生较大内应力和变形。

针对传统热压罐固化的上述缺点，本发明提出一种采用微波固化复合材料轴类零件的工艺方法。微波加热固化技术是以低频电磁波穿透复合材料，在材料内部将微波能转换成热能，对复合材料轴类零件里外进行均匀加热的技术。复合材料轴类零件采用微波固化可以使得纤维与树脂的界面结合力提高，从而提高了轴类零件的层间剪切强度。微波加热速度快，温度均匀和热惯性小的特点缩短了轴类零件的成型周期，消除了温度不均匀引起的变形。此工艺方法可以快速、高效、均匀加热固化复合材料轴类零件，提高轴类零件的层间剪切强度和抗弯扭性能。

本发明提出采用微波固化复合材料轴类零件，可以实现复合材料轴类零件的快速成型固化，并可以取得良好的成型后力学性能。

发明内容

本发明的目的是针对现有的轴类零件采用热压罐固化成形时存在的一致性差、变形严重和成表周期长、能耗高等问题，发明一种基于微波加热技术的复合材料轴类零件的微波固化方法， 同时提供一种相应的固化装置。

本发明的技术方案之一是：

一种复合材料轴类零件的微波固化方法，其特征是：先将未固化的复合材料铺叠在涂刷了脱模剂的光滑芯模表面形成待固化的轴类零件，然后将待固化的轴类零件套装在真空袋中，并在零件边缘处粘贴导电胶带,在真空袋的两端用耐高温胶带密封，然后抽真空以便将待固化的轴类零件压实，再将压实后的待固化的轴类零件连同芯模一并放置到微波固化炉中，按照复合材料加热工艺设置微波固化炉加热参数,升温到树脂开始发生固化反应的温度后,开始保温,保温时间以保温结束后树脂完全固化为依据，加热固化复合材料轴类零件；待最终保温段结束，直接将轴类零件移出固化炉，在室外环境降温即可。

所述的芯模支撑在微波固化炉中的支撑装置上并与一能驱动其转动的驱动装置相连，以便在固化树脂粘度较低的复合材料轴类零件时驱动芯模在微波加热过程中单向或来回转动从而带动复合材料轴类零件来回转动达到均匀加热。如复合材料轴类零件的树脂粘度较高也可不转动，直接将真空袋压实的复合材料轴类零件放入微波场中固化。

抽真空后并静止至少30分钟以上不漏气才能放入微波固化炉加热固化。

所述的支撑和旋转机构均采用不反射微波的材料。

微波加热固化过程中保持真空度不变，加热结束后继续保持真空度直至微波固化炉内温度降至加热温度的60%以下时解除真空；真空度和抽真空时机可控。

本发明的技术方案之二是：

一种复合材料轴类零件的微波固化装置，它包括微波固化炉1、芯模6和抽真空装置，其特征是所述的芯模6的两端支承在位于微波固化炉1中的支撑装置7上，在芯模6上形成复合材料轴类零件4的位置处涂有脱模剂层13，在复合材料轴类零件4的表面加装有脱模布12、在脱模布的表面12设有带孔隔离膜11，在带孔隔离膜11的表面设有透气毡10，真空袋9套装在透气毡10上，真空袋9的两端通过高温胶带3固定在芯模3上，真空袋9通过抽真空管2与抽真空装置相连，在真空袋中或表面安装有测量加热温度的光纤传感器5，光纤传感器5与温控装置电气连接。

所述的真空袋9中的真空度可调，抽真空时机可控。

所述的芯模6连接有能驱动其单向或往复转动的驱动装置，以提高加热的均匀性，扩大所能使用的用于固化复合材料的树脂的粘度范围。

所述的驱动装置由驱动电机18和联轴器8组成，驱动电机14安装在微波固化炉外，联轴器的一端与驱动电机的输出轴相连，另一端与芯模伸出微波固化炉的一端相连。电动机不仅限于顺时针和逆时针各半圈进行交替匀速转动，还包括其他数值圈数的交替转动。

所述的轴类零件为等直径或带有多个轴肩。

本发明的有益效果：

本发明基于微波加热的原理，相比于传统的热压罐成型工艺和模具加热固化成型工艺，具有加热固化时间短、能耗低且温度均匀性好、易于控制，适于成型复合材料轴类零件。

本发明采用微波固化可以使得纤维与树脂的界面结合力提高，从而提高了轴类零件的层间剪切强度和抗弯扭性能。

本发明采用真空袋技术，可以有效地控制成型后复合材料轴类零件内部的孔隙率，减小内部缺陷，使复合材料轴类零件取得较好的成型后力学性能。

本发明采用微波能量穿透加热固化复合材料轴类零件，解决了传统电加热复合材料轴类零件存在的层间剪切强度低、变形严重和成型周期长、能耗高的问题。复合材料轴类零件采用微波固化可以使得纤维与树脂的界面结合力提高，从而提高了轴类零件的层间剪切强度。微波加热速度快，温度均匀和热惯性小的特点缩短了轴类零件的成型周期，消除了温度不均匀引起的变形。此工艺方法可以快速、高效、均匀加热固化复合材料轴类零件，提高轴类零件的层间剪切强度和抗弯扭性能。

附图说明

    图1是本发明的结构微波加热固华成形装置示意图。

    图2是本发明的轴类零件加热固化状态的剖面结构示意图。

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。

一种复合材料轴类零件的微波固化方法，先将未固化的双马树脂基复合材料铺叠在涂刷了脱模剂的光滑芯模表面形成待固化的轴类零件，然后将待固化的轴类零件套装在真空袋中，在真空袋的两端用耐高温胶带密封，然后抽真空以便将待固化的轴类零件压实，抽真空后并静止至少30分钟以上不漏气才能放入微波固化炉加热固化。再将压实后的待固化的轴类零件连同芯模一并放置到微波固化炉中，按照复合材料加热工艺设置微波固化炉加热参数,以5℃/min升温至180℃，保温150分钟，加热固化复合材料轴类零件；待最终保温段结束，直接将轴类零件移出固化炉，在室外环境降温即可。为了解决低粘度树脂固化问题，芯模可支撑在微波固化炉中的支撑装置上并与一能驱动其转动的驱动装置相连，以便在固化树脂粘度较低的复合材料轴类零件时驱动芯模在微波加热过程中单向或来回转动从而带动复合材料轴类零件来回转动达到均匀加热。微波固化炉的加热温度可控并由光纤温度传感器实时监控。微波加热固化过程中保持真空度不变，加热结束后继续保持真空度直至微波固化炉内温度降至加热温度的60%以下时解除真空；真空度和抽真空时机可控。

详述如下：

本发明的实质是采用微波能量穿透加热固化复合材料轴类零件，结合真空加压工艺，成型高性能的复合材料轴。固化成形前应将未固化的复合材料铺叠在涂刷了脱模剂的光滑芯模表面，在复合材料边缘粘贴导电胶带，采用高温胶带封装真空袋，抽真空压实后放置到微波固化炉中。按照复合材料加热工艺设置微波固化炉加热参数，加热固化复合材料轴类零件。待最终保温段结束，直接将轴类零件移出固化炉，在室外环境降温。芯模要求能够被微波穿透，其材料需选择不明显反射微波且耐高温的材料，如泡沫、塑料、陶瓷、石英、玻璃、复合材料等。真空袋加压工艺部分是在未固化的复合材料轴类零件上封装真空袋，并通过透波真空管使真空袋与外部真空系统连接，从而在未固化的复合材料轴类零件和真空袋之间形成真空区域，压实待固化的复合材料。真空袋封装后静置30分钟不漏气，即可满足要求。真空袋的布置过程是首先准备好满足构件制造要求的芯模，在芯模表面涂刷脱模剂。然后将复合材料按照工艺要求铺叠到芯模表面，在复合材料边缘粘贴导电胶带，采用高温胶带密封真空袋，然后在复合材料表面按顺序铺设脱模布12、带孔隔离膜11、透气毡10、真空袋9。真空袋沿圆筒状预浸料两端用高温胶带密封，在边缘处安放透波真空管2。复合材料轴类零件的温度在微波作用下开始持续升高前，真空袋开始抽真空（0.1MPa以下 ），保持此状态到预先制定的固化温度并在所述固化温度下充分维持一段时间。维持所述固化温度一段时间后降低制件的温度，当温度降低到70℃时释放真空，完成固化过程。所述真空系统在固化过程中抽真空速率和时机可控。在微波固化过程中，如复合材料轴类零件的树脂粘度不高，可采用转动轴类零件的方法保证树脂分布的均匀性，具体实施方法是在芯模的一端安装旋转机构。当复合材料轴类零件的温度开始持续升高时，设定旋转电机按照顺时针和逆时针各半圈（或其他数值圈数）进行交替匀速转动，直到复合材料轴类零件完全固化。旋转机构在固化过程中转动速率和时机可控；如复合材料轴类零件的树脂粘度较高也可不转动，直接将真空袋压实的复合材料轴类零件放入微波场中固化。支撑和旋转机构均采用不反射微波的材料。炉内转动系统主要由具有速度可调的电动机，传动装置，支撑装置，芯模等组成。其中，芯模不仅限于等截面的圆筒形状，还包括其他变截面的圆筒形状，如变截面的阶梯形状；电动机不仅限于顺时针和逆时针各半圈进行交替匀速转动，还包括其他数值圈数的交替转动。微波加热固化工艺是由微波加热固化炉在谐振腔内形成电磁场，从而使复合材料轴类零件得到加热。在固化工艺开始时，真空袋抽真空，压实材料。根据设置的加热温度和石英光纤传感器测量到的温度，自动调节微波功率加热复合材料轴类零件。随着材料的温度升高，树脂的固化反应开始进行。控制系统实时测量固化过程中构件的温度，以供监测和调整装置的工作状态。

实施例二。

如图1、2所示。

一种复合材料轴类零件的微波固化装置，它包括微波固化炉1、芯模6和抽真空装置，芯模的形状为等直径或台阶状态结构，所形成的轴类零件相应地也为等直径或带有多个轴肩的结构，所述的芯模6的两端支承在位于微波固化炉1中的支撑装置7上，在芯模6上形成复合材料轴类零件4的位置处涂有脱模剂层13，在复合材料轴类零件4的表面加装有脱模布12、在脱模布的表面12设有带孔隔离膜11，在带孔隔离膜11的表面设有透气毡10，真空袋9套装在透气毡10上，如图2所示，真空袋9的两端通过高温胶带3固定在芯模3上，如图1所示，真空袋9通过抽真空管2与抽真空装置相连，真空袋9中的真空度可调，抽真空时机可控在真空袋中或表面安装有测量加热温度的光纤传感器5，光纤传感器5与温控装置电气连接。

具体实施时，芯模6还可连接有能驱动其单向或往复转动的驱动装置，以提高加热的均匀性，扩大所能使用的用于粘结复合材料的树脂的粘度范围。所述的驱动装置由驱动电机18和联轴器8组成，驱动电机14安装在微波固化炉外，联轴器的一端与驱动电机的输出轴相连，另一端与芯模伸出微波固化炉的一端相连。

详述如下：

图2显示了复合材料在芯模6上的铺放过程。真空袋加压工艺部分即在未固化的复合材料轴类零件上封装真空袋，并通过透波真空管2使真空袋与外部真空系统连接，从而在未固化的复合材料轴类零件和真空袋之间形成真空空间，压实待固化的复合材料。真空袋封装后，静置30分钟不漏气，即可满足要求。真空袋系统的布置过程是首先准备好满足构件制造要求的芯模6，在芯模6表面涂刷脱模剂13。然后将复合材料4按照工艺要求铺叠到芯模6表面，在复合材料边缘粘贴导电胶带，然后在复合材料表面按顺序铺设脱模布12、带孔隔离膜11、透气毡10、真空袋9。真空袋沿圆筒状预浸料两端用高温胶带3密封，在边缘处安放抽真空管2。复合材料轴类零件的温度开始持续升高时，电动机14以设定的工艺交替转动（当复合材料轴类零件的树脂粘度较高时也可以不转动）；真空袋9以10KPa/min速率抽真空到0.1MPa，保持此状态到预先制定的固化温度（此实施例选择100℃）并在所述固化温度下充分维持一段时间。维持所述固化温度一段时间后降低制件的温度，当温度降低到一定60℃时释放真空，电动机14静止，完成固化过程。

复合材料轴类零件的炉内转动装置如图1所示，其主要由具有速度可调的电动机14，联轴器8，支撑装置7，芯模6等组成。其中，芯模6不仅限于等截面的圆筒形状，还包括其他变截面的圆筒形状，如变截面的阶梯形状；电动机14不仅限于顺时针和逆时针各半圈进行交替匀速转动，还包括其他数值圈数的交替转动。

在固化工艺开始时，真空泵开始按真空袋工艺抽真空，压实材料。随着材料的温度升高，树脂的固化反应开始进行。控制系统实时测量固化过程中构件的温度，以供监测和调整装置的工作状态。通过石英光纤传感器5测量的温度反馈到设备的控制系统（与现有技术相同或可采用现有技术加以实现），与工艺温度曲线比对，实时调整微波加热温度，实现高精度的温度控制。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合材料轴类零件的微波固化方法，其特征是：先将未固化的复合材料铺叠在涂刷了脱模剂的光滑芯模表面形成待固化的轴类零件，然后将待固化的轴类零件套装在真空袋中，并在零件边缘处粘贴导电胶带,在真空袋的两端用耐高温胶带密封，然后抽真空以便将待固化的轴类零件压实，再将压实后的待固化的轴类零件连同芯模一并放置到微波固化炉中，按照复合材料加热工艺设置微波固化炉加热参数，加热固化复合材料轴类零件；待最终保温段结束，直接将轴类零件移出固化炉，在室外环境降温即可。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的芯模支撑在微波固化炉中的支撑装置上并与一能驱动其转动的驱动装置相连，以便在固化树脂粘度较低的复合材料轴类零件时驱动芯模在微波加热过程中单向或来回转动从而带动复合材料轴类零件来回转动达到均匀加热；

如复合材料轴类零件的树脂粘度较高也可不转动，直接将真空袋压实的复合材料轴类零件放入微波场中固化。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是抽真空后并静止至少30分钟以上不漏气才能放入微波固化炉加热固化。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的支撑和旋转机构均采用不反射微波的材料。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是微波加热固化过程中保持真空度不变，加热结束后继续保持真空度直至微波固化炉内温度降至加热温度的60%以下时解除真空；真空度和抽真空时机可控。

6.一种复合材料轴类零件的微波固化装置，它包括微波固化炉（1）、芯模（6）和抽真空装置，其特征是所述的芯模（6）的两端支承在位于微波固化炉（1）中的支撑装置（7）上，在芯模（6）上形成复合材料轴类零件（4）的位置处涂有脱模剂层（13），在复合材料轴类零件（4）的表面加装有脱模布（12）、在脱模布的表面（12）设有带孔隔离膜（11），在带孔隔离膜（11）的表面设有透气毡（10），真空袋（9）套装在透气毡（10）上，真空袋（9）的两端通过高温胶带（3）固定在芯模（3）上，真空袋（9）通过抽真空管（2）与抽真空装置相连，在真空袋中或表面安装有测量加热温度的光纤传感器（5），光纤传感器（5）与温控装置电气连接。

7.根据权利要求6所述的复合材料轴类零件的微波固化装置，其特征是所述的真空袋（9）中的真空度可调，抽真空时机可控。

8.根据权利要求6所述的复合材料轴类零件的微波固化装置，其特征是所述的芯模（6）连接有能驱动其单向或往复转动的驱动装置，以提高加热的均匀性，扩大所能使用的用于固化复合材料的树脂的粘度范围。

9.根据权利要求8所述的复合材料轴类零件的微波固化装置，其特征是所述的驱动装置由驱动电机（18）和联轴器（8）组成，驱动电机（14）安装在微波固化炉外，联轴器的一端与驱动电机的输出轴相连，另一端与芯模伸出微波固化炉的一端相连；电动机不仅限于顺时针和逆时针各半圈进行交替匀速转动，还包括其他数值圈数的交替转动。

10.根据权利要求1或6所述的复合材料轴类零件的微波固化装置，其特征是所述的轴类零件为等直径或带有多个轴肩。