CN104589671A - 一种复合材料的微波-液压成型方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种复合材料的微波-液压成型方法和装置，其特征是它采用微波加热复合材料，并在加热过程中对复合材料制件的上下表面施加均衡的液体压力，有效压实和固化复合材料制件。本装置主要由阵列微波发生器、液体压力控制系统和开闭模系统组成。本发明解决了复合材料在传统的热压罐成型工艺中成型速度慢、温度和压力控制滞后性大和成本高的难题，在高性能、低成本复合材料成型技术领域具有广阔的市场价值和应用前景。

Description

一种复合材料的微波-液压成型方法和装置

技术领域

本发明涉及一全复合材料热固化成型技术，尤其是一种微波加热固化复合材料的技术，具体地说是一种在加热过程中能对复合材料制件的上下表面施加液体压力，有效固化和压实复合材料制件的复合材料的微波-液压成型方法和装置。

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、抗疲劳等优点，得到广泛的应用。复合材料热压罐成型方法是一种主要的成型工艺，但热压罐成型技术存在的问题是：热压罐通过热对流和热传导来加热固化复合材料制件，效率低，时间长，能耗高。同时存在压力控制滞后性大、压力不均匀和压力值不高的问题。

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。微波加热固化时间短、温度易于控制、能耗低，适于成型大尺寸复杂制件，是一种新型的复合材料加热固化方法。多数传统的热固化树脂都可采用微波辐射固化技术进行固化。利用微波固化复合材料制件，发现其固化产物的化学结构与传统热固化相同，但固化效率远大于热固化。微波固化复合材料具有极好的发展前景。

而该微波-液压成型复合材料的发明装置在微波加热固化复合材料过程中，液体压力控制系统改变上下橡胶囊内的流体压力，以液体压力压实复合材料制件此方法和装置解决了复合材料在传统的热压罐成型工艺中成型速度慢、压力不均匀、压力控制滞后性大和成本高的难题，在高性能、低成本复合材料成型技术领域具有广阔的市场价值和应用前景。

发明内容

本发明的目的是针对现有的复合材料微波固化过程中复合材料制件存在受力不匀的问题，设计一种能对复合材料制件上下面均匀施加压力的复合材料的微波-液压成型方法，同时提供一种相应的成型装置。

本发明的技术方案之一是：

一种复合材料的微波-液压成型方法，其特征在于：在微波加热复合材料过程中对复合材料制件的上下表面施加均衡的液体压力，有效压实复合材料制件；它通过将需成形的复合材料制件先放入成型模具中，再将复合材料制件和成型模具一起放入一个由耐压、耐高温上、下橡胶囊15，16）和密封圈7）组成的密闭空间中，通过对密闭空间抽真空使得上、下两个橡胶囊15，16）对复合材料施加均匀的压力；微波发生器4）产生的微波加热固化复合材料，在固化过程中，上、下橡胶囊15，16）中的液体压力施加到复合材料和模具表面，对复合材料制件施加均匀的压实力，使得复合材料制件获得与模具形状相匹配的外形并最终固化成型。

上、下橡胶囊内的压力调节范围在0至20MPa之间;作用在复合材料制件上的压力包括线性和非线性两种；上、下橡胶囊内的压力采用相等或交叉脉动变化的方式，以有效排出复合材料制件12）中的空气，减少孔隙率。

在上、下橡胶囊15，16）和密封圈7）组成的密闭空间内抽真空，使得两橡胶囊15，16）更好的贴合复合材料和模具13），液体压力有效的压实复合材料制件12），获得更好的密实度，提高复合材料制件12）的性能。

本发明的技术方案之二是：

一种复合材料的微波-液压成型装置，其特征在于：它包括上橡胶囊15、下橡胶囊16、模具13、阵列微波发生器4和开闭模系统，开闭模系统除了具有开启和闭合的作用外，还能在闭合后施加外部压力使得上橡胶囊15和下橡胶囊16同时压紧密封圈7以形成密闭空间，复合材料制件12放置在模具13上，模具13和复合材料制件12位于所述的密闭空间中；所述的上橡胶囊15和下橡胶囊16中注有流体介质8并分别设有用于加压的液体介质输入口2和用于减压的沆体介质输出口6，所述的密闭空间连接有抽真空气流出口17；所述的阵列微波发生器4安装在上模座5和下模座9上，与上模座5相连的导套1套装在与下模座9相连的导柱14上，上橡胶囊15和下橡胶囊16分别安装在上模座与下模座上对应的承压腔11中，承压腔11中安装有对应的承压板10。

上橡胶囊15和下16均能耐100℃以上的高温，并且其介电常数实部小于80。

承压腔11中的承压板10的介电常数小于80，，能承受上下橡胶囊15，16产生的压力。

本发明的有益效果是：

本发明解决了复合材料在传统的热压罐成型工艺中成型速度慢、压力不均匀、压力控制滞后性大和成本高的难题。

本发明的模具无需固定，直接置于下模液压囊的表面，同时开闭模系统具有很好的敞开性，为模具的更换提供更好的便捷性。

附图说明：

图1是本发明的微波-液压成型复合材料的成型装置的结构示意图。

图2是图1的俯视结构示意图。

图中：1是导套、2是流体介质输入口、3是螺钉、4是阵列微波发生器、5是上模座、6是流体介质输出口、7是密封圈、8是流体介质、9是下模座、10是承压板、11中承压腔、12中复合材料制件、13中模具、14中导柱、15是下橡胶囊、16是上橡胶囊、17是抽真空气流出口。

具体实施方式

下面结合附图和实例来对本发明作进一步的说明，但本发明不限于该实施例。

实施例一。

如图1-2所示。

一种复合材料的微波-液压成型方法：其关键是在微波加热复合材料过程中对复合材料制件12的上下表面施加均衡的液体压力，有效压实复合材料制件12。上下耐压、耐高温橡胶囊15、16和密封圈7组成一个密闭空间，通过抽真空使得两橡胶囊15，16分别紧贴合在复合材料和模具13。微波发生器4产生的微波加热固化复合材料，在固化过程中，上下橡胶囊中的流体介质产生的液体压力施加到复合材料和模具表面，提供均匀的压实力。上下橡胶囊内的压力调节范围在0至20MPa之间。作用在复合材料制件12上的压力包括线性和非线性两种。上下橡胶囊内的压力可采用相等或交叉脉动变化的方式，此方法可以有效排出复合材料制件12中的空气，减少孔隙率。

在两橡胶囊15，16和密封圈7组成的密闭系统内抽真空，使得两橡胶囊15，16更好的贴合复合材料和模具13，液体压力有效的压实复合材料制件12，获得更好的密实度，提高复合材料制件12的性能。成形装置包括橡胶囊15，16、模具13、流体介质8、阵列微波发生器4、开闭模系统组成。开闭模系统除了具有开启和闭合该装置的作用外，还可以在闭合装置后施加外部压力使得该装置的上下两部分同时压紧密封圈7形成密闭的空间。在模具13上铺层制得复合材料制件12，然后将模具13和制件一起放置在橡胶囊15的表面。橡胶囊15和16的耐温在100℃以上，具有介电常数和微波损耗小的特点。在橡胶囊15和16和波导口制件之间的承压板10要求介电常数和微波损耗小，韧性和刚度好，能承受橡胶囊15、16产生的压力。

上下两阵列微波发生器4产生的微波同时加热固化复合材料，提高复合材料制件12固化过程中温度的均匀性。本发明中用到的液体压力通过液体压力控制系统控制液体流量使得上下两橡胶囊15， 16内的压力保持平衡，减少模具13的变形。作用在复合材料制件12上的压力可以是等压或者交叉脉动非等压的形式。采用非等压的形式可以有效排出复合材料制件12中的空气，减少孔隙率。在两橡胶囊15，16和密封圈7组成的密闭系统内抽真空，使得两橡胶囊15,16更好的贴合复合材料制件12和模具13，液体压力有效的压实复合材料制件12，获得更好的密实度，提高复合材料制件12的性能。

实施例二。

如图1-2所示。

一种复合材料的微波-液压成型装置，它包括上橡胶囊15、下橡胶囊16、模具13、阵列微波发生器4和开闭模系统，开闭模系统除了具有开启和闭合的作用外，还能在闭合后施加外部压力使得上橡胶囊15和下橡胶囊16同时压紧密封圈7以形成密闭空间，复合材料制件12放置在模具13上，模具13和复合材料制件12位于所述的密闭空间中；所述的上橡胶囊15和下橡胶囊16中注有流体介质8并分别设有用于加压的液体介质输入口2和用于减压的沆体介质输出口6，所述的密闭空间连接有抽真空气流出口17；所述的阵列微波发生器4安装在上模座5和下模座9上，与上模座5相连的导套1套装在与下模座9相连的导柱14上，上橡胶囊15和下橡胶囊16分别安装在上模座与下模座上对应的承压腔11中，承压腔11中安装有对应的承压板10。在模具13上铺层制得复合材料制件12，然后将模具13和复合材料制件12一起放置在橡胶囊15的表面，或者可以将模具13放置在橡胶囊15的表面，然后在模具13中铺层。本装置中的模具13无需固定直接置于橡胶囊15的表面，提高了复合材料制件12铺层和模具13更换的便捷性。橡胶囊15，16具有介电常数和微波损耗小的特点，同时流体介质8也具有沸点高，挥发性小，介电常数和微波损耗小的特点。模具13浮动在橡胶囊15的表面，模具13的导热性好，热膨胀系数和复合材料制件12的热膨胀系数相当，具有透波性。

在橡胶囊15，16和波导口制件之间的承压板10要求介电常数和微波损耗小，韧性和刚度好，能承受橡胶囊15，16产生的压力，避免产生过大的变形破坏波导口的形状。本发明采用阵列微波发生器4以波导阵列的形式传输微波，使得加热复合材料制件12的微波场更加均匀。波导阵列不限于示意图2中的形式。

    本发明的使用方法如下：

1.   在复合材料模具13表面涂上脱模剂，将碳纤维环氧树脂预浸料沿着0度方向在模具13上铺层得到复合材料预制件。

2.   使用开闭模系统开启装置的承压腔11，将复合材料模具13放在橡胶囊15的表面，在复合材料预制件的表面铺放透气毡。

3.   使用开闭模系统闭合装置，并对上下承压腔11施加外压力0.5MPa。

4.   利用抽真空系统对密封空间抽真空至-0.9MPa,同时利用液体压力控制系统以0.1MPa/min的速率对上下橡胶囊内施加液体压力至2MPa，由于流体介质处于流动状态，可以有效地挤出复合材料制件12中的空气。调节微波功率以5K/min的升温速率升温至120℃。将液体压力控制为以0.05MPa的速率下降保温20min，然后以3K/min的速率升温至180摄氏度同时液体压力以0.03MPa的速度上升至1.6MPa。利用腔体余热自然冷却至室温释放残余应力。

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。

    本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种复合材料的微波-液压成型方法，其特征在于：在微波加热复合材料过程中对复合材料制件的上下表面施加均衡的液体压力，有效压实复合材料制件；它通过将需成形的复合材料制件先放入成型模具中，再将复合材料制件和成型模具一起放入一个由耐压、耐高温上、下橡胶囊（15，16）和密封圈（7）组成的密闭空间中，通过对密闭空间抽真空使得上、下两个橡胶囊（15，16）对复合材料施加均匀的压力；微波发生器（4）产生的微波加热固化复合材料，在固化过程中，上、下橡胶囊（15，16）中的液体压力施加到复合材料和模具表面，对复合材料制件施加均匀的压实力，使得复合材料制件获得与模具形状相匹配的外形并最终固化成型。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：上、下橡胶囊内的压力调节范围在0至20MPa之间;作用在复合材料制件上的压力包括线性和非线性两种；上、下橡胶囊内的压力采用相等或交叉脉动变化的方式，以有效排出复合材料制件（12）中的空气，减少孔隙率。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在上、下橡胶囊（15，16）和密封圈（7）组成的密闭空间内抽真空，使得两橡胶囊（15，16）更好的贴合复合材料和模具（13），液体压力有效的压实复合材料制件（12），获得更好的密实度，提高复合材料制件（12）的性能。

4.一种复合材料的微波-液压成型装置，其特征在于：它包括上橡胶囊（15）、下橡胶囊（16）、模具（13）、阵列微波发生器（4）和开闭模系统，开闭模系统除了具有开启和闭合的作用外，还能在闭合后施加外部压力使得上橡胶囊（15）和下橡胶囊（16）同时压紧密封圈（7）以形成密闭空间，复合材料制件（12）放置在模具（13）上，模具（13）和复合材料制件（12）位于所述的密闭空间中；所述的上橡胶囊（15）和下橡胶囊（16）中注有流体介质（8）并分别设有用于加压的液体介质输入口（2）和用于减压的沆体介质输出口（6），所述的密闭空间连接有抽真空气流出口（17）；所述的阵列微波发生器（4）安装在上模座（5）和下模座（9）上，与上模座（5）相连的导套（1）套装在与下模座（9）相连的导柱（14）上，上橡胶囊（15）和下橡胶囊（16）分别安装在上模座与下模座上对应的承压腔（11）中，承压腔（11）中安装有对应的承压板（10）。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于：上橡胶囊（15）和下（16）均能耐100℃以上的高温，并且其介电常数实部小于80。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于：承压腔（11）中的承压板（10）的介电常数小于80，，能承受上下橡胶囊（15，16）产生的压力。