CN104827613A - 一种复合材料低成本快速固化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合材料低成本快速固化方法，采用中频电磁感应线圈直接作用金属模具自发加热固化成型复合材料，中频加热升温速度快，且温度场均匀性好，控制精确，温度过冲小，大大提高了生产效率的同时保证了产品质量，同时采用中频电磁感应加热只能使金属模具自身加热，成型复合材料用的非金属辅助材料并不被加热，且成型过程通过特定包覆后周围环境温度很低，这就使得在成型双马和聚酰亚胺等耐高温复合材料时，不必使用非常昂贵的耐高温辅助材料，节约了制造成本，且能耗低。

Description

一种复合材料低成本快速固化方法

技术领域

本发明涉及的是一种复合材料低成本快速固化方法，采用中频电磁感应线圈作用金属模具自发加热的方式，实现复合材料快速固化成型，属于复合材料成型技术领域。

背景技术

复合材料在航空航天等领域日益发挥重要作用，成型工艺的研究一直是复合材料学界的热点课题之一。从20世纪40年代至今，复合材料成型工艺发生了巨大而深刻的变化，为促进整个复合材料工业的发展起到了决定性的作用。未来，随着社会工业的进步，科学技术的快速发展，复合材料构件制造技术的发展方向将是:新型成型技术的应用，特别是发展快速、优良、稳定的固化技术，实现复合材料构件生产的批量化，降低复合材料制造成本，促使复合材料制造技术走向智能化、规模化。

现有的复合材料固化成型工艺，特别是传统的热压罐成型工艺，固化周期长，耗能大，生产成本高。原因在于，热压罐工艺等通过加热模具周围环境温度以热传导的方式给模具升温来固化成型复合材料，采用热传导的方式热能传递效率低，模具升温速度慢，且各部位的热传导效率不同，模具温度场均匀性控制较难，由于升温速率和温度是影响树脂黏度变化的关键因素，而树脂黏度的高低又影响固化加压时机，过慢的升温速率和不均匀的温度直接导致固化加压时间的滞后和加压时机的偏差。同时热传导方式要求外界介质温度高于模具温度，而复合材料的固化工艺温度范围较小，当模具达到工艺温度时，需要降低外界介质温度，这个过程较难控制，容易使模具温度过高，复合材料固化成型过程发生异常，影响材料质量，上述原因使得当前复合材料构件生产效率低，能耗大，质量稳定性不足，此外该工艺方法对辅助材料要求较高，造成材料成本增加。

总之，以热传导加热模具固化成型复合材料这类的成型工艺均实现不了复合材料低成本快速成型。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合材料低成本快速固化方法，该方法解决了传统通过热传导加热模具升温慢，耗能大，生产成本高的难题，实现了快速升温，提高了复合材料生产效率、并降低了辅助材料性能要求，从而降低制造成本，且能耗低。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种复合材料低成本快速固化方法，包括如下步骤：

(1)、将预固化成型复合材料铺设在要求形状的成型模具中，将测温元器件与成型模具接触；

(2)、采用透气及保温材料对预固化成型复合材料和成型模具进行包覆，使预固化成型复合材料和成型模具完全包覆其中，并使测温元器件穿过透气及保温材料；

(3)、采用真空袋对透气及保温材料进行包覆，使透气及保温材料完全包覆在真空袋中，并使测温元器件穿过真空袋；

(4)、将真空管路一端穿过真空袋与透气及保温材料接触，另外一端连接外部真空泵，检测真空袋内的真空度，若真空度满足要求，则进入步骤(5)；

(5)、将步骤(4)包覆完成的真空袋放入中频感应线圈的有效加热区内，并使测温元器件连接外部控温装置；同时将包覆完成的真空袋和中频感应线圈放置在加压装置中，并使中频感应线圈与外部控温装置连接；

(6)、启动外部控温装置，控制中频感应线圈对成型模具进行加热，并通过测温元器件进行温度测量，当测量温度达到预固化成型复合材料的工艺设定温度时，启动加压装置，对真空袋进行加压，当压力达到设定值时，保持压力不变，继续升温，完成对预固化成型复合材料的固化成型；

(7)、固化成型完成后，依次除去真空袋及透气及保温材料，脱模，得到复合材料产品。

在上述复合材料低成本快速固化方法中，成型模具为组合模具或者单一模具，若为组合模具时，预固化成型复合材料位于组合模具中间，若为单一模具时，预固化成型复合材料位于单一模具表面，所述成型模具为平板结构或曲面结构。

在上述复合材料低成本快速固化方法中，成型模具的壁厚大于中频感应线圈的电磁感应透热深度。

在上述复合材料低成本快速固化方法中，中频感应线圈包括环形线圈和平面线圈，所述环形线圈呈螺旋形状环绕在真空袋包覆模具的四周；所述平面线圈内部放置真空袋包覆模具，或者平面线圈位于真空袋包覆模具一侧。

在上述复合材料低成本快速固化方法中，透气及保温材料的材质为单层或双层结构，当成型模具的最高加热温度为200℃及以下时，采用单层结构，当成型模具的最高加热温度超过200℃时，采用双层结构。

在上述复合材料低成本快速固化方法中，采用单层结构时，透气及保温材料的材质为尼龙或聚酯纤维无纺毡，采用双层结构时，靠近成型模具的透气及保温材料为玻璃纤维编织物、隔热无机纤维毡、隔热无机纤维板或隔热涂层，靠近真空袋的透气及保温材料为尼龙或聚酯纤维无纺毡。

在上述复合材料低成本快速固化方法中，透气及保温材料的厚度保证一定的温度梯度，使成型模具的温度传递到真空袋后，真空袋的温度不超过真空袋材料使用温度；真空袋使用材质的耐热要求低于成型模具的最高加热温度，真空袋材料选用PC、PE或尼龙薄膜，且制造真空袋使用的密封胶带远离成型模具，耐热要求低于真空袋材质的耐热要求。

在上述复合材料低成本快速固化方法中，透气及保温材料的总厚度为3-10mm。

在上述复合材料低成本快速固化方法中，步骤(六)中采用中频感应线圈对成型模具进行加热的方法如下：

通过外部控温装置控制向中频感应线圈输出的脉冲强度及脉冲时间，保证成型模具表面温度低于透气及保温材料的使用温度，输入脉冲的间隔区间，利用成型模具的自身热传导达到设定的温度并实现成型模具的温度均匀。

在上述复合材料低成本快速固化方法中，中频感应线圈的频率选取范围为500Hz-3000Hz，对应成型模具的感应透热深度为5-15mm；所述步骤(6)中成型模具的升温速率为1-10℃/min。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)、相比于传统的通过热传导加热模具固化成型复合材料的方式，本发明采用中频电磁感应线圈直接作用金属模具自发加热固化成型复合材料，中频加热升温速度快，且温度场均匀性好，控制精确，温度过冲小，大大提高了生产效率的同时保证了产品质量。

(2)、本发明针对复合材料的工艺特点与现有中频应用于金属热处理及冶炼行业的不同，复合材料对模具的升温速率受到树脂体系的限制，因此对模具升温速率的要求要远低于金属热处理及冶炼，本发明对升温速率进行了优化设计，同时对中频感应线圈的形式进行了优化设计，实现了快速升温及快速成型，缩短了工艺周期；中频电磁感应线圈加热耗能更低，大幅节约了生产成本。

(3)、本发明采用中频电磁感应加热只能使金属模具自身加热，成型复合材料用的非金属辅助材料并不被加热，且成型过程通过特定包覆后周围环境温度很低，这就使得在成型双马和聚酰亚胺等耐高温复合材料时，不必使用非常昂贵的耐高温辅助材料，节约了制造成本。

(4)、本发明根据复合材料成型特点，通过理论研究结合大量试验对采用的透气及保温材料的结构形式、尺寸及材料进行了优选，保证了采用中频感应线圈进行加热成型的实现，同时保证了产品质量。

(5)、本发明根据复合材料成型特点，采用中频电磁感应加热只能使金属模具自身加热，中频电磁感应加热一旦停止，成型模具立即停止升温，不会造成过冲，可以使复合材料在准确的设定工艺温度点完成固化过程，提高成型复合材料的质量。

(6)、本发明采用中频电磁感应线圈加热固化成型复合材料，由于中频加热升温速度快，且温度场均匀性好，温度控制精确，树脂黏度在不同升温速率下不同温度所对应的黏度得到了稳定控制，解决了传统方法因升温速率过慢导致固化加压时间滞后和因温度不均匀、控制不精确造成的加压时机出现偏差的问题，提高了复合材料制品的质量。

附图说明

图1为本发明中频电磁感应加热固化成型原理示意图；

图2为本发明中频感应线圈实现形式图；

其中图2A为采用环形线圈加热状态图示；图2B为采用平面线圈加热状态图示。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为本发明中频电磁感应加热固化成型原理示意图，本发明复合材料低成本快速固化方法，包括如下步骤：

(1)、将预固化成型复合材料4铺设在要求形状的成型模具2中，将测温元器件与成型模具2接触；成型模具2为组合模具或者单一模具，若为组合模具时，预固化成型复合材料4位于组合模具中间，若为单一模具时，预固化成型复合材料4位于单一模具表面，成型模具2为平板结构或曲面结构，如图1中给出了平板结构的组合模具，预固化复合材料4位于两个模具中间。成型模具2的壁厚大于中频感应线圈1的电磁感应透热深度。

(2)、采用透气及保温材料5对预固化成型复合材料4和成型模具2进行包覆，使预固化成型复合材料4和成型模具2完全包覆其中，并使测温元器件3穿过透气及保温材料5；

(3)、采用真空袋6对透气及保温材料5进行包覆，使透气及保温材料5完全包覆在真空袋6中，并使测温元器件3穿过真空袋6；

(4)、将真空管路7一端穿过真空袋6与透气及保温材料5接触，另外一端连接外部真空泵，检测真空袋6内的真空度，若真空度满足要求，则进入步骤(5)；

(5)、将步骤(4)包覆完成的真空袋6放入中频感应线圈1的有效加热区内(电磁感应区域内)，并使测温元器件3连接外部控温装置；同时将包覆完成的真空袋6和中频感应线圈1放置在加压装置8中，并使中频感应线圈1与外部控温装置连接。

中频感应线圈1包括环形线圈和平面线圈，环形线圈呈螺旋形状环绕在真空袋包覆模具的四周；平面线圈内部放置真空袋包覆模具，或者平面线圈位于真空袋包覆模具一侧。如图2所示为本发明中频感应线圈实现形式图，其中图A为采用环形线圈加热状态图示；图B为采用平面线圈加热状态图示。

(6)、启动外部控温装置，控制中频感应线圈1对成型模具2进行加热，并通过测温元器件3进行温度测量，当测量温度达到预固化成型复合材料4的工艺设定温度时，启动加压装置8，对真空袋6进行加压，当压力达到设定值时，保持压力不变，继续升温，完成对预固化成型复合材料4的固化成型。该步骤中按照预固化成型复合材料4的固化制度完成对复合材料的固化成型。

该步骤中采用中频感应线圈1对成型模具2进行加热的方法如下：

通过外部控温装置控制向中频感应线圈1输出的脉冲强度及脉冲时间，保证成型模具2表面温度低于透气及保温材料5的使用温度，输入脉冲的间隔区间，利用成型模具2的自身热传导达到设定的温度并实现成型模具2的温度均匀。成型模具2的升温速率为1-10℃/min。

(7)、固化成型完成后，依次除去真空袋6及透气及保温材料5，脱模，得到复合材料产品。

本发明中透气及保温材料5的材质为单层或双层结构，当成型模具2的最高加热温度为200摄氏度以下时，采用单层结构，当成型模具2的最高加热温度超过200摄氏度时，采用双层结构。

采用单层结构时，透气及保温材料5的材质为尼龙或聚酯纤维无纺毡，采用双层结构时，靠近成型模具2的透气及保温材料5为玻璃纤维编织物、隔热无机纤维毡、隔热无机纤维板或隔热涂层，靠近真空袋6的透气及保温材料5为尼龙或聚酯纤维无纺毡。

透气及保温材料5的厚度保证一定的温度梯度，使成型模具2的温度传递到真空袋6后，真空袋6的温度不超过真空袋材料使用温度；真空袋6使用材质的耐热要求低于成型模具2的最高加热温度，真空袋6材料选用PC、PE或尼龙薄膜，且制造真空袋6使用的密封胶带远离成型模具2，耐热要求低于真空袋6材质的耐热要求。本发明中透气及保温材料5的总厚度为3-10mm。

本发明中中频感应线圈1的频率选取范围为500Hz-3000Hz，对应成型模具2的感应透热深度为5-15mm。

实施例1

中频电磁感应加热固化成型温度300℃～320℃碳纤维聚酰亚胺面板，具体如下：

预固化复合材料材质为碳纤维/聚酰亚胺板，长度400mm，宽度260mm，厚度2mm。

模具采用钢板加工，上下两面各一块，长度420mm，宽度300mm，厚度12mm。

透气及保温层采用2层结构，内层材料可以耐超过320℃高温，成型模具2上下两个平面采用隔热岩棉板，厚度5mm，模具的四周比较狭窄的部位采用玻璃纤维毡，堆积压实厚度不小于5mm，保证钢模具不裸露。外层材料采用普通聚酯无纺透气毡，耐热200℃，压实厚度约3mm，完全包裹保证不露出内层材料。真空袋6材料采用尼龙膜，耐热200℃，采用的密封胶带耐热200℃。

中频感应线圈采用绝缘铜导线绕制在玻璃钢骨架上，沿模具长度方向环绕模具，线圈长度约400mm，宽度约400mm，高度约100mm，调节中频频率约2KHz。

具体实现步骤如下：

(1)、将预固化成型复合材4铺设在要求形状的成型模具2上，将测温元器件3与成型模具2接触；

(2)、采用透气及保温材料5对预固化成型复合材料4和成型模具2进行包覆，使预固化成型复合材料4和成型模具2完全包覆其中，并使测温元器件3穿过透气及保温材料5；

(3)、采用真空袋6对透气及保温材料5进行包覆，使透气及保温材料5完全包覆在真空袋6中，并使测温元器件3穿过真空袋6；

(4)、将真空管路7一端穿过真空袋6与透气及保温材料5接触，另外一端连接外部真空泵，检测真空袋6内的真空度，若真空度满足要求，则进入步骤5；若不满足要求，重新包覆真空袋6后，进行检测，直至满足要求，本实施例中要求的真空度为-0.098Mpa，检测到为-0.098Mpa，满足要求，进入下一个步骤。

(5)、将步骤(4)包覆完成的真空袋6放入中频感应线圈1中，并使测温元器件3连接外部控温装置；同时将包覆完成的真空袋6和中频感应线圈1放置在加压装置8中，并使中频感应线圈1与外部控温装置连接；

(6)、启动外部控温装置，控制中频感应线圈1对成型模具2进行加热，模具钢板产生电磁感应温度上升，并通过测温元器件3进行温度测量。固化制度为：预固化成型复合材料4升温到80±5℃保温0.5～1h，升温到120±5℃保温0.5～1h，继续升温当测量温度达到预固化成型复合材料4的工艺设定温度260℃时，启动加压装置8，对真空袋6进行加压，加压压力1～1.5MPa，继续升温到320℃保持0.5～1h完成固化，升温速率可设定为3～5℃/min。

(7)、成型完成后，依次除去真空袋6及透气及保温材料5，脱模，得到复合材料产品。

从固化开始到结束整个过程，由于中频电磁感应加热升温速度快，全程用时约5h，相比传统热压罐工艺耗时约22h，生产效率提高了4倍多；采用中频电磁感应加热方式全程耗能约4.5度电，而以同样罐体大小的热压罐固化整个过程耗能约300度电，中频加热节能优势明显；此外，中频电磁感应线圈直接作用模具自发加热的方式优点在于中频电磁感应加热只加热金属模具，成型复合材料用的辅助材料均为非金属材料，本身并不被加热，且预成型产品通过特定包覆后周围环境温度很低，从安插在真空袋和密封胶条上的热电偶显示得到的温度分别为120℃和25℃。这就使得在成型双马和聚酰亚胺等耐高温复合材料时，不必使用非常昂贵的耐高温辅助材料，大大节约了制造成本。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种复合材料低成本快速固化方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)、将预固化成型复合材料(4)铺设在要求形状的成型模具(2)中，将测温元器件(3)与成型模具(2)接触；

(2)、采用透气及保温材料(5)对预固化成型复合材料(4)和成型模具(2)进行包覆，使预固化成型复合材料(4)和成型模具(2)完全包覆其中，并使测温元器件(3)穿过透气及保温材料(5)；

(3)、采用真空袋(6)对透气及保温材料(5)进行包覆，使透气及保温材料(5)完全包覆在真空袋(6)中，并使测温元器件(3)穿过真空袋(6)；

(4)、将真空管路(7)一端穿过真空袋(6)与透气及保温材料(5)接触，另外一端连接外部真空泵，检测真空袋(6)内的真空度，若真空度满足要求，则进入步骤(5)；

(5)、将步骤(4)包覆完成的真空袋(6)放入中频感应线圈(1)的有效加热区内，并使测温元器件(3)连接外部控温装置；同时将包覆完成的真空袋(6)和中频感应线圈(1)放置在加压装置(8)中，并使中频感应线圈(1)与外部控温装置连接；

(6)、启动外部控温装置，控制中频感应线圈(1)对成型模具(2)进行加热，并通过测温元器件(3)进行温度测量，当测量温度达到预固化成型复合材料(4)的工艺设定温度时，启动加压装置(8)，对真空袋(6)进行加压，当压力达到设定值时，保持压力不变，继续升温，完成对预固化成型复合材料(4)的固化成型；

(7)、固化成型完成后，依次除去真空袋(6)及透气及保温材料(5)，脱模，得到复合材料产品。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料低成本快速固化方法，其特征在于：所述成型模具(2)为组合模具或者单一模具，若为组合模具时，预固化成型复合材料(4)位于组合模具中间，若为单一模具时，预固化成型复合材料(4)位于单一模具表面，所述成型模具(2)为平板结构或曲面结构。

3.根据权利要求3所述的一种复合材料低成本快速固化方法，其特征在于：所述成型模具(2)的壁厚大于中频感应线圈(1)的电磁感应透热深度。

4.根据权利要求1所述的一种复合材料低成本快速固化方法，其特征在于：所述中频感应线圈(1)包括环形线圈和平面线圈，所述环形线圈呈螺旋形状环绕在真空袋包覆模具的四周；所述平面线圈内部放置真空袋包覆模具，或者平面线圈位于真空袋包覆模具一侧。

5.根据权利要求1所述的一种复合材料低成本快速固化方法，其特征在于：所述透气及保温材料(5)的材质为单层或双层结构，当成型模具(2)的最高加热温度为200℃以下时，采用单层结构，当成型模具(2)的最高加热温度超过200℃时，采用双层结构。

6.根据权利要求5所述的一种复合材料低成本快速固化方法，其特征在于：采用单层结构时，透气及保温材料(5)的材质为尼龙或聚酯纤维无纺毡，采用双层结构时，靠近成型模具(2)的透气及保温材料(5)为玻璃纤维编织物、隔热无机纤维毡、隔热无机纤维板或隔热涂层，靠近真空袋(6)的透气及保温材料(5)为尼龙或聚酯纤维无纺毡。

7.根据权利要求1、5或6之一所述的一种复合材料低成本快速固化方法，其特征在于：所述透气及保温材料(5)的厚度保证一定的温度梯度，使成型模具(2)的温度传递到真空袋(6)后，真空袋(6)的温度不超过真空袋材料使用温度；真空袋(6)使用材质的耐热要求低于成型模具(2)的最高加热温度，真空袋(6)材料选用PC、PE或尼龙薄膜，且制造真空袋(6)使用的密封胶带远离成型模具(2)，耐热要求低于真空袋(6)材质的耐热要求。

8.根据权利要求7所述的一种复合材料低成本快速固化方法，其特征在于：所述透气及保温材料(5)的总厚度为3-10mm。

9.根据权利要求1所述的一种复合材料低成本快速固化方法，其特征在于：所述步骤(六)中采用中频感应线圈(1)对成型模具(2)进行加热的方法如下：

通过外部控温装置控制向中频感应线圈(1)输出的脉冲强度及脉冲时间，保证成型模具(2)表面温度低于透气及保温材料(5)的使用温度，输入脉冲的间隔区间，利用成型模具(2)的自身热传导达到设定的温度并实现成型模具(2)的温度均匀。

10.根据权利要求1所述的一种复合材料低成本快速固化方法，其特征在于：所述中频感应线圈(1)的频率选取范围为500Hz-3000Hz，对应成型模具(2)的感应透热深度为5-15mm；所述步骤(6)中成型模具(2)的升温速率为1-10℃/min。