CN107662303A - 一种碳纤维增强树脂基复合材料综合电损耗固化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种碳纤维增强树脂基复合材料综合电损耗固化方法，在沿碳纤维增强树脂基复合材料各层的纤维方向和垂直于纤维方向，分别铺设成对金属片材，在各对片材间独立施加波形、频率、电流密度连续变化的交变电场，垂直于纤维方向，碳纤维等同于平行板电容器，纤维间隙基体产生极化损耗，漏导损耗和游离损耗等介电损耗，沿碳纤维方向，纤维自身在电流作用下产生电导损耗，在多种形式的损耗热能综合作用下，材料整体加热并最终固化复合材料构件。本发明可实现大尺寸、大厚度碳纤维复合材料构件的高效率，低能耗固化，改善构件固化过程中各方向上温度均匀性，提高大尺寸构件的固化质量。

Description

一种碳纤维增强树脂基复合材料综合电损耗固化方法

技术领域

本发明涉及一种碳纤维增强树脂基复合材料制造方法，尤其是一种碳纤维增强树脂基复合材料固化方法，具体地说是一种碳纤维增强树脂基复合材料综合电损耗固化方法。

背景技术

碳纤维增强树脂基复合材料已经成为航空航天领域内大量运用的关键材料，其使用场合已经由飞行器雷达罩、安定面蒙皮等次承力构件发展到包括大型翼梁、机翼壁板、翼盒、整体机身等主承力构件。航空碳纤维复材构件具有大尺寸，大厚度的特点，如波音787的整体机翼壁板达到了28.6米，A350的机身筒段直径达到了5.49米，A380的碳纤维复材中央翼盒的接头厚度达到了45毫米。大型构件整体成型，共固化是下一代航空航天碳纤维复合材料构件的发展趋势。热压罐成型工艺由于其成型质量佳、工艺重复性好、孔隙率低和树脂含量均匀等特点，是航空航天碳纤维复材构件主要的成型工艺。然而，针对大型碳纤维增强树脂基复材构件的固化，热压罐工艺主要存在以下三个问题：(1)由于复合材料厚度方向热传导性能差，热压罐固化工艺热惯性大，导致碳纤维复材构件厚度方向的温度不均匀。(2)热压罐工艺必须通过降低升温速率和延长保温时间来保证材料温度均匀性，故热压罐工艺固化时间长。(3)热压罐工艺加热罐内空气、模具、辅助材料和设施，加之固化时间长，故其能量消耗巨大。

为解决上述问题，近年来，已有若干专利提出了利用碳纤维自身作为阻抗导体，凭借其通电后发生的电导损耗产生热能，加热纤维和树脂，从而整体固化复合材料的方法。相比于热压罐固化工艺，该方法具有加热温度均匀，升温速率快，能耗低等优势。中国专利申请号200310113547.4，申请日2003年11月17日，由中国航空工业第一集团公司北京航空材料研究院提出了一种导电性碳、石墨纤维增强树脂基自电阻加热成型及纤维增强热塑性复合材料的自电阻加热焊接和修补的方法，该方法利用了复合材料自身电阻通以2×10⁴A/m²的电流通量，产生焦耳热量，加热固化复合材料。中国专利申请号201410018321.4，申请日2014年1月16日，由北京航空航天大学公开了一种碳纤维增强复合材料的加工系统及其采用液体成型工艺的可控碳纤维自加热方法，该方法将正负箔电极置于连续纤维的两端，通过调控器对连续碳纤维施加低压大电流，电压不超过50V，电流不超过300A，在真空压力的辅助下，完成树脂灌注和加热固化。中国专利申请号201580029111.8，申请日2015年4月3日，由空中客车基团简化股份公司公开了一种用于制造复合材料部件的方法和装置，该方法在复合材料纤维两端放置电端子，当电端子和材料间通过电流时产生焦耳效应来固化树脂。中国专利申请号201510817586.5，申请日2015年11月23日，由西北工业大学公开了一种树脂基碳纤维复合材料的自阻电加热固化方法，该发明施加直流电流于各层呈90°正交铺叠碳纤维预浸料复合材料，并保护了直流电流电流强度的计算公式，其中电流强度与材料的宽度，以及材料厚度的二次方根呈正相关。中国专利申请号201611229851.9，申请日2016年12月27日，由北京航空航天大学公开了一种以碳纤维薄毡作为加热单元的热塑性复合材料电阻加热的快速成型方法及加工系统，该方法采用将碳纤维发热单元内嵌入热塑性预浸料片材内部，采用通电间接加热的方式加热玻璃纤维、玄武岩纤维等绝缘增强体热塑性复合材料。

上述方法的共同特征均为仅在碳纤维两端放置电极，施加低压，形成极高电流密度的直流电流，凭借直流电流在碳纤维内部发生的电导损耗，固化复合材料。这类方法的原理建立在欧姆定律和焦耳定律的基础上，即纤维通电发热效率，受到材料体积电阻、直流电流强度的影响。这类原理在固化成型大尺寸碳纤维增强树脂基复合材料构件时主要存在以下两个问题：1)恒流源电流输出高，加热速度慢，难以有效加热。大型碳纤维复合材料构件的横截面积较大、纵横比较小，其体积电阻将远小于电路线缆负载，此时整个直流串联电路能量将大量损失于接触点和传输线缆而使材料难以有效加热，如尺寸仅为长1m宽1m厚10mm的复合材料构件的体积电阻仅为10^-4Ω，需要通以800A的电流才能加热至固化温度，而其使用的电缆截面面积高达630mm²。2)强电流密度对碳纤维有极强的电流刻蚀作用。在氧化环境中，电流密度大于1.39A/m²后，碳纤维表面石墨化度随电流密度增大而降低，且产生较多沟槽，局部纤维甚至出现穿孔的现象，在此基础上继续增大电流密度，将增大电流刻蚀强度，严重损伤碳纤维本身，造成材料纤维承载性能下降；显然，上述方法加热大型构件的电流密度均达到了10⁴A/mm²，远大于出现严重电流刻蚀的电流密度，构件机械性能将严重下降。因此，亟需一种可用于大型碳纤维增强树脂基复合材料构件的加热方法，实现高质量、高效率、低能耗加热固化过程。

发明内容

本发明的目的在于，针对现碳纤维自电阻加热方法中难以有效加热大型构件、强电流密度下纤维受到电流刻蚀的问题，提出了一种大型碳纤维增强树脂基复合材料构件综合电损耗压力固化方法，在控制材料内部电流密度小于电流刻蚀阈值的基础上，以交变电场施加于各层材料，在多种电损耗形式综合作用下，施加高压，实现碳纤维增强树脂基复合材料构件高质量、高效率、低能耗固化。

本发明技术方案：

一种碳纤维增强树脂基复合材料综合电损耗固化方法,其特征在于，在碳纤维增强树脂基复合材料各层边缘，沿纤维方向和垂直于纤维方向，分别铺设成对金属片材作为电极，在各对电极间独立地施加波形、频率、电流密度连续变化的交变电场，在树脂基体的极化损耗，漏导损耗和游离损耗，以及纤维的电导损耗组成的综合电损耗作用下，按照综合电损耗固化温度控制策略，在压力的辅助下加热固化复合材料。

具体固化步骤包括：

步骤1：铺放准备与裁切下料；有机溶剂清洗模具表面，均匀涂覆脱模剂，保证模具与材料间绝缘；裁切原材料，并按照材料边缘轮廓裁切金属片材作为电极；

步骤2：材料与电极铺叠；按照材料设计要求，逐层铺叠材料，单向材料层间夹角可为任意角度；在各层材料边缘，沿纤维方向和垂直于纤维方向分别铺设成对电极，电极由外部压力或导电粘接剂固定；材料内部与外部设置温度传感器；

步骤3：连接电通路；将各层材料两对电极引出的线缆分别接入多输出电源，各条电通路之间相互独立；电通路中接入电参数测量仪表；

步骤4：布置辅助材料及保温层；按照材料及工艺要求，铺设辅助材料后，再利用导热系数小于等于0.12W/(m·K)的材料，包裹整个材料；

步骤5：施加压力；铺叠好的材料体系在对应的压力设备中放置稳妥，材料处于氮气或二氧化碳类惰性气体内，并按照成型工艺施加压力；

步骤6：交流电场综合电损耗固化；为各层碳纤维材料的两对电极独立地施加不同波形、频率、电流密度的交变电场，按照材料成型工艺，以综合电损耗固化温度控制策略执行加热、保温、冷却，最终固化材料；

步骤7：脱模与切割；脱模后，除去辅助材料，按构件轮廓将材料边缘的金属电极区域切割，获得最后的复合材料构件。

所述的交变电场波形可以是正弦波、三角波、PWM脉宽调制波、截断正弦波、随机波形；所述的电场频率可以是由低频、中频、高频连续变化的波形，频率范围为0-300000Hz。

所述的综合电损耗固化温度控制策略为，以温度为反馈信号，独立控制各电通路的电参数；垂直于纤维方向控制电场交变频率，频率上限为树脂基体极化响应频率最大值；沿纤维方向控制电流密度，电流密度上限为碳纤维电流密度阈值，该阈值以电流刻蚀效应不降低复合材料宏观性能为设定标准。

所述的压力通过真空压力、高压气体、高压液体、机械压力方式施加压力；压力施加设备可以是真空袋，大型高压罐，柔性膜液压腔，模压机之类的能为材料体系提供外部高压的设备，同时施加压力的方式也可为上述两种或多种方法的融合。

所述铺叠后的复合材料为平均体积电阻率小于10^-3Ωm的层合板构件；材料体系可以是碳纤维增强热固性树脂基预浸料、干态碳纤维与液态热固性树脂基体或胶膜、碳纤维增强热塑性树脂片材、以及干态碳纤维与粉末或颗粒状热塑性树脂基体共混物。

所述的电极金属片材为如铝、铜、银这类具有极低电阻率的金属材质，可制成片、网状以及栅格状，其厚度小于单层碳纤维复合材料的厚度。

所述的温度传感器为材料层间多点温度传感器，或整个构件的外部非接触式测温仪；所述的材料电参数测量仪表为可测量材料体积电阻，电流，电压，频率，波形类电参数的数字电表。

所述的保温层可以是硅酸铝棉，酚醛泡沫板，陶瓷保温板类低导热系数材料。

本发明的有益效果是：

本发明固化大尺寸碳纤维增强树脂基复合材料构件的明显优点在于：

(1)厚度方向、面内温度均匀；本发明中整个构件在交变电场作用下，材料内部的纤维和树脂作为热源，整体加热，厚度方向、面内无热量传递过程，温度梯度小，固化反应均匀发生，固化残余应力小，构件变形小；

(2)迅速升温，固化周期短，能耗极低；本发明中电能直接作用于材料，能量利用率高，材料升温速率快；由于温度均匀，无需设定众多保温平台，固化周期大大缩短；材料整体自发热，无外部设备设施的加热和热量传递过程，在保温材料的辅助下，能耗极低；

(3)温度调控精准，响应迅速；由于无传热过程，在整个固化过程中材料自身作为热源，能量仅有电缆线提供，故当大厚度热固性树脂基复合材料发生剧烈反应放热时，可立即停止电压输入，将能量耗散，并迅速缓解热冲击，使得材料均匀固化；

(4)低强度电流刻蚀效应，大幅碳纤维复合材料界面强度；本发明中严格限制各层电通路的电流密度阈值，防止传统碳纤维复合材料自电阻加热中出现的高强度电流对纤维的不可逆刻蚀损伤；在本方法中，碳纤维中仅存在低强度的电流刻蚀效应，纤维表面仅出现浅层的沟槽，该沟槽可有效提高纤维与树脂间的机械啮合程度，进而提高复合材料的界面强度；

(5)多种电损耗综合作用，大型构件有效加热固化；本发明中利用交变电场作用于各层碳纤维复合材料的两个方向，树脂基体在高频低电流密度的作用下产生极化损耗、漏导损耗和游离损耗，纤维在电流作用下产生电导损耗，由多种损耗形式综合作用，各层材料内的电流密度可以限制在较低水平，就实现大型构件的有效加热，该方法保证了大型构件的的质量，同时降低了对电源的输出电流值的要求。

(6)交变电场促进了树脂交联，固化速度快；对于树脂分子团在交变电场作用下高速旋转、振荡、摩擦，交变电场提高了交联反应活化能，促进了树脂固化反应进程，相比传热加热固化过程，损耗热能固化速率更快。

本发明可实现大尺寸、大厚度碳纤维复合材料构件的高效率，低能耗固化，改善构件固化过程中各方向上温度均匀性，提高大尺寸构件的固化质量。

附图说明

图1是本发明中综合电损耗压力固化原理示意图。

图2是本发明在压力罐内实施示意图。

图3是本发明不同方向及不同轮廓的纤维层金属电极铺设示意图。

图4是本发明综合电损耗压力固化温度工艺曲线图。

图5是本发明在液压压床中实施示意图。

具体实施方案

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。应当指出的是，下述实施例仅用于说明本方法的某些实施特例，并不用于限制本发明的保护范围。此外，在本发明公开后，本领域技术人员基于本发明中损耗热综合作用下固化成型碳纤维增强树脂基复合材料的原理所做出的任何修改和变化，都属于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示。

一种碳纤维增强树脂基复合材料综合电损耗固化方法，它通过在碳纤维增强树脂基复合材料各层的纤维方向和垂直于纤维方向边缘设置成对金属片材，在各对金属片材间施加独立的频率、波形、电流密度连续变化的交变电场，碳纤维间隙中基体材料产生极化损耗，漏导损耗，碳纤维自身产生的电导损耗，在上述电能损耗热的综合作用下，实现碳纤维增强树脂基复合材料构件的固化。碳纤维增强树脂基复合材料构件逐层铺放过程中，材料按照设计的铺层顺序进行铺放，每层碳纤维的纤维方向和垂直于纤维方向，分别放置两对独立的金属片材，作为两对独立的电极端子，并由线缆连接至多输出电源的某一输出端；利用多个输出源独立的在各对金属片材间施加交变电场，每一路电场的波形、频率、电流密度均可连续调控；所述的多输入源可以为若干小型交流恒流源，或单一多路输出电源；所述的电场波形可以是正弦波、三角波、PWM脉宽调制波、截断正弦波、随机波形；所述的电场频率可以是由低频、中频、高频连续变化的波形，频率范围为0-300000Hz；所述的电流密度设有上限阈值，该阈值以碳纤维的电流刻蚀效应不导致复合材料宏观力学性能下降为设定标准，且由碳纤维的石墨化度，表面含氧活性官能团等参数决定；

本发明中，如图1所示，在各层材料垂直于纤维方向上，相邻碳纤维处于搭接或间隔的状态，间隔的碳纤维可认为形成平行板电容器，其间的树脂基体可看成是电容器中电介质，在一定交变频率下的电场作用下，树脂电介质分子发生旋转、振动、碰撞、摩擦等运动，称为极化损耗，极化损耗热量与树脂基体的介电常数，交变电场频率、温度有关，同时由于部分自由电子，树脂基体也存在漏导损耗，在外加交变电场表示为：

E(t)＝E_msin(ωt)，上述损耗可表示为：

P(t)＝ωεtanδE_m ²·sin²(ωt)

其中ω为电源角频率，δ为介质损耗角，ε为树脂基体介电常数，E_m为外加交变电场电压幅值；

沿纤维方向上，碳纤维在交变电流的作用下，发生电导损耗，其有功功率可以表示为：

其中J_0°为沿纤维方向上的电流密度，d_l，d_w以及d_t分别为碳纤维复合材料构件的长度、宽度和厚度，ρ_v为沿纤维方向的体积电流密度，为功率因素角。

通常来说同一层内的两条电通路是独立运行的，考虑到不同种类的信号对电源端子的影响，两条电通路间隔导通，各部分的导通时间可控，且在纤维电流密度已经趋近于阈值的情况下，主要使用介电损耗加热通路。加热过程中，根据材料加热固化工艺曲线按照综合电损耗压力固化温度控制策略进行升温，保温以及降温控制；各对金属片材两端同时接有高精度数字万用表，实时测量该对片材内部材料的体积电阻率，电流密度等电参数；各层边缘同时埋有多点温度传感器，实时测量该层加热温度及厚度方向上温度分布；整个构件的正上方配有非接触测温设备，可测量材料表面的温度分布；

综合电损耗压力固化温度控制策略是：首先根据树脂基体在各频段的复介电常数选取极化损耗响应频频段，以该频段中最低频率施加于垂直于纤维方向电通路；加热过程中，对于某层材料的目标温度高于实际温度，调增该层纤维方向电通路电流有效值，增强碳纤维电导损耗，但调增以碳纤维电流密度阈值为上限；同时调增垂直于纤维方向电路交变频率，增强树脂基体的极化损耗，直至频率达树脂极化损耗响应频段最大值；类似的，对于某层材料的目标温度低于实际温度，先调降纤维方向电流有效值，再调降垂直于纤维方向的交变频率；频率、电流密度的调节均为以温度为反馈信号的并行独立PID控制；

本发明的碳纤维增强树脂基复合材料的横向尺寸超过500mm，纵向距离通常不做限制，铺层数量超过10层，通常指厚度大于1mm的碳纤维增强树脂基构件；沿各方向的平均体积电阻率小于10^-4Ωm，若为单向材料，沿纤维方向体积电阻率小于10^-5Ωm；固化的材料体系可以是碳纤维增强热固性树脂基预浸料、干态碳纤维与液态热固性树脂基体或胶膜、碳纤维增强热塑性树脂片材、以及干态碳纤维与粉末或颗粒状热塑性树脂基体共混物等；所述的金属片材为如铝、铜、银这类具有极低电阻率的金属材质，可制成片、网状以及栅格状，其厚度小于单层碳纤维复合材料的厚度，为避免材料边缘过厚，通常选取金属片材厚度为材料厚度20％为宜。

具体步骤是：

步骤1:铺放准备；用酒精或丙酮有机溶剂清洗模具工作表面，除去杂质及树脂残留物，待清洗溶剂挥发后，在模具表面喷洒或涂覆脱模剂，脱模剂的使用温度高于材料的固化温度，若为金属模具，需在喷涂完脱模剂后铺叠一层柔性绝缘薄膜；

步骤2：裁切下料；按照铺放模具的构型，将碳纤维预浸料或干态碳纤维裁切成制定的形状，材料边缘预留金属片材铺叠区，以及固化后的切割余量；根据每层碳纤维材料的轮廓外形，对应裁切若干金属片材，金属片材的宽度不超过零件横向宽度的1/500，金属片材与电缆连接，连接方式可采用焊接，也可采用线缆环形接头螺接，线缆规格的选用根据电流密度阈值选取；

步骤3：材料铺叠；每铺叠一层碳纤维材料，在其边缘沿纤维方向与垂直于纤维方向，分别铺贴两对金属片材(图3中显示了不同方向及不同轮廓的纤维层金属电极铺设方式)，两对金属片材之间相互独立，也即在材料的四周均有金属片材电极端子；其金属片材可通过机械压力固定，如真空压，夹板压力或压紧螺栓，也可通过导电胶粘接，导电胶可以是导电银胶、石墨导电胶等；按照构件铺层要求，完成整体材料的铺叠，根据构件的使用要求，各层碳纤维材料间可以为任意角度，而不仅仅限制于相邻碳纤维片层呈90°铺叠；

步骤4：施加压力；铺叠好的材料体系可通过真空压力、高压气体、高压液体、机械压力等方式施加压力，对应的压力施加设备可以是真空袋体系，大型高压罐，柔性膜液压腔，模压机等可为材料体系提供外部高压的设备，同时施加压力的方式也可上述2种或多种的融合

步骤5：布置保温层；利用导热系数小于等于0.12的材料，如硅酸铝棉，酚醛泡沫板，陶瓷保温板等附着于材料周围，避免材料所发出的热量耗散；

步骤6：通电综合电损耗压力固化；为各层碳纤维材料的两对电极独立地施加不同波形、频率、电流密度的交变电场，电能通过基体的极化损耗，漏导损耗以及碳纤维的电导损耗，转变为热能；按照上述的综合电损耗压力固化控制策略，控制最大电流密度不超过特定阈值；按照材料的工艺曲线，加热、保温、冷却，最终固化材料；

步骤7：脱模与切割；除去掉加压所使用的辅助材料，将材料边缘的金属片材切割，获得最后的复合材料构件。

实施例1。

本实施例是在高压罐体内利用本发明的损耗热方法固化航空双曲面大型构件。所述的航空双曲面大型构件由单向碳纤维增强双马来聚酰亚胺树脂基复合材料预浸料T700/QY9611铺叠而成，铺层方法为对称铺层42层，单层预浸料的厚度为0.25mm,模具靠模面的投影尺寸为4500mm×2800mm。将材料边缘施加成对的金属片材电极，并由线缆3引出，线缆3通过压力罐壁面上的法兰盘2进行气密封，并引到罐外连接多输出交流电源。具体的实施方法如下：

步骤一：铺放准备；从模具库中调出模具8，放置于指定铺层区域；利用机械铲除的方法除去模具靠模表面的大颗粒附着物，再利用丙酮作为清洗剂，擦洗除去靠模表面剩余的附着物，重复上述清洗过程，直至模具完全清洗干净；利用清洁的棉布纱浸定量的水性脱模剂，均匀涂敷在清洁后的模具表面各处，干燥后间隔10-20分钟，重复涂覆，待重复4-5次后，用干布擦拭干燥后的模具直至光亮，静止一小时后使用；

步骤二：裁切下料；由于构件具有0°，90°，以及±45°四种铺层方向，故裁切下料时要相应考虑每层预浸料的方向；每层材料边缘均留出20mm的余量，其中10mm是放置金属片材电极的余量，10mm是加工轮廓的切削余量；选用紫铜铜网作为金属片材电极，裁切宽度10mm,长度分别为4600mm,2900mm,两种规格的各86条；传输线缆选用10mm²规格，其最大电流量为53A，线缆3为柔性电缆，单根线缆接头与单片紫铜网末端用焊锡连接；

步骤三：材料铺叠；在指定铺层区域，根据定位装置的监测位置精度信息，铺叠裁切好的预浸料6，每铺叠一层，分别在沿纤维方向和垂直于纤维方向的边缘位置放置一条紫铜网电极5和6，铜网通过导电银胶固定，粘接后用辊轮均匀压实，保证材料和紫铜网紧密接触；如图2所示，a所描绘的是不规则形状层的电极，紧靠边缘轮廓铺设四条电极的方法，b描绘的为边缘为曲线的电极，紧靠边缘轮廓铺设四条电极，c描绘的是铺层方向为45°的层中电极铺设方法，由于纤维长度不一，故只设两条搭接的电极；同时在材料的第11层，22层，33层的边缘铺设三个温度传感器；待所有的材料完全铺设完毕后，再按照工艺要求铺设脱模布、隔离膜、透气毡等辅助材料；利用铺放在模具边缘的密封胶条将所有加热、传感器线缆固定并封紧，再用真空袋将整个材料封装，至此完成铺叠工作；

步骤四：布置保温层；将硅酸铝棉封装在柔性薄膜中，形成柔性保温袋，将大于材料边缘的保温袋平铺在真空袋表面，以防止材料加热过程中过多的能量耗散；

步骤五：压力施加；将铺叠好的材料和模具系统运入压力罐1，放置于压力罐的中部，如图二所示；红外热像仪4在压力罐的顶端，用于监控整个材料表面及保温层的表面温度；所有的线缆3从罐体壁面上的法兰盘2(其余法兰盘未标注)中引出，法兰中密封橡胶圈的耐压值可达2MPa；各加热线缆引出后，经过高精度数字电表，按照编号连接到多输出交变电源的对应输出电极；开启真空泵，为整个材料施加真空压力，待确认真空度已经维持恒定，且材料均匀受压后，关闭罐门，啮合罐门；开启空气压缩机和冷干机，开启进气阀，为罐体内部施加压力，按照压力施加工艺曲线，压力峰值为0.6MPa；

步骤六：通电综合电损耗压力固化；开启多输出交流电源一和二，根据该材料铺层结构，纤维的种类和电极的接入形式，接入纤维两端的多输出交流电源二的各层电流密度限制在3.17×10^-4A/mm²,即峰值电流为15A；加热初始时，根据QY9611双马来聚酰亚胺树脂基的介电常数，各层电通路的交变频率均设为10Hz，波形为PWM脉冲波，占空比设为0.5,电流密度设置为0.1×10^-4A/mm²；当材料温度高于低于目标温度时，首先调高与纤维方向平行电极组两端交变电场的频率，频率的递增幅值为5Hz,当频率的连续调整次数于大于10次，调增与纤维方向垂直的电极组两端交变电场的电流密度，递增幅值为0.1×10^-5A/mm²；由该零件的材料组成得到所述的频率调增最大值为5KHz；反之，当温度高于目标温度，交变电场的频率和电流密度调控顺序也与调增过程相同；加热固化过程严格按照给定的工艺曲线，由于材料整体发热，固化温度均匀，故工艺曲线不需要多个保温平台，如图4所示；冷却过程中，为了迅速降温，断开所有电通路开启罐内冷却系统，让零件迅速冷却；

步骤七：脱模与切割；除去掉加压所使用的辅助材料，避免脱模过程中零件盒模具表面受到损坏，取下零件首先经过检测，查看是否存在分层，孔隙等报废问题，若零件合格，则将零件运至加工中心，装夹稳妥后，铣削切除边缘的金属片材，并按设计要求钻孔，最终获得大型碳纤维复合材料零件。

根据上述步骤可利用较小的电流密度，得到高质量的碳纤维增强复材构件，由于整个加热过程中仅加热材料，在保温材料的辅助下，也无能量损失，同时固化温度均匀使得固化周期大大缩短，故固化过程的平均功率仅为680W，仅相当于传统热压罐固化能耗的千分之一。

实施例2。

本实施例是在液压压床的辅助下利用综合电损耗固化碳纤维增强树脂基复合材料构件。为了降低制造成本，对于某些外形结构相对简单构件可采用液压压床加压成型，传统的模压成型采用上下模具作为热源，对于厚度较大的零件，热量传递速度慢，厚度方向温度梯度大，固化质量较低。如图5所示，所述的构件由双轴向碳纤维增强环氧树脂基预浸料KWC-225-40铺叠而成，铺层方法为[0°/90°]₈，共16层,模具靠模面的投影尺寸为1300mm×800mm。与实施例1类似，将各层预浸料边缘施加成对的金属片材电极，材料整体至于液压压床装夹的上模具6和下模具9之间。具体的实施步骤如下：

步骤一：铺放准备；将上模具6和下模具9按照实施例1中步骤1的方法清洗、涂抹脱模剂后，利用螺栓和销钉分别固定于液压压床的上夹板1和下夹板5；

步骤二：裁切下料；按照构件的尺寸裁切双轴向预浸料，各层边缘留出20mm的切割余量；切割10mm宽的铝箔金属片材，片材与传输线4采用导电胶链接，线缆4选用4mm²规格，其最大电流量为32A，线缆4为柔性电缆；

步骤三：材料铺叠；抬升上夹板1，在下模具表面开始铺叠双轴向预浸料8和金属片材电极3，在每层预浸料沿纤维方向和垂直于纤维方向的边缘位置放置一条电极，电段子与材料先利用环氧树脂的粘性预贴合，粘接后用辊轮均匀压实，保证材料和电极紧密接触；线缆引出后，两个轴向的电通路分别接入多输出交流电源一与多输出交流电源二，在材料的第4,8,12,16层边缘分别铺设温度传感器；待所有的材料完全铺设完毕后，驱动上夹板1在称套2的支持下沿液压柱下行，接触材料后压紧材料，施加压力3.5MPa；

步骤四：通电综合电损耗压力固化；开启多输出交流电源一和二，根据该材料铺层结构，纤维的种类和电极的接入形式，各层电流密度均限制在6.28A×10^-4/mm²,即峰值电流为3.27A；加热初始时，根据环氧树脂基的介电常数，各层电通路的交变频率均设为25Hz，波形为PWM脉冲波，占空比设为0.5,电流密度设置为0.5×10^-5A/m²；当材料温度高于低于目标温度时，首先调高与纤维方向平行电极组两端交变电场的频率，频率的递增幅值为10Hz,当频率的连续调整次数于大于10次，调增与纤维方向垂直的电极组两端交变电场的电流密度，递增幅值为0.5×10^-5A/mm²；由该零件的材料组成得到所述的频率调增最大值为20KHz；反之，当温度高于目标温度，交变电场的频率和电流密度调控顺序也与调增过程相同；冷却过程中，往模具中注入冷却液，告诉循环冷却液迅速降温，待温度降至60℃以下，卸空液压柱施加的压力；

步骤五：脱模与切割；避免脱模过程中零件盒模具表面受到损坏，取下零件首先经过检测，查看是否存在分层，孔隙等报废问题，若零件合格，则切除边缘的金属片材，并按设计要求钻孔，最终获得最终的构件。

根据上述步骤可利用较小的电流密度，实现节拍式的生产模式，得到较高质量的碳纤维增强复合材料构件，其能耗和成型时间相较传统模具热压工艺大大降低，由于温度均匀性提高，成型质量却大幅提高，尤其针对于厚度、尺寸较大的构件。

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 (9)

1.一种碳纤维增强树脂基复合材料综合电损耗固化方法,其特征在于，在碳纤维增强树脂基复合材料各层边缘，沿纤维方向和垂直于纤维方向，分别铺设成对金属片材作为电极，在各对电极间独立地施加波形、频率、电流密度连续变化的交变电场，在树脂基体的极化损耗，漏导损耗和游离损耗，以及纤维的电导损耗组成的综合电损耗作用下，按照综合电损耗固化温度控制策略，在压力的辅助下加热固化复合材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于包括下列步骤：

步骤1：铺放准备与裁切下料；有机溶剂清洗模具表面，均匀涂覆脱模剂，保证模具与材料间绝缘；裁切原材料，并按照材料边缘轮廓裁切金属片材作为电极；

步骤2：材料与电极铺叠；按照材料设计要求，逐层铺叠材料，单向材料层间夹角可为任意角度；在各层材料边缘，沿纤维方向和垂直于纤维方向分别铺设成对电极，电极由外部压力或导电粘接剂固定；材料内部与外部设置温度传感器；

步骤3：连接电通路；将各层材料两对电极引出的线缆分别接入多输出电源，各条电通路之间相互独立；电通路中接入电参数测量仪表；

步骤4：布置辅助材料及保温层；按照材料及工艺要求，铺设辅助材料后，再利用导热系数小于等于0.12 W/(m·K)的材料，包裹整个材料；

步骤5：施加压力；铺叠好的材料体系在对应的压力设备中放置稳妥，材料处于氮气或二氧化碳类惰性气体内，并按照成型工艺施加压力；

步骤6：交流电场综合电损耗固化；为各层碳纤维材料的两对电极独立地施加不同波形、频率、电流密度的交变电场，按照材料成型工艺，以综合电损耗固化温度控制策略执行加热、保温、冷却，最终固化材料；

步骤7：脱模与切割；脱模后，除去辅助材料，按构件轮廓将材料边缘的金属电极区域切割，获得最后的复合材料构件。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的交变电场波形可以是正弦波、三角波、PWM脉宽调制波、截断正弦波、随机波形；所述的电场频率可以是由低频、中频、高频连续变化的波形，频率范围为0-300000Hz。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的综合电损耗固化温度控制策略为，以温度为反馈信号，独立控制各电通路的电参数；垂直于纤维方向控制电场交变频率，频率上限为树脂基体极化响应频率最大值；沿纤维方向控制电流密度，电流密度上限为碳纤维电流密度阈值，该阈值以电流刻蚀效应不降低复合材料宏观性能为设定标准。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的压力通过真空压力、高压气体、高压液体、机械压力方式施加压力；压力施加设备可以是真空袋，大型高压罐，柔性膜液压腔，模压机之类的能为材料体系提供外部高压的设备，同时施加压力的方式也可为上述两种或多种方法的融合。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述铺叠后的复合材料为平均体积电阻率小于10^-3Ωm的层合板构件；材料体系可以是碳纤维增强热固性树脂基预浸料、干态碳纤维与液态热固性树脂基体或胶膜、碳纤维增强热塑性树脂片材、以及干态碳纤维与粉末或颗粒状热塑性树脂基体共混物。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述的电极金属片材为如铝、铜、银这类具有极低电阻率的金属材质，可制成片、网状以及栅格状，其厚度小于单层碳纤维复合材料的厚度。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述的温度传感器为材料层间多点温度传感器，或整个构件的外部非接触式测温仪；所述的材料电参数测量仪表为能测量材料电参数的数字电表，所述的电参数包括体积电阻，电流，电压，频率和波形。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述的保温层是硅酸铝棉，酚醛泡沫板，陶瓷保温板类低导热系数材料。