CN107901306B - 阻抗匹配的碳纤维复合材料高效微波固化方法 - Google Patents

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Abstract

一种阻抗匹配的碳纤维复合材料高效微波固化方法，其特征是通过在碳纤维复合材料零件的表面放置一系列微波阻抗逐渐变化的阻抗匹配层使得微波大量穿透复合材料，对其进行高效直接微波加热固化。在此基础上，本发明给出了阻抗匹配层的设计制作方法，从根本上突破了由于阻抗不匹配导致微波无法穿透至碳纤维复合材料内部进行有效加热固化的难题，大大提高了碳纤维复合材料的微波固化效率，为复合材料微波固化技术的工业应用提供了理论依据与技术支撑。

Description

阻抗匹配的碳纤维复合材料高效微波固化方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料高效固化方法，尤其是一种复合材料高效微波固化方法，具体地说是一种阻抗匹配的碳纤维复合材料高效微波固化方法。
背景技术
先进复合材料具有比强度和比模量高、抗疲劳性能好、耐腐蚀性能好和整体成型性好等许多优异特性，飞机上大量应用复合材料不仅可以明显减轻飞机的结构重量，提高飞机性能，还可以大大减少零部件数量，简化装配工序，缩短制造周期。目前复合材料已广泛用于机翼和机身的主承力零件，在进气道等复杂曲面零件上的用量越来越多，并向整体成型、共固化方向发展。
目前，复合材料主要采用热压罐工艺加热加压固化成型。热压罐固化工艺以电阻丝加热空气后在风机作用下循环流动，以对流换热和热传导的方式加热复合材料，复合材料表面先加热，然后传热至内部。复材零件的加热速率缓慢、温差大，成型周期长，且空气和模具均需加热至高温，能耗高。本专利发明人前期提出的复合材料微波加热固化成型工艺以电磁波直接穿透、内外同时均匀加热复合材料，加热速度快，成型周期短。微波只加热复合材料，空气与模具均不加热，能耗低。
虽然复合材料微波加热技术具有上述优势，但由于碳纤维导电率高，微波加热固化碳纤维复合材料时空气与复合材料界面处阻抗严重不匹配，微波反射率高，尤其针对多向铺层的碳纤维复合材料其微波反射率接近于1，使得微波根本无法到达复合材料内部进行有效加热固化。针对上述难题，本发明提出一种阻抗匹配的碳纤维复合材料高效微波固化方法，通过在碳纤维复合材料零件的表面放置一系列微波阻抗逐渐变化的阻抗匹配层使得微波大量穿透复合材料，对其进行有效加热。在此基础上，本发明给出了具体的阻抗匹配层的设计制作方法，从根本上突破了由于阻抗不匹配导致微波无法穿透至碳纤维复合材料内部进行有效加热固化的难题，大大提高了这类复合材料的微波固化效率，为复合材料微波固化技术的工业应用提供了理论依据与技术支撑。
发明内容
本发明的目的是针对微波加热固化碳纤维复合材料时空气与复合材料界面处阻抗严重不匹配，微波反射率高，使得微波无法到达复合材料内部进行有效加热固化的难题，发明一种阻抗匹配的碳纤维复合材料高效微波固化方法，实现碳纤维复合材料的高效直接微波加热固化
本发明的技术方案是：
一种阻抗匹配的碳纤维复合材料高效微波固化方法，其特征在于：通过在碳纤维复合材料零件的表面放置一系列微波阻抗逐渐变化的阻抗匹配层以实现其高效直接微波加热固化。
所述的阻抗匹配层采用透波基体与微波敏感填充材料复合而成；阻抗匹配层的吸波性能（介电性能）低于碳纤维复合材料，主要用于调节空气与碳纤维复合材料之间的阻抗变化；通过调整透波基体与微波敏感材料的质量分数、阻抗匹配层的厚度实现阻抗匹配层的阻抗变化，即通过提高微波敏感材料的含量增加阻抗匹配层的输入阻抗，通过减少微波敏感材料的含量降低阻抗匹配层的输入阻抗，通过提高阻抗匹配层的厚度降低阻抗匹配层的谐振频率，通过降低阻抗匹配层的厚度增加阻抗匹配层的谐振频率，使所有阻抗匹配层的微波阻抗介于空气和碳纤维复合材料之间，沿着远离碳纤维复合材料零件的方向，阻抗匹配层的阻抗逐渐降低，且任意相邻两个阻抗匹配层间的阻抗差值在0~300Ω以内，阻抗匹配层的谐振频率维持在微波加热的频率，如915MHz，2.45GHz或5.8GHz等。
所述的阻抗匹配层直接接触碳纤维复合材料零件或置于包装在碳纤维复合材料零件表面的辅助材料上；阻抗匹配层放置在碳纤维复合材料零件的上表面或下表面，或同时放置在碳纤维复合材料零件的上下表面。
所述的透波基体为耐高温高分子聚合物，如树脂等。。
所述的微波敏感填充材料为纳米铁粉，石墨烯，或碳黑等。
所述的微波敏感填充材料的质量百分比为0.5～50%，其余为透波基体。
所述的阻抗匹配层的厚度介于0.1～10毫米之间。
本发明的有益效果：
本发明突破了由于阻抗不匹配导致微波无法穿透至碳纤维复合材料内部进行有效加热固化的难题，大大提高了这类复合材料的微波固化效率，为复合材料微波固化技术的工业应用提供了理论依据与技术支撑。
附图说明
图1是本发明阻抗匹配层与碳纤维复合材料的铺放位置关系；
图中：1,2,3,4,5为阻抗匹配层，6为玻璃模具，7为脱模布，8为碳纤维复合材料，9为无孔隔离膜，10为有孔隔离膜，11为透气毡，12为真空袋。
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所示。
本实施例的碳纤维复合材料8采用20层连续碳纤维增强的双马来酰亚胺树脂基复合材料，铺层顺序为[0/45/-45/90]5，零件尺寸为300mm×300mm×2.5mm。铺层完毕后在碳纤维复合材料8周围粘贴铝箔胶带，预留流胶孔。阻抗匹配层1,2,3,4,5采用耐高温环氧树脂与纳米铁粉（直径400μm）复合固化而成，共采用5种不同阻抗的匹配层（1,2,3,4,5），相关参数如下。第1层：纳米铁粉质量分数为15.6%，厚度1.02mm；第2层：纳米铁粉质量分数为21.4%，厚度2.54mm；第3层：纳米铁粉质量分数为29.3%，厚度4.96mm；第4层：纳米铁粉质量分数为38.7%，厚度8.67mm；第5层：纳米铁粉质量分数为49.8%，厚度10.13mm；碳纤维复合材料零件8、阻抗匹配层1,2,3,4,5及真空辅助材料的相对放置位置如图1所示。依次在玻璃模具6上放置上述阻抗匹配层1,2,3,4,5、脱模布7、碳纤维复合材料8、无孔隔离膜9、有孔隔离膜10、阻抗匹配层5,4,3,2,1、透气毡11、真空袋12。然后，将上述铺放和真空包装完成的碳纤维复合材料零件8放入微波固化炉中，预抽真空10min后开启微波固化工艺，腔体内的微波在一系列渐变阻抗匹配层1,2,3,4,5的作用下大量（约60%）进入到碳纤维复合材料零件8内部，实现碳纤维复合材料零件8的高效直接微波加热固化，阻抗匹配层1,2,3,4,5消耗少量微波生热，传递给碳纤维复合材料零件8。固化完成后即获得满足使用要求的碳纤维复合材料零件8。
实施例二。
本实施例与实施例一的区别在于微波敏感材料采用石墨烯，第1层阻抗匹配层的石墨烯质量分数为0.5%，厚度0.10mm；第2层：石墨烯质量分数为2%，厚度0.55mm；第3层：石墨烯质量分数为4.5%，厚度1.08mm；第4层：石墨烯质量分数为6.3%，厚度1.38mm；第5层：石墨烯质量分数为8.2%，厚度0.98mm；其余与实施例一相同。
实施例三。
本实施例与实施例一的区别在于微波敏感填充材料采用碳黑，第1层阻抗匹配层的碳黑质量分数为5.8%，厚度1.02mm；第2层：碳黑质量分数为8.4%，厚度1.55mm；第3层：碳黑质量分数为11.5%，厚度1.08mm；第4层：碳黑质量分数为14.1%，厚度1.25mm；第5层：碳黑质量分数为18.5%，厚度1.96mm；其余与实施例一相同。
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 (4)

1.一种渐变阻抗匹配的碳纤维复合材料高效微波固化方法，其特征在于：通过在碳纤维复合材料零件的表面放置一系列微波阻抗逐渐变化的阻抗匹配层以实现其高效直接微波加热固化；所述的阻抗匹配层采用透波基体与微波敏感填充材料复合而成；通过调整透波基体与微波敏感材料的质量分数、阻抗匹配层的厚度实现阻抗匹配层的阻抗变化，即通过提高微波敏感材料的含量增加阻抗匹配层的输入阻抗，通过减少微波敏感材料的含量降低阻抗匹配层的输入阻抗，通过提高阻抗匹配层的厚度降低阻抗匹配层的谐振频率，通过降低阻抗匹配层的厚度增加阻抗匹配层的谐振频率，使所有阻抗匹配层的微波阻抗介于空气和碳纤维复合材料之间，沿着远离碳纤维复合材料零件的方向，阻抗匹配层的阻抗逐渐降低，且任意相邻两个阻抗匹配层间的阻抗差值在0~300Ω以内，阻抗匹配层的谐振频率维持在微波加热的频率，所述的微波加热的频率为915MHz，2.45GHz或5.8GHz；腔体内的微波在渐变阻抗匹配层的作用下大量进入到碳纤维复合材料零件内部，实现碳纤维复合材料零件的高效直接微波加热固化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：阻抗匹配层直接接触碳纤维复合材料零件或置于包装在碳纤维复合材料零件表面的辅助材料上；阻抗匹配层放置在碳纤维复合材料零件的上表面或下表面，或同时放置在碳纤维复合材料零件的上下表面。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：透波基体为耐高温高分子聚合物。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：微波敏感填充材料为纳米铁粉，石墨烯，或炭黑。
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