CN108081518B - 一种碳纤维增强复合材料电损耗加热温度场主动控制方法 - Google Patents

Abstract

一种碳纤维增强复合材料电损耗加热温度场主动控制方法，在复合材料的各层边缘，放置众多有序且相互绝缘的阵列电极，独立为各对电极通电实施电损耗加热，以监测到的材料层间和面内温度场分布作为反馈信号，利用各对电极作用区域内不均匀加热状态的相互叠加或补偿，最终实现复合材料整体温度场的主动控制。本发明旨在克服综合电损耗加热过程中，由复合材料体积电阻率和介电常数分布不均匀带来的加热温度场不均匀，以实现碳纤维复合材料构件高质量综合电损耗加热固化。

Description

一种碳纤维增强复合材料电损耗加热温度场主动控制方法

技术领域

本发明涉及一种碳纤维增强复合材料加热温度场主动控制方法，尤其是一种碳纤维增强树脂基复合材料构件电损耗温度场主动控制方法。

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，其高效节能固化技术是复合材料制造领域的关键技术。截至目前，包括200310113547.4、201410018321.4、201580029111.8、201510817586.5、201611229851.9在内的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，上述方法的共同特征均为仅在碳纤维两端放置单一电极，施加低压，形成极高电流密度的直流电流，在欧姆定律和焦耳定律的基础上，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。发明人前期申请的专利，申请号201710975475.6 提出一种综合电损耗加热固化技术，利用交变电场施加于碳纤维，在介电损耗、电导损耗等综合电能损耗作用下产生热量，根据材料特性，调控输入频率、波形、电流密度等参数，使得复合材料高效率、高质量固化。

上述方法的共同特征均为只使用单一的传输线连接材料边缘的电极，实际的复合材料构件，由于铺层、几何外形、尺寸变化、纤维含量分布不均等因素，其内部的体积电阻率会呈现出杂乱的分布规律，在各种电损耗及材料内部化学反应放热的共同作用下，材料层间和面内的发热量将分布不规律。例如，对于变厚度碳纤维复合材料接头，其较厚端的体积电阻小，较薄端的体积电阻大，在单一电极作用下，较薄端的电导损耗高，较厚端的电导损耗却小，这直接造成材料的固化温度场不均匀；又比如，对于厚度较大的复合材料构件在综合电损耗固化作用下，材料中心区域由于树脂剧烈反应产生大量的热量，其温度迅速飙升，而材料边缘的温度由于对流换热的作用远较中心区域温度低，故材料在3K/min的升温速率下面内温度差可达30℃以上，因此材料固化不均匀，导致较大的残余应力及翘曲变形，严重时使得材料中心区域出现烧蚀、降解的现象，导致零件报废；再比如，对于局部曲率变化剧烈的复杂零件，由于外部压力在曲率变化处的分布不均，导致材料局部层间接触电阻有差异，且树脂的富集程度也存在差异，这也直接导致该处的综合电损耗的发热量与其他地方存在差异。综上所述，对于碳纤维增强复合材料综合电损耗加热固化工艺，亟需一种在线式主动控制方法，以实现温度分布均匀、固化质量均匀的综合电损耗加热固化方法。

发明内容

本发明的目的在于，针对现碳纤维增强复合材料构件的体积电阻率分布不均匀造成的电损耗加热温度场不均匀问题，提出一种碳纤维增强复合材料电损耗加热温度场主动控制方法，在材料边缘各层沿着轮廓布置众多有序阵列电极，结合在线监测的温度分布数据，调控各对电极间的加热电参数，利用各对电极作用区域内不均匀加热状态的相互叠加或补偿，实现温度分布均匀、固化质量均匀的综合电损耗加热固化。

本发明的技术方案为：

一种碳纤维增强复合材料电损耗加热温度场主动控制方法,其特征在于，根据碳纤维增强树脂基复合材料零件几何外形、尺寸、纤维含量等信息，有序在材料的各层边缘，沿着轮廓布置相互独立且成对的阵列电极，各电极分别连接外部交变电源，独立为每一对电极通电，材料发生各种形式的电损耗而产生热能，以材料层间和面内温度场分布作为反馈信号，控制各对电极回路间的电参数，由各对电极作用区域内不均匀加热状态的相互叠加或补偿，最终实现复合材料整体温度场的主动控制。

所述的电极作用区域为阵列电极中某两片电极与材料形成的回路区域，该区域可能是零件表面层内区域，也可能是中间层内区域，该回路带有单向截止功能，不受其他电极回路中电场的影响，也不会影响其他电极回路，调控该对电极两端交变电场的波形、频率、幅值，使得回路区域内的介电损耗和电导损耗发生变化，进而使得发热量改变，从而改变该区域内的加热状态。

所述的阵列电极沿零件轮廓分布，各电极之间设有绝缘隔断，且紧密贴合，电极阵列整体可由柔性的绝缘带搭载，便于装载和移动；单片电极的最大宽度不超过零件轮廓最短边宽度的1/2，厚度不超过单层材料的厚度，电极阵列可装载于各层复合材料纤维的端部，也可装载于平行于纤维方向的材料边缘。

所述的叠加或补偿策略根据温度场控制目标来确定，当需要材料各区域非均匀加热时，定向的调控高、低温区的电极对两端的交变电场，促进高温区、低温区的加热状态各自叠加，维持高低温区域的温差，实现温度不均匀分布主动控制，当需要材料各区域完全均匀加热时，根据材料温度分布情况，考察温度差是否达到或超过事先设定的阈值，实时调整各电极对间的交变电场，使得高温低温区域相互补偿，使温差始终保持在阈值内，实现温度均匀分布主动控制。

所述的温度分布状态主要是由加热过程中外部传感器来测量，材料表面层的温度分布测量可采用非接触式的红外热像仪，直接获得各点的温度数据，材料中间层的测温尽量采用体积小，不受电流干扰的温度传感器，如光纤荧光、光纤光栅传感器；温度分布数据可以通过计算每个电极对应区域的平均值，也可通过众多温度数据点组成的数字矩阵来表示和记录。

本发明的有益效果是：

本发明加热碳纤维增强树脂基复合材料构件的明显优点在于所提出的阵列电极，突破了原有电损耗加热方法中单一电极下材料温度场无法改变的技术瓶颈，无论是厚度方向还是层合板面内的温度分布，都可以根据控温目标以实施在线、实时、全过程的主动调控，实现碳纤维复合材料构件的高质量固化过程。

附图说明

图1是本发明的阵列电极主动调控温度场过程示意图。

具体实施方案

下面结合具体实施例，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电损耗加热温度场主动控制方法的原理所做出任何修改和变化，都属于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例：

本实施例是典型航空C型梁类构件的加热固化的温度场主动调控过程。所述的构件碳纤维增强双马来聚酰亚胺树脂基预浸料T700/QY9611铺叠，铺层方法为，单层预浸料厚度为0.125mm，构件单层预浸料尺寸为800mm×2000mm，C型曲率半径为400mm；铺层过程中，每铺叠4层预浸料，在构件四周边缘装载一组阵列电极；单片电极宽度为50mm，长度为60mm，电极末端有快速拆装线缆接头；单片电极由宽为50mm的四条聚酰亚胺薄膜粘接，各电极与材料接触部分则为10mm；电极由石墨导电胶与预浸料粘接，铺叠完毕后，整个材料各层面内纵向横向分别对应了16和40对电极，各个单独控制区域的宽度即电极的宽度，厚度方向对应了4层可单独控温的层，所以一共有224个受控区域可以单独进行加热控制；将224对电极两端线缆独立地接入外部交流电源，外部电源由若干双输出的交流电源阵列组成，各电源均可输出额定电流为100A的交变电场；各回路装有单向截止器，防止其他回路电场的影响；材料加热固化空间的正上方，安装红外热成像仪，材料每4层材料层内边缘安装光纤荧光测温传感器，面内温度数据以温度矩阵的形式传回到控制端，设定温度差调控阈值，最大温差为3℃时，开启对应的补偿动作；加热开始，各回路按照统一的初始频率和波形，以及电流密度值通电，材料产生电损耗；由于材料尺寸和外形结构以及内部纤维含量分布不均匀等因素，材料出现了局部高温点A，且面内温差超过了3℃，降低A点所在横向电极对控制回路的电损耗量，使得A点的温度下降，但该操作还导致了与A同在一条横向回路区域的B,C点温度变化，故加强B,C所在纵向区域的电损耗，以此控制温度控制的耦合现象；当温度差返回到3℃以下，调控停止，各条回路恢复初始值；4个层间区域所有回路总平均功率调控由给定的工艺曲线决定，实时更新PID参数，以维持材料的温度跟随误差在1℃以内。

上述的实例最终材料以面内和层间温差3℃完成了整个材料的固化，实现了高精度主动控温的加热固化过程，在保证电损耗加热的各项优势的同时，材料的力学性能大幅提升，变形量减小。

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 (5)

1.一种碳纤维增强复合材料电损耗加热温度场主动控制方法,其特征在于，在复合材料的各层边缘，放置众多有序的阵列电极，独立为各对电极通电实施加热，以材料层间和面内温度场分布作为反馈信号，调整各对电极作用区域两端电信号，以各区域内不均匀加热状态的相互叠加或补偿，最终实现复合材料整体温度场的主动控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的电极作用区域为阵列电极中某两片电极与材料形成的回路区域，该回路设有单向截止元件，调控该对电极两端电场的波形、频率、幅值，使该区域内的电能损耗形式和发热量独立发生变化，从而改变该区域内的加热状态。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的阵列电极沿零件轮廓分布，逐个紧贴，电极间设有绝缘隔断，可装载于各层纤维端部，也可装载于平行于纤维方向的材料边缘。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的叠加或补偿策略以预设的温差阈值为控制触发标准，高低温区域自身的叠加实现高低温不均匀分布主动控制，高低温区域相互补偿实现温度均匀分布主动控制。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的温度分布状态由加热过程中外部传感器来测量，材料表面层的温度分布测量采用非接触式的红外热像仪，直接获得各点的温度数据，材料中间层的测温采用体积小，不受电流干扰的温度传感器；温度分布数据通过计算每个电极对应区域的平均值，或通过众多温度数据点组成的数字矩阵来表示和记录。