CN109080173B - 一种复合材料微波加热加压成型装置 - Google Patents
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Abstract
一种复合材料微波加热加压成型装置，它通过直接在圆形耐压容器内形成微波谐振腔并配合特殊设计的微波馈能方式，对封装在真空袋内的复合材料进行微波加热加压固化成型。本发明突破了现有复合材料微波压力固化装备的设计局限，无需内置多边形微波谐振腔体，大幅度提高了圆形耐压容器内的空间利用率，降低微波压力成型装置的安装复杂度和制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料加热成型装置，具体地说是一种复合材料微波加热加压成型装置。
背景技术
纤维增强树脂基复合材料是适应航空航天等领域的高端需求而发展起来的一种高性能复合材料，具有轻质、高强和可设计等优异性能。经过近40年的发展，复合材料在飞机上用量迅速增加, 先进飞机复合材料的结构重量都在50%以上，并且从最初的水平安定面等非承力构件发展到机身隔框和机翼翼梁等复杂曲面主承力构件。
目前，复合材料主要采用热压罐固化成型。通过电阻丝加热罐内空气，采用风机将空气吹拂到模具及复合材料表面进行加热，该方法存在在零件厚度方向上温度梯度大，固化时间长，能耗高等问题。近年来提出的微波高压固化技术采用电磁波穿透至纤维增强树脂基复合材料内部，利用材料自生极性分子的高频振荡摩擦生热，从而使复合材料内外同时、均匀固化成型。
行业内普遍认为微波在圆形腔体内会向腔体中心集中，无法实现微波空间均匀分布，并且电磁场分布基本固定，无法通过调整达到相对均匀的分布，以实现对复合材料的有效加热。通常在圆形压力罐体内放置多边形微波谐振腔，利用腔体壁面对微波的多次反射使微波在谐振腔内相对均匀。然而，内置多边形微波腔体后，圆形压力罐体内的空间利用率被大大降低。此外，在双层腔体之间的狭小空间内难以安装微波传输器件和压力管路。此外，多边形微波腔体屏蔽门在打开和关闭的过程中与圆形压力罐体产生严重干涉。为避免上述问题，只能进一步缩小内置多边形腔体尺寸，使得圆形压力罐体内的空间利用率进一步降低。
本发明突破现有思维局限，直接在圆形压力罐体内形成微波谐振腔。经过大量仿真实验，发现通过合理布置微波馈能方式，可以实现均匀的微波分布，并大大改善腔体内部电磁场的可控程度。本发明可以大幅度提高圆形耐压微波腔体内空间的利用率，大大降低微波压力成型装置的安装复杂度和制造成本。
发明内容
本发明的目的是针对圆形腔体内难以产生相对均匀且可控的微波场的难题，突破现有思维局限，基于大量的有限元仿真设计了一种复合材料微波加热加压成型装置。
本发明的技术方案是：
一种复合材料微波加热加压成型装置，它包括圆柱形耐压微波腔体1，其特征在于：圆柱形耐压微波腔体1上焊接有多个供微波进入的微波压力耦合馈口19，位于圆柱形耐压微波腔体1中的裂缝天线10与微波压力耦合馈口相连将磁控管4产生的微波9引入圆柱形耐压微波腔体1内将微波能量均匀的辐射至微波腔体内，对封装在真空袋内的复合材料进行微波加热固化成型；所述的圆柱形耐压微波腔体1上设置有抽真空管路和进排气管路以便在微波加热过程中对复合材料进行抽真空压实和高压气体压实；圆柱形耐压微波腔体1的前端设置有罐门卡箍，微波压力密封罐门通过在罐门卡箍内旋转锁紧将微波能量和高压气体密封在圆形耐压微波腔体内。
微波压力耦合馈口19包括波导法兰2、透波承压块3和密封圈8，密封圈8和透波承压块3安装在波导法兰2中，波导法兰2焊接固定在圆柱形耐压微波腔体1上，波导法兰2位于圆柱形耐压微波腔体1外的一端与波导6相连，波导6通过波导接口5与磁控管4相连，波导法兰2位于圆柱形耐压微波腔体1内的一端与微波裂缝天线10相连，磁控管4产生的微波9经波导接口5进入波导6中并透过透波承压块3进入微波裂缝天线10中，进而对圆柱形耐压微波腔体1的复合材料进行微波加热。
所述的裂缝天线为直波导裂缝天线、圆环裂缝天线、母线裂缝天线或者它们的组合，在圆柱形耐压微波腔体1沿腔体轴向位置布置多组直波导裂缝天线组、圆环裂缝天线和母线裂缝天线。
所述的直波导裂缝天线的长边与耐压腔体轴向基本平行，其平行度偏差角度不超过正负10度，多个直波导裂缝天线沿耐压腔体周向均布形成直波导裂缝天线组。
所述的圆环裂缝天线与耐压腔体同轴，母线裂缝天线沿耐压腔体内壁母线布置。
所述的微波压力密封罐门17上安装有一圈屏蔽刷11，在与微波压力密封罐门17相对应的罐门卡箍18上设置有凹形扼流槽14，罐门卡箍上同时设置有气体密封环13在微波压力密封罐门17与罐门卡箍18通过旋转配合锁紧过程中，屏蔽刷11在扼流槽14中压紧并滑动，避免圆形耐压微波腔体内的微波通过门缝泄露；当微波压力密封罐门与罐门卡箍锁紧后，给罐门卡箍上的气体密封环13通高压气体，使其膨胀后密封微波压力密封罐门的罐门框与罐门卡箍之间的间隙，避免高压气体通过门缝泄露。
本发明将磁控管产生的微波通过焊接在圆形耐压微波腔体上的耦合馈口直接耦合入腔体，裂缝天线进一步将上述微波能量均匀的辐射至微波腔体内对封装在真空袋内的复合材料进行微波加热固化成型。圆形耐压微波腔体上设置有抽真空管路和进排气管路对微波加热过程中的复合材料进行抽真空压实和高压气体压实。圆形耐压微波腔体前端设置有罐门卡箍，微波压力密封罐门通过在罐门卡箍内旋转锁紧将微波能量和高压气体密封在圆形耐压微波腔体内。采用微波高压屏蔽门同时实现压力和高压气体的密封和微波屏蔽，通过合理布置微波裂缝天线将微波均匀分布于高压腔体内加热固化复合材料。
微波裂缝天线可以采用直波导裂缝天线、圆环裂缝天线、母线裂缝天线或者相互组合。直波导裂缝天线的长边与耐压腔体轴向基本平行(偏差角度不超过正负10度)，多个直波导裂缝天线沿耐压腔体周向均布形成直波导裂缝天线组，圆环裂缝天线与耐压腔体同轴，母线裂缝天线沿耐压腔体内壁母线布置。在沿腔体轴向位置可以布置多组直波导裂缝天线组、圆环裂缝天线和母线裂缝天线。经过大量实验仿真，可以得出在圆形腔体内微波均匀性比多边形好，进一步，在圆形腔体内采用微波裂缝天线比点源产生的微波均匀性好。并且根据实验可以得出规律，圆形腔体内微波的可调整性比多边形腔体更强。
本发明配置的真空管路和进排气管具有手动和自动两种模式，分别通过手动阀和自动电子阀实现。同时在腔体上配有安全阀，以保证腔体内压力超过设定值后能够及时排出，保证装置的安全性。使用光纤温度传感器和自动电子阀可以实现温度与压力的远程监测和控制。
发明的有益效果是：
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
（1）本发明设计了一种复合材料微波加热加压装置，可以直接在圆形腔体内形成微波谐振腔，无需内置多边形内腔，该装置中采用的方法可以大幅度提高空间的利用率，降低微波加热加压成型装置安装的复杂度和制造成本。
（2）本发明设计了一种微波压力屏蔽门，同时实现高压气体的密封和微波屏蔽，降低装置安装和集成的复杂度以及制造成本。
（3）本发明突破了现有思维局限，实现了圆形腔体内微波的均匀分布，开辟了新的研究领域，具有非常重要的科学意义和工程实用价值。
附图说明：
图1直波导长边沿七边形内腔棱线排布时电磁场分布示意图。
图2直波导长边沿八边形内腔棱线排布时电磁场分布示意图。
图3同轴天线沿耐圆形压腔体周向排布时电磁场分布示意图。
图4直波导长边沿圆形耐压腔体轴线排布时电磁场分布示意图。
图5直波导长边沿圆形耐压腔体轴线交错排布时电磁场分布示意图。
图6关闭三号磁控管后圆形耐压腔体内电磁场分布（直波导长边沿腔体轴线排布）示意图。
图7关闭一号和三号磁控管后圆形耐压腔体内电磁场分布线排布示意图。
图8关闭一、二号和三号磁控管后圆形耐压腔体内电磁场分布示意图。
图9本发明的微波压力耦合馈口示意图。
图10本发明的微波压力密封门结构示意图。
图中：1-耐压腔体；2-波导法兰；3-透波承压块；4-磁控管；5-波导接口；6-波导；7-沉头螺钉；8-密封圈；9-微波；10-微波裂缝天线，11-屏蔽刷；12-啮合齿；13-气体密封环；14-扼流槽；15-复合材料；16-工作台；17-微波压力密封罐门；18-罐门卡箍；19-微波压力耦合馈口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1-10所示。
微波腔体内电磁场的均匀性与加热温度的均匀性息息相关，直接决定了复合材料的成型质量。本发明通过有限元仿真分析了不同微波馈能方式以及排布方式下腔体内部电磁场的分布，根据仿真结果调整微波裂缝天线在腔体内部的排布形式。以下对仿真结果进行分析：
目前，行业内普遍认为多边形微波腔体相比于圆形微波腔体具有更加均匀且可控的电磁场分布。然而，通过大量研究，申请人发现了不同规律：在圆形微波腔体内采用同轴天线馈能时，腔体内部电磁场的确呈现出在圆心处集聚且难以调整的情况；但在圆形微波腔体内采用波导和裂缝天线馈能时，腔体内部的电磁场均匀性和可控程度均可以大幅提高。
将微波裂缝天线分别置于正七边形和八边形腔体内，分布于每个面的中心，裂缝天线长边沿着多边形腔体的棱线。如图1和图2所示，八边形腔体内电磁场分布的对称性比七变形更高，但是局部高低电磁场交错分布更加明显，这与目前对多边形谐振腔内电磁场分布的认识一致。
进一步将8个同轴天线均布于圆形腔体内，如图3所示，电场呈现明显的边缘集中，并且边缘和中心的差异非常明显，这种集中的电磁场会严重影响微波对复合材料的加热效果。
进一步分析微波在圆形腔体内的电磁场分布，将8个微波裂缝天线的长边沿着腔体轴线方向放置（即平行），形成直波导裂缝天线组，如图4所示，可以看出电场分布与多边形腔体存在明显的不同，局部电场集中得到了显著的改善。相比于多边形腔体，微波在圆形腔体内可以产生相对更均匀的电场分布。与图3相比，在圆形腔体中，裂缝天线比同轴天线产生的电磁均匀性大大提高。
进一步研究微波裂缝天线在圆形腔体内的排布对电场分布的影响，将相邻两个微波裂缝天线的长边垂直，如图5所示。与图3相比，将一半微波裂缝天线偏转90°后，电场逐渐在腔体中心开始集中。经过对偏转角度进行优化分析，发现直波导裂缝天线的长边与耐压腔体轴向基本平行(偏差角度不超过正负10度)时，圆形腔体内电场的均匀性最好。
在确定了微波裂缝天线的排布，进一步调整每路磁控管的开闭以及功率大小，实现对电磁分布的调整。从最左端逆时针将微波裂缝天线编号为1、2、3…8号微波源，当只关闭3号磁控管，其他七路磁控管等功率工作，如图6所示，可以发现只有在微波裂缝天线周边电场相对集中一些。当只关闭一号和三号磁控管时，电场开始向中心集中（与图6对比），如图7所示。当同时关闭1、2和3号磁控管，如图8所示，可以看出电场在与三个已关闭的磁控管相对位置上，电场相对更强一些。由此可以根据这个规律，实现电场的双向调整，更有利于实现均匀的微波加热。
基于上述大量模拟研究，设计了复合材料微波加热加压成型装置。下面通过实例来说明本发明的具体实施方法，本发明不限于该实施例。
实例一。
一种复合材料微波加热加压成型装置，它包括圆柱形耐压微波腔体1，圆柱形耐压微波腔体1上焊接有多个供微波进入的微波压力耦合馈口19，位于圆柱形耐压微波腔体1中的裂缝天线10与微波压力耦合馈口相连将磁控管4产生的微波9引入圆柱形耐压微波腔体1内将微波能量均匀的辐射至微波腔体内，对封装在真空袋内的复合材料进行微波加热固化成型；所述的圆柱形耐压微波腔体1上设置有抽真空管路和进排气管路以便在微波加热过程中对复合材料进行抽真空压实和高压气体压实；圆柱形耐压微波腔体1的前端设置有罐门卡箍，微波压力密封罐门通过在罐门卡箍内旋转锁紧将微波能量和高压气体密封在圆形耐压微波腔体内。微波压力耦合馈口19包括波导法兰2、透波承压块3和密封圈8，密封圈8和透波承压块3安装在波导法兰2中，波导法兰2焊接固定在圆柱形耐压微波腔体1上，波导法兰2位于圆柱形耐压微波腔体1外的一端与波导6相连，波导6通过波导接口5与磁控管4相连，波导法兰2位于圆柱形耐压微波腔体1内的一端与微波裂缝天线10相连，磁控管4产生的微波9经波导接口5进入波导6中并透过透波承压块3进入微波裂缝天线10中，进而对圆柱形耐压微波腔体1的复合材料进行微波加热。所述的微波压力密封罐门17上安装有一圈屏蔽刷11，在与微波压力密封罐门17相对应的罐门卡箍18上设置有凹形扼流槽14，罐门卡箍上同时设置有气体密封环13在微波压力密封罐门17与罐门卡箍18通过旋转配合锁紧过程中，屏蔽刷11在扼流槽14中压紧并滑动，避免圆形耐压微波腔体内的微波通过门缝泄露；当微波压力密封罐门与罐门卡箍锁紧后，给罐门卡箍上的气体密封环13通高压气体，使其膨胀后密封微波压力密封罐门的罐门框与罐门卡箍之间的间隙，避免高压气体通过门缝泄露。
如图9所示，在内径1m，长度2m的圆形耐压腔体1上开直径为15cm的波导法兰孔，将波导法兰2焊接于腔体1上的开孔位置，依次将石墨密封圈8和厚度为5cm石英透波承压块3放置于波导法兰中，利用沉头螺钉7将波导法兰2与波导6连接，压紧透波承压块3和密封圈8，形成一个透波密封的耦合馈口；磁控管4和波导上的波导接口5相连，微波裂缝天线10在腔体1内与波导法兰2采用沉头螺钉7相连。按照相同的方法在腔体周向均匀分布8个耦合馈口和微波裂缝天线10，形成微波裂缝天线组，将磁控管4产生的微波9耦合入腔体1形成谐振。
与传统微波加热加压装置相比，本发明的装置无需多边形内腔，直接利用圆形腔体形成微波谐振腔。圆形耐压微波腔体前端设置有罐门卡箍，微波压力密封罐门通过在罐门卡箍内旋转锁紧将微波能量和高压气体密封在圆形耐压微波腔体内。如图10所示，微波压力密封门在罐门上安装一圈屏蔽刷11，在与罐门闭合相对应的罐门卡箍位置处设置凹形扼流槽14，罐门卡箍上同时设置气体密封环13。在罐门与罐门卡箍18通过旋转啮合齿12配合锁紧过程中，屏蔽刷11在扼流槽14中压紧并滑动，避免圆形耐压微波腔体内的微波通过门缝泄露。当罐门17与罐门卡箍18锁紧后，给罐门卡箍18上的密封环13通高压气体，使其膨胀后密封罐门框与罐门卡箍18之间的间隙，避免高压气体通过门缝泄露。在腔体内安装工作台16，用于放置复合材料15和成型模具。
在腔体上安装进排气管道、抽真空管道和光纤温度传感器，管道中配有相应的进气阀和排气阀（手动和自动），以及测量仪表。根据温度传感器和测量仪表数据实时监测腔体内部复合材料的温度以及压力，通过PLC控制程序实时调控温度和压力。通过调整磁控管功率调整升温速率的快慢，调整各路磁控管的开闭状态来调整腔体内部电磁场的分布。
当确定了微波裂缝天线的排布和调整方法后，手工铺叠尺寸为200*200 mm的0°预浸料10层，在复合材料边缘贴宽度为5mm的带孔铝箔胶带防止边缘在微波场中打火，按照复合材料真空袋工艺封装复合材料。预抽真空2小时后开始采用本发明设计的微波加热加压成型装置对复合材料进行加热。按照生产厂家推荐的温度工艺以3℃/min从室温升温至120℃保温2h，然后自然降温。在温度达到120℃后以20KPa/min的升压速率增加腔体内气体的压力至0.6MPa,然后保压，等温度降至50℃后开始泄压。在复合材料固化过程中，通过调整功率大小改变升温的快慢。
实例二。
本实例与实例一的区别是腔体周向的微波压力耦合馈口个数调整为12，在腔体内形成直波导裂缝天线组，腔体轴向排布三组。在复合材料微波加热过程中，相邻的直波导裂缝天线组控制采用非同步策略。
实例三。
本实例与实例一、二的区别是腔体内的裂缝天线为圆环裂缝天线，单个或者多个磁控管产生的微波通过圆环裂缝天线将微波在周向分散。
实例四。
本实例与实例一、二、三的区别是腔体内的裂缝天线为母线裂缝天线，沿着多条圆形腔体的内壁母线布置多条，将单个或多个磁控管产生的微波沿着母线裂缝天线进行分散。
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)
1.一种复合材料微波加热加压成型装置，它包括圆柱形耐压微波腔体（1），其特征在于：圆柱形耐压微波腔体（1）上焊接有多个供微波进入的微波压力耦合馈口，位于圆柱形耐压微波腔体（1）中的裂缝天线（10）与微波压力耦合馈口相连将磁控管（4）产生的微波（9）引入圆柱形耐压微波腔体（1）内将微波能量均匀的辐射至微波腔体内，对封装在真空袋内的复合材料进行微波加热固化成型；所述的圆柱形耐压微波腔体（1）上设置有抽真空管路和进排气管路以便在微波加热过程中对复合材料进行抽真空压实和高压气体压实；圆柱形耐压微波腔体（1）的前端设置有罐门卡箍，微波压力密封罐门通过在罐门卡箍内旋转锁紧将微波能量和高压气体密封在圆形耐压微波腔体内；所述的裂缝天线（10）为直波导裂缝天线、圆环裂缝天线、母线裂缝天线或者它们的组合。
2.根据权利要求1所述的复合材料微波加热加压成型装置，其特征在于：微波压力耦合馈口包括波导法兰（2）、透波承压块（3）和密封圈（8），密封圈（8）和透波承压块（3）安装在波导法兰（2）中，波导法兰（2）焊接固定在圆柱形耐压微波腔体（1）上，波导法兰（2）位于圆柱形耐压微波腔体（1）外的一端与波导（6）相连，波导（6）通过波导接口（5）与磁控管（4）相连，波导法兰（2）位于圆柱形耐压微波腔体（1）内的一端与微波裂缝天线（10）相连，磁控管（4）产生的微波（9）经波导接口（5）进入波导（6）中并透过透波承压块（3）进入微波裂缝天线（10）中，进而对圆柱形耐压微波腔体（1）的复合材料进行微波加热。
3.根据权利要求1或2所述的复合材料微波加热加压成型装置，其特征在于：所述的裂缝天线（10）为直波导裂缝天线时，直波导裂缝天线的长边与耐压腔体轴向基本平行；所述的裂缝天线（10）为圆环裂缝天线时，圆环裂缝天线与耐压腔体同轴；所述的裂缝天线（10）为母线裂缝天线时，母线裂缝天线沿耐压腔体内壁母线布置。
4.根据权利要求3所述的复合材料微波加热加压成型装置，其特征是所述的直波导裂缝天线的长边与耐压腔体轴向基本平行，其平行度偏差角度不超过正负10度，多个直波导裂缝天线沿耐压腔体周向均布形成直波导裂缝天线组。
5.根据权利要求3所述的复合材料微波加热加压成型装置，其特征是所述的圆环裂缝天线与耐压腔体同轴，母线裂缝天线沿耐压腔体内壁母线布置。
6.根据权利要求1所述的复合材料微波加热加压成型装置，其特征在于：所述的微波压力密封罐门（17）上安装有一圈屏蔽刷（11），在与微波压力密封罐门（17）相对应的罐门卡箍（18）上设置有凹形扼流槽（14），罐门卡箍上同时设置有气体密封环（13），微波压力密封罐门（17）与罐门卡箍（18）通过旋转配合锁紧，屏蔽刷（11）在扼流槽（14）中压紧并滑动，避免圆形耐压微波腔体内的微波通过门缝泄露；当微波压力密封罐门与罐门卡箍锁紧后，给罐门卡箍上的气体密封环（13）通高压气体，使其膨胀后密封微波压力密封罐门的罐门框与罐门卡箍之间的间隙，避免高压气体通过门缝泄露。
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