CN109080174B - 一种复合材料微波高压固化装置 - Google Patents

Abstract

发明针对热压罐固化技术存在的复合材料厚度方向温度梯度大、层间剪切强度差、固化时间长、能耗高等问题，提供了一种复合材料微波高压固化装置，采用电磁波对抽真空和气体高压压实的复合材料进行微波加热固化成型，为先进复合材料的高质量、短周期、低能耗固化成型提供技术支撑。

Description

一种复合材料微波高压固化装置

技术领域

本发明涉及一种复合材料固化设备，尤其是一种复合材料高压固化设备，具体地说是一种利用高压气体辅助的具有智能监控功能的复合材料微波高压固化装置。

背景技术

纤维增强树脂基复合材料是各类具有较高轻量化需求领域，如航空航天、船舶、汽车、风力发电等领域内，大量运用的核心材料。尤其是在先进航空航天器的制造中，复合材料的使用已经由飞行器雷达罩、安定面等次承力构件发展到包括翼梁、机翼壁板、中央翼盒、长桁、机身筒段等主承力构件。航空航天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。大型构件共固化、整体成型技术是下一代纤维复合材料构件的发展趋势。

热压罐成型工艺具有成型质量佳、工艺重复性好、孔隙率低和树脂含量均匀等优点。目前，超过98%的航空航天纤维增强树脂基复合材料构件采用热压罐工艺成型。然而，热压罐工艺主要存在以下四个问题：（1）纤维增强树脂基复合材料厚度方向热传导性能差，导致纤维复材构件厚度方向的温度不均匀；（2）空气传导加热过程热惯性大，温度控制灵敏性差；（3）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。（4）热压罐工艺需加热罐内空气、模具和辅助设施，加之固化时间长，因此能耗极大。

为解决上述难题，一种微波加热固化技术被提出以用于纤维增强树脂基复合材料的固化过程[CN201310480686.4]。微波是一种介于30MHz-300GHz之间的电磁波，复合材料对该波段内的电磁波具有较强的吸收作用。微波加热固化具有固化周期短、能耗低、温度响应迅速等特点，已经在学术界和企业界展开了广泛的研究工作。然而，现阶段所报道的微波加热固化技术主要面向处于一个真空袋压环境下的复合材料[CN201310006755.8]。高性能复合材料具有较高的质量要求，如孔隙率需降至1%以内，厚度超差不超过0.01mm。这类高性能构件的固化过程要求在一个真空袋压的基础上额外施加0.6MPa以上的均布压力，使得复合材料内部的气体可以顺利排出，以减少材料的孔隙率，提高压实度。

为了实现树脂基复合材料在高压辅助下的微波加热固化，不同的机构先后提出了微波-压力固化成型装置。德国航空航天中心在美国专利[US8008608B2]中保护了一种微波热压罐，采用多路同轴电缆和辐射天线将微波馈入至圆形截面热压罐内加热复合材料。然而，圆形截面微波腔体存在电磁能量集聚于圆心且难以调整等问题，使得复合材料极易发生高温烧蚀而报废。为解决上述问题，南京航空航天大学[CN201310480701.5]保护了一种微波-压力固化装置。该装置由外部圆柱形承压罐体和内部多边形微波谐振腔组成，同样采用同轴电缆和辐射天线作为微波传输线，实现了相对均匀的电磁场分布。上述两种方案均采用了同轴电缆作为微波传输线，虽然同轴电缆线在气体密封及承压方面具有较大的优势，但同轴电缆本身属于低功率电磁信号传输线，无法应用于大功率微波能加热领域。采用同轴电缆传输大功率微波能量会导致大量传输损耗，微波能量无法有效馈入微波腔体中，同时同轴电缆急剧发热软化、烧蚀，造成微波泄漏、罐体压力密封失效等严重安全事故。专利[CN104690986B]提出了一种微波混合加热加压装置，该装置直接将矩形耐压波导焊接在热压罐壁面上实现大功率微波能量传输，但罐体上开设的矩形微波馈口处极易产生应力集中，从而造成压力罐体失效破坏，同时上述馈能方式使得热压罐内部空间利用率极低，难以实现大型零件的加热固化。此外，为配合空气传导加热过程，该微波腔体全部由金属网孔板制作，微波谐振性能差、电磁泄漏严重。

为使多边形谐振腔体内产生微波谐振进而加热复合材料，必须将多边形谐振腔体设计为密闭金属腔体，所以在内部谐振腔体前端应设置屏蔽门并进行电磁密封。目前，所有专利都将内部谐振腔体的屏蔽门设计为翻折开启结构，但多边形腔体屏蔽门与圆柱形高压罐体间存在严重干涉，大部分情况下多边形腔体屏蔽门难以完全开启。为解决上述干涉问题，只能缩小内部多边形微波腔体尺寸，使得空间利用率极低。

为使复合材料在微波加热过程中的升降温速率完全可控，必须为整个装置配备降温冷却系统。专利[CN201310480701.5]保护了一种传统热压罐冷却系统，但高压罐体壁面上的冷却水管难以有效带走多边形微波腔体内的热量，无法直接对复合材料实现有效降温。

微波在密闭金属腔体内谐振后，产生稳定的驻波谐振状态，直接导致复合材料表面产生大量冷点和热点。传统的点测温方式无法满足微波加热过程中的温度测量要求。因此，必须为整个装置配备面测温设施。此外，碳纤维等高导电率纤维极易在强电磁环境下产生放电打火现象，因此，必须为整个装置配备可视化监控设备，保证设备运行安全。然而在微波高压腔体中，电子设备的工作环境为200℃以上的高温，60公斤以上的气体压力，10kW以上的电磁辐射，任何电子设备都无法在这样严苛的环境下正常工作。上述各项专利中所描述的微波压力固化设备均难以实现材料面内温度分布、罐内固化状态的在线监控。

综上所述，现有微波压力加热固化装备存在以下四个方面的难题：缺乏向高压容器进行大功率微波馈能的方案、高压罐体与其内部微波腔体屏蔽门存在严重干涉、无法对微波腔体内的复合材料进行有效冷却、缺乏高温高压强电磁环境下的面测温和可视化监控设施。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有微波-压力固化装置存在缺乏向高压容器进行大功率微波馈能的方案、高压罐体与其内部微波腔体屏蔽门存在严重干涉、无法对微波腔体内的复合材料进行有效冷却、缺乏高温高压强电磁环境下的面测温和可视化监控设施等重大技术问题，提供了一种纤维增强树脂基复合材料微波高压固化装置，所述装置采用高效承压微波馈能结构，整体式电磁高压密封门，气体冷却循环系统以及高温高压电磁屏蔽监控系统，可大幅简化高性能微波高压固化装置的结构设计，加强固化过程对材料性能的智能化监控，提高先进复合材料构件的固化质量。

本发明的技术方案是：

一种复合材料微波高压固化装置，其特征在于：它包括多边形微波谐振腔体1和圆柱形的高压罐体2，多边形微波谐振腔体1安装在高压罐体2内，高压罐体2上焊接有微波压力耦合馈口5，微波压力耦合馈口5位于高压罐体2外的一端连接有外部波导4，外部波导4上安装有磁控管3，微波压力耦合馈口5位于高压罐体2内的一端与波导6相连，波导6与位于微波谐振腔体1壁面上的裂缝天线7相连；磁控管3产生的微波经外部波导4传输后，通过焊接在高压罐体2上的微波压力耦合馈口5馈入至高压罐体2内的波导6中，波导6进一步将上述微波信号传输至安装在微波谐振腔体1壁面上的裂缝天线7中；裂缝天线7最终将上述微波信号耦合至微波谐振腔体1内，对放置在腔体内的复合材料进行微波加热；微波腔体谐振腔体1相邻壁面上的裂缝天线7间隔排列；在所述的微波谐振腔体1的壁面上设置有微波屏蔽孔，高压罐体2内的高压气体通过上述微波屏蔽孔进入微波谐振腔体1内，使微波谐振腔体1与高压罐体2间保持气压平衡；在高压罐体的一端安装有整体式电磁高压密封门8以便同时对高压罐体2进行气压密封和微波谐振腔体1进行电磁密封；所述的整体式电磁高压密封门8边缘和高压罐体2前端设置有配合齿法兰9和密封圈充气10；整体式电磁高压密封门8关闭到位后，通过齿法兰旋转锁紧，并给密封圈充气10进行高压密封；微波谐振腔体1前端设置有翻边结构11，翻边结构11上设置有楔形凹陷的圆形扼流槽12；整体式电磁高压密封门8上设置有圆形微波反射板13，圆形微波反射板13上设置有圆形金属软刷14；通过圆形金属软刷14插入圆形扼流槽12实现微波谐振腔体1的电磁密封。

所述的微波压力耦合馈口5由基座法兰盘20、气密垫片22和耐压透波片21组成，基座法兰盘20焊接固定在高压罐体2上，基座法兰盘20上表面中心位置设置有波导口，下表面设置有凹槽用于放置气密垫片22和耐压透波片21，内部波导6和外部波导4与基座法兰盘20通过螺纹连接。

所述的高压罐体2的尾部和侧面设置有气体循环装置，用于对微波高压固化装置内的压缩气体进行循环冷却；所述气体循环冷却装置由高压管道25、气动马达23和冷凝装置24组成；气动马达23置于高压管道内22，提供动力实现高压罐体内气体循环；冷凝装置24对高压管道内25的气体进行冷却降温。

所述的微波谐振腔1的壁面装载有可耐受高温高压及电磁辐射的非接触式测温系统17、摄影系统18以及照明系统19，它们均安装在水冷耐压防辐射套筒16内。

所述的水冷耐压防辐射套筒16是一种可承受气体高压的圆柱状金属套筒，套筒16前端安装有可通过目标波段射线的承压块26，并由金属法兰27密封，承压块26上下设置有承压垫片30；所述承压块外侧遮蔽有微波屏蔽网28，既可以完全反射谐振腔内的微波信号，又可以透过衬套内用电器接收或发出的目标波段射线；套筒内壁设置水冷衬套29或蛇形水冷管，控制冷却功率使得衬套内的温度小于等于60°C，内部电子设备31的线缆32通过锥形压套33和法兰盘34密封。

所述高压罐体表面设置多路抽真空和测真空管路，抽真空管路通过电磁阀控制并与真空泵相连。

所述高压罐体表面设置高压气体进气管路和排气管路，通过控制进气阀组和排气阀组控制罐内气体压力。

所述高压罐体表面设置多个不同规格的法兰接口，温度、应变、固化状态、介电性能等多种传感器通过上述法兰接口进入高压罐体内。

各路磁控管3均配备冷却水管进行冷却降温，维持其持续稳定运行。

本发明的有益效果是：

本发明利用微波高压固化装置固化纤维增强树脂基复合材料构件的明显优点在于：提供了一种纤维增强树脂基复合材料微波高压固化装置，所述装置采用高效承压微波馈能结构，可实现低损耗的气密封微波馈能；采用一体式气体密封-电磁屏蔽门，可同时实现罐内高压密封和谐振腔的电磁密封，简化了结构复杂度，实现了高效自动化的开关门系统；采用气体冷却系统，可实现罐内复合材料的快速冷却，为微波加热复合材料的快速升降温控制提供了可能；采用高温高压电磁屏蔽监控系统，实现了罐内固化温度、固化状态的监测和控制；本发明可大幅简化高性能微波高压固化装置的结构设计，加强固化过程对材料性能的智能化监控，提高先进复合材料构件的固化质量。

附图说明

图1是本发明的微波压力固化装置总体结构图。

图2是本发明的整体式电磁高压密封门局部剖面示意图。

图3是本发明的高效承压微波馈能结构局部剖面示意图。

图4是本发明的微波压力固化装置冷却系统示意图。

图5是本发明的耐高温高压及电磁辐射套筒结构示意图。

图中：1、微波谐振腔体；2、圆柱形高压罐体；3、磁控管；4、外部波导；5、微波压力耦合馈口；6、内部波导；7、裂缝天线；8、电磁高压密封门；9、配合齿法兰；10、密封圈；11、翻边结构；12、圆形扼流槽；13、反射板；14、圆形金属软刷；15、轴；16、耐压防辐射套筒；17、非接触式测温系统；18、摄影系统；19、照明等电子系统；20、基座法兰盘；21、耐压透波片；22、气密垫片；23、气动马达；24、冷凝装置；25、高压管道；26、承压块；27、金属法兰密封；28、微波屏蔽网；29、水冷衬套；30、石墨承压垫片；31、电子设备；32、线缆；33、锥形压套；34、法兰盘。

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纤维增强树脂基复合材料微波高压固化成型装置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1-5所示。

一种复合材料微波高压固化装置，它包括外接圆尺寸为3米，长度为5米的八边形微波谐振腔体1和可承受2.0MPa的圆柱形的高压罐体2；八边形微波谐振腔体1安装在高压罐体2中，本发明的高压罐体采用翻转式外开门方式。如图1所示，每边4路，一共32路最大功率为1.5kW的磁控管3安装于高压罐体外侧，它们均由焊接于上法兰盖板的外部波导4支撑并连接安装，且其产生的微波经过外部波导4后到达焊接在高压罐体2上的微波压力耦合馈口5，且通过馈口馈入至高压罐体2内。32根内部波导6分别焊接在对应馈口法兰盘5的内侧法兰盖板上，进一步将上述微波能量传输至安装在微波谐振腔体1壁面上的对应的32根裂缝天线7中。裂缝天线7均布于微波谐振腔的各个壁面，最终从多个方向将上述微波能量耦合至微波谐振腔体1内，放置在八边形腔体内的复合材料受到微波的辐照作用后被其加热，进而实现复合材料的固化。微波腔体谐振腔体1相邻壁面上的裂缝天线7间隔排列，其中，预测得到的材料微波加热温度均匀性优化结果作为裂缝天线排列依据。微波谐振腔体1的壁面上设置大量微波屏蔽孔，孔的尺寸为4mm，该值小于所述微波波段的截止频率对应的波长。高压罐体2内的高压气体由进气管进入微波谐振腔1后，通过上述微波屏蔽孔进入微波谐振腔体内，使微波谐振腔体与高压罐体间保持气压平衡。采用整体式电磁高压密封门8同时对高压罐体2进行气压密封和微波谐振腔体1进行电磁密封。所述整体式电磁高压密封门8边缘和高压罐体1的卡箍前端设置的齿法兰9配合；整体式电磁高压密封门8关闭到位后，通过高圧密封门的整体旋转，齿法兰啮合锁紧，给同样设置在卡箍上的密封圈充气10后罐内压力实现密封；八边形微波谐振腔体1前端设置翻边结构11，翻边结构的厚度为20mm，翻边结构11上设置10mm深的楔形凹陷圆形扼流槽12；整体式电磁高压密封门8上设置圆形微波反射板13，圆形微波反射板13利用万向轴承连接于轴15后与整体式电磁高压密封门8固连，门的啮合啮离旋转运动将会带动反射板13一起运动，与扼流槽相对应的位置，在反射板上连接最大高度为12mm的圆形金属软刷14，整体式电磁高压密封门8旋转时，圆形金属软刷14在所述扼流槽12内摩擦并滑动；当啮合后，即可通过圆形金属软刷14插入圆形扼流槽12实现微波谐振腔体1的电磁密封，如图2所示。

如图3所示，微波压力耦合馈口5由基座法兰盘20、气密垫片22、耐压透波片21组成。高压罐体2壁面首先按照基座法兰盘20的外径切割开32个孔，再将32路基座法兰盘20焊接于所对应的孔中，基座法兰盘20上表面中心位置设置有矩形波导口，外波导4与法兰盖板焊接组成一体结构后用螺栓固定于基座法兰盘20上表面，下表面设置有凹槽用于放置气密垫片22、耐压透波片21等，气密垫片22、耐压透波片21由内波导6和内法兰盖板一体的结构定位，再有螺栓压紧实现气密封，基座法兰盘20上下表面均设置有螺纹。

本实施例中采用高压罐体尾部和侧面设置气体循环装置，用于对微波高压固化装置内的压缩气体进行循环冷却。如图4所示，气体循环冷却装置由一分二高压管道25、外部气源驱动的气动马达23和冷凝装置24组成。气动马达23置于高压管道内22，开启后，罐内的高温气体被抽进高压管道内，随后循环至左右两侧的冷凝装置24内，冷凝装置利用冷却器对高温气体进行降温，降温后的冷气体再次被注入罐体内，实现高压环境下的罐内对流换热冷却。

如图5所示，所述的微波谐振腔壁面装载可耐受高温高压及电磁辐射的非接触式测温系统17、摄影系统18以及照明等电子系统19，非接触式测温系统采用广角红外热成像仪，可观测材料面内的温度分布，摄像系统采用广角监控相机，照明系统采用多级工业级LED灯珠，所述的所有电子系统均放置与结构相似的水冷耐压防辐射套筒16内；所述的水冷耐压防辐射套筒16是一种可承受气体高压的圆柱状金属套筒，套筒16由高强度不锈钢制成，可承受2MPa气体高压，可在200℃的高温环境中保持筒内温度维持在60℃以下，套筒前端安装有可通过目标波段射线的承压块26，对于红外热成像仪的承压块采用锗玻璃或者氟化钡玻璃，并将其用金属法兰密封27，承压块26上下设置有石墨承压垫片30。所述承压块外侧遮蔽有微波屏蔽网28，既可以完全反射谐振腔内的微波信号，又可以透过衬套内用电器接收或发出的目标波段射线，微波屏蔽网采用厚度为1mm，孔洞尺寸为1mm的铜网制成。套筒内壁设置水冷衬套29，经过冷凝的循环水加压后通入到各个设备的水冷衬套内，可实现其内部的工作温度小于等于60°C，内部电子设备31的线缆32通过锥形压套33和法兰盘34密封，锥形压套由聚四氟乙烯制成。

所述高压罐体表面设置10路抽真空和10测真空管路，抽真空管在罐内采用金属外皮软管，抽真空管路通过电磁阀控制并与真空泵相连，真空泵与真空储压罐相连，测真空通路外设置有真空压力变送传感器，可以实时显示真空压力，各变送器其所测量的真空压力值可实时返回至控制系统中。控制系统由西门子S7-300工业可编程控制器搭载，分别加装2套数字量模块和4套模拟量拓展模块。

所述高压罐体表面设置高压气体进气管路和排气管路，通过控制进气阀组和排气阀组控制罐内气体压力；进气阀组和排气阀组可同时利用两套PID控制程序执行综合气压调控，在使用冷干气体冷却材料时，也可实现罐内压力满足设定要求；同时进气管路和排气管路也设有手动进排气阀组。外部气动马达的转速也由自动控制阀组调控器冷却气体循环速度。

所述高压罐体表面设置多个不同规格的法兰接口，温度、应变、固化状态、介电性能等多种传感器通过上述法兰接口进入高压罐体。本实施例中，采用40路光纤荧光温度传感器，20路应变传感器，30路固化度传感器，30路树脂压力传感器，各路传感器的接口均用法兰密封。32磁控管的水冷衬套利用四氟软管首尾相连，通以高压冷凝液体，以保证其正常的工作温度。管道各点安装有6路液体流量传感器，以监测冷却液体的正常输送和设备的稳定运行。

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)

1.一种复合材料微波高压固化装置，其特征在于：它包括多边形微波谐振腔体（1）和圆柱形的高压罐体（2），多边形微波谐振腔体（1）安装在高压罐体（2）内，高压罐体（2）上焊接有微波压力耦合馈口（5），微波压力耦合馈口（5）位于高压罐体（2）外的一端连接有外部波导（4），外部波导（4）上安装有磁控管（3），微波压力耦合馈口（5）位于高压罐体（2）内的一端与波导（6）相连，波导（6）与位于多边形微波谐振腔体（1）壁面上的裂缝天线（7）相连；磁控管（3）产生的微波经外部波导（4）传输后，通过焊接在高压罐体（2）上的微波压力耦合馈口（5）馈入至高压罐体（2）内的波导（6）中，波导（6）进一步将上述微波信号传输至安装在多边形微波谐振腔体（1）壁面上的裂缝天线（7）中；裂缝天线（7）最终将上述微波信号耦合至多边形微波谐振腔体（1）内，对放置在腔体内的复合材料进行微波加热；多边形微波谐振腔体（1）相邻壁面上的裂缝天线（7）间隔排列；在所述的多边形微波谐振腔体（1）的壁面上设置有微波屏蔽孔，高压罐体（2）内的高压气体通过上述微波屏蔽孔进入多边形微波谐振腔体（1）内，使多边形微波谐振腔体（1）与高压罐体（2）间保持气压平衡；在高压罐体的一端安装有整体式电磁高压密封门（8）以便同时对高压罐体（2）进行气压密封和多边形微波谐振腔体（1）进行电磁密封；所述的整体式电磁高压密封门（8）边缘和高压罐体（2）前端设置有配合齿法兰（9）和密封圈充气（10）；整体式电磁高压密封门（8）关闭到位后，通过齿法兰旋转锁紧，并给密封圈充气（10）进行高压密封；多边形微波谐振腔体（1）前端设置有翻边结构（11），翻边结构（11）上设置有楔形凹陷的圆形扼流槽（12）；整体式电磁高压密封门（8）上设置有圆形微波反射板（13），圆形微波反射板（13）上设置有圆形金属软刷（14）；通过圆形金属软刷（14）插入圆形扼流槽（12）实现多边形微波谐振腔体（1）的电磁密封。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的微波压力耦合馈口（5）由基座法兰盘（20）、气密垫片（22）和耐压透波片（21）组成，基座法兰盘（20）焊接固定在高压罐体（2）上，基座法兰盘（20）上表面中心位置设置有波导口，下表面设置有凹槽用于放置气密垫片（22）和耐压透波片（21），波导（6）和外部波导（4）与基座法兰盘（20）通过螺纹连接。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的高压罐体（2）的尾部和侧面设置有气体循环装置，用于对微波高压固化装置内的压缩气体进行循环冷却；所述气体循环冷却装置由高压管道（25）、气动马达（23）和冷凝装置（24）组成；气动马达（23）置于高压管道（25）内，提供动力实现高压罐体内气体循环；冷凝装置（24）对高压管道（25）内的气体进行冷却降温。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的多边形 微波谐振腔体 （1）的壁面装载有可耐受高温高压及电磁辐射的非接触式测温系统（17）、摄影系统（18）以及照明系统（19），它们均安装在水冷耐压防辐射套筒（16）内。

5.根据权利要求4中所述的装置，其特征在于所述的水冷耐压防辐射套筒（16）是一种可承受气体高压的圆柱状金属套筒，水冷耐压防辐射套筒（16）前端安装有可通过目标波段射线的承压块（26），并由金属法兰（27）密封，承压块（26）上下设置有承压垫片（30）；所述承压块外侧遮蔽有微波屏蔽网（28），既可以完全反射谐振腔内的微波信号，又可以透过衬套内用电器接收或发出的目标波段射线；水冷耐压防辐射套筒内壁设置水冷衬套（29）或蛇形水冷管，控制冷却功率使得衬套内的温度小于等于60°C，内部电子设备（31）的线缆（32）通过锥形压套（33）和法兰盘（34）密封。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述高压罐体表面设置多路抽真空和测真空管路，抽真空管路通过电磁阀控制并与真空泵相连。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述高压罐体表面设置高压气体进气管路和排气管路，通过控制进气阀组和排气阀组控制罐内气体压力。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述高压罐体表面设置多个不同规格的法兰接口，温度、应变、固化状态、介电性能等多种传感器通过上述法兰接口进入高压罐体内。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：各路磁控管（3）均配备冷却水管进行冷却降温，维持其持续稳定运行。

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