CN109203313A - 一种复合材料的固化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合材料的固化方法，包括振动预处理和低压微波固化，其中：振动预处理具体是：将待加工的复合材料制件进行振动处理得到预处理后的复合材料制件；低压微波固化具体是：将预处理后的复合材料制件在低压及微波条件下进行固化；复合材料制件在振动预处理过程和低压微波固化过程中均进行固化。应用本发明的技术方案，效果是：本发明采用振动预处理和低压微波固化的结合，使得最后的复合材料制件基本能够达到现有技术中高压条件下效果，在保证复合材料制件质量和性能优良的同时，降低成型过程中所需要的压力以及缩短固化时间，进而减少生产成本及提高安全系数。

Description

一种复合材料的固化方法

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，特别地，涉及一种复合材料的固化方法。

背景技术

复合材料相比于金属材料，具有更高的比强度和比模量，同时兼具优良的抗疲劳性能，是应用于航空航天等高新领域的理想材料，但是由于其成型过程复杂、成型后制件的质量难以保证，限制了该材料的广泛应用。

目前，最为成熟的复合材料成型工艺为热压罐工艺。热压罐工艺是通过热传导、热对流、热辐射三种传热方式对制件进行由外而内的加热方式，尽管在加热过程中，热压罐内的空气温度及固化压力相对均匀，但是由于复合材料是热的不良导体，在加热固化时当热量由材料外部向内部传递时，会在材料内部存在温度梯度，造成沿厚度方向上固化度不同，使树脂很难均匀和完全固化，因此产生较大的内应力，进而影响制件的整体质量。

微波固化工艺作为一种新的固化技术，以其高效、节能、环保的显著优势引起了国内外众多研究团队的关注。该工艺是将待加热的制件置于微波场中，在外加电磁场的作用下使制件内部介质发生极化，构成待固化制件内部的功率耗散，将微波能转化成热能。微波固化工艺的加热方式属于“分子内”加热，不需要加热材料周围的空气，而是直接将微波辐射至复合材料表面，同时穿透材料，实现材料内外同时均匀加热。同时，相比于传统的热压罐工艺，微波固化工艺的升温速率有很大的提高，通常在5℃/min之上，因此可以很大程度的提高生产效率。但是，微波固化工艺的高升温速率大大减少了复合材料制件的成型时间，限制了制件内部空气的排出，进而导致微波固化工艺所得到的复合材料制件的性能和质量远逊与采用传统热压罐工艺所得的制件，限制了该工艺在工程上的广泛应用。

关于复合材料微波固化成型工艺，国内外众多研究团队已展开了大量研究，并取得了丰硕的成果。如中国专利申请CN201310480686设计了一种采用微波工艺固化纤维增强树脂基复合材料构建的装置，该装置采用的微波源线性可调，通过步进电机控制滚珠丝杠转动进而控制工作台前后运动，利用八边形微波模谐振腔体结构来实现内部电磁场的均匀性；中国专利申请CN201310480701、CN201610027791、CN20161003557、CN201610025303等文件中公开了使用热压罐与微波结合用于加热固化复合材料的技术，采用微波对制件进行快速加热，使用热压罐施加高压，能基本实现对复合材料制件的均匀性加热，进而提高制件的质量和性能。但是对于微波高压固化工艺，虽然能体现出微波固化带来的高效率优势，但是一定程度上提高了生产制造成本，同时还存在一定的安全隐患。

因此，设计一种快速高效、操作方便、安全系数高、加工成本低且能够确保复合材料制件质量的复合材料的固化方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合材料的固化方法，在保证复合材料制件质量和性能优良的同时，降低成型过程中所需要的固化压力，缩短固化时间，进而减少生产成本、提高安全系数。具体方案如下：

一种复合材料的固化方法，包括振动预处理和低压微波固化；

振动预处理具体是：将待加工的复合材料制件进行振动处理得到预处理后的复合材料制件，其中：振动加速度为5g-20g，g＝9.8m/s；

低压微波固化具体是：将预处理后的复合材料制件在低压及微波条件下进行固化，其中：压力为0.1-0.4Mpa；

复合材料制件在振动预处理过程和低压微波固化过程中均进行固化。

以上技术方案中优选的，所述振动处理中：温度由室温升温至75℃-95℃，优选75℃-85℃，更优选75℃-80℃；升温速率为0.5-5.0℃/min，优选1-3℃/min，更优选1.0-1.5℃/min；保温时间为10-60min，优选20-40min，更优选25-30min。

以上技术方案中优选的，所述振动预处理过程中待加工的复合材料制件采用单向铺层方式。

以上技术方案中优选的，微波加热的升温速率为1.5-10℃/min，优选3-8℃/min，更优选3-6℃/min；由室温升温至120℃-250℃，优选150℃-200℃，更优选165℃-185℃；保温60-200min，优选100-180min，更优选120-150min。

以上技术方案中优选的，低压微波固化中：微波设备的微波发生器功率线性可调，调节范围在0-4000W之间，磁控管的工作电压为3000V-5000V，功率范围为250-1350W；微波发射功率通过改变磁控管电压进行无极调节，对于在0-250W范围内的功率调节，通过调节占空比的方式对微波设备的平均输出功率进行调节，补偿功率为10-100W；优选，初始功率为100W，补偿功率为10-20W。

以上技术方案中优选的，所述振动加速度为5g-18g，优选振动加速度为6g-15g，更优选振动加速度为8g-10g。

以上技术方案中优选的，所述压力为0.1-0.4Mpa，优选0.1-0.3MPa，更优选0.1-0.2MPa。

应用本发明的技术方案，效果是：

1、本发明采用振动预处理和低压微波固化的结合，使得最后的复合材料制件基本能够达到现有技术中高压条件下效果，在保证复合材料制件质量和性能优良的同时，降低成型过程中所需要的压力、缩短固化时间，进而减少生产成本、提高安全系数。

2、本发明中振动预处理非常关键，随机振动产生的作用力，可以限制孔隙的生长甚至压溃孔隙，但是孔隙率并没有随着随机振动加速度的增加而减少，而是呈现非线性趋势，主要是随机振动提供的频率是连续的而不是离散的，在随机振动提供的主要频率范围接近制件系统频率，当该频率接近系统的共振频率时会对压力幅值有放大作用，促使孔隙的溶解；同时，当随机振动提供的频率接近系统频率时，随机振动提供能量将会增加，有利于降低树脂的粘度，增加气泡逃逸的速度，从而为后续微波固化打下基础，因此，本发明中振动预处理的设计直接影响后续微波固化效果。

3、压力对复合材料的固化成型是一个非常重要的参数，一般认为，压力可以有效压实复合材料的预浸料铺层，提高制件的质量，因此，现有的成熟工艺中多采用在高压下对复合材料进行成型制造。但是，对复合材料在高压下进行制造会大大提高生产成本、增加生产过程中的安全隐患。本发明因前期采用振动预处理步骤，使得后续微波固化能够在低压条件下完成，确保复合材料制件质量和性能优良。

4、升温速率对复合材料构件的成型质量有很大影响。由于热压罐固化工艺特有的加热原理，其固化过程中升温速率一般不超过3℃/min，以1.5-2℃/min最为常用，过高的升温速率会导致在材料内部产生较大的温度梯度，造成沿厚度方向上固化度差别较大，使树脂很难均匀和完全固化，因此产生较大的内应力，进而使制件整体质量难以达到预期要求。微波固化由于其独特的“分子内”加热原理以及不同于热压罐固化工艺的设备，在加热过程中不需要加热材料周围的空气，而是直接将微波辐射至复合材料表面，同时穿透材料，实现材料内外同时均匀加热，可使得固化过程中的升温速率得到明显提高的同时保证制件温度场的均匀性，但是由于升温速率过快导致制件内部缺陷无法完全消除进而使得制件性能无法与热压罐成型工艺所得制件相比，限制了微波工艺的广泛应用。本发明在微波工艺的基础上加以改进，增加了振动预处理步骤，使得在对制件进行微波固化过程中可以采用较高的升温速率，同时保证成型后制件质量和性能优良。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是实施例1中复合材料的固化方法的示意图；

图2是实施例1-3与对比例2-7层间剪切强度的对比示意图；

图3是实施例1-3与对比例2-7孔隙率的对比示意图；

其中：图2和图3中试样A(对比例2-4)为0.1MPa压力下以不同升温速率微波固化所得的制件；图2和图3中试样B(实施例1-3)为0.1MPa压力下经过预处理后以不同升温速率微波固化所得的制件；图2和图3中试样C(对比例5-7)为0.6MPa压力下以不同升温速率微波固化所得的制件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

一种复合材料的固化方法，包括振动预处理和低压微波固化，见图1，详情如下：

振动预处理具体是：将待加工的复合材料制件(此处以T800/X850航空复合材料为例)进行振动处理得到预处理后的复合材料制件，其中：待加工的复合材料采用单向铺层方式，振动采用振动平台，此振动平台可提供的振动频率为10-2000Hz，温度范围为-70-200℃，振动加速度不大于50g，其中g＝9.8m/s；振动平台利用外部空压机作为动力源，持续利用气锤为安装平台提供稳定振源，振动过程中振动从安装平台由下而上的传递至复合材料制件。此处优选：振动加速度为10g；温度由室温升温至80℃；升温速率为1.5℃/min；保温时间为30min。

振动预处理完毕后随炉冷却至室温后取出转移至微波设备。

低压微波固化具体是：将预处理后的复合材料制件在低压及微波条件下进行固化即得复合材料制件。微波设备的微波发生器功率线性可调，调节范围在0-4000W之间，磁控管的工作电压为3000V-5000V，功率范围为250-1350W；微波发射功率通过改变磁控管电压进行无极调节，对于在0-250W范围内的功率调节，通过调节占空比的方式对微波设备的平均输出功率进行调节，补偿功率为10-100W；优选，初始功率为100W，补偿功率为10-20W。压力为0.1Mpa；微波加热的升温速率为5℃/min；由室温升温至180℃；保温150min。

实施例2-3：

实施例2-3与实施例1相比较，仅在于微波升温速率不同，详见表1。

对比例1-8：

对比例1与实施例1相比较，仅在于固化过程中压力不同，详见表1。

对比例2-4与实施例1-3相比较，无振动预处理，仅在低压下进行微波固化(微波升温速率不同)；对比例5-7与实施例1-3相比较，无振动预处理，同时采用高压下微波固化工艺(微波升温速率不同)；对比例8为热压罐高压固化工艺，详见表1。其他未公开的步骤和工艺，参照实施例1或参照现有的热压罐固化工艺。

表1实施例1-3及对比例1-8参数及性能对比表

从表1及图2-3中可以看出：

1、从实施例1结合对比例2可知，本发明的振动预处理可以有效提高低压条件下微波固化制件的力学性能、降低制件内部的孔隙率。以0.1MPa下以5℃/min升温速率的微波固化例，对比例2所得制件的孔隙率为1.45％且其层间剪切强度为76.97MPa；经过振动预处理后在相同条件下微波固化所得制件，其孔隙率为0.47％(下降了0.98％)，其力学性能提高了20％，达到92.31MPa。因此，实施例1所得制件与对比例2所得制件比较，成型质量有了很大改善。

2、从实施例1-3结合对比例2-4可知，对于不同升温速率下的微波固化，振动预处理均可有效的提高制件的力学性能，降低其内部孔隙率，可以有效改善现有的采用微波固化工艺固化所得的制件质量。无振动预处理下以3℃/min、5℃/min、10℃/min在低压条件下微波固化得到的制件孔隙率分别为1.25％、1.45％、2.54％；层间剪切强度分别为79.62MPa、76.97MPa、71.59MPa；经过振动预处理后以相同升温速率在低压条件下微波固化得到的制件孔隙率分别下降了0.84％、0.98％、1.63％，仅有0.41％、0.47％、0.91％；层间剪切强度分别提高了21.2％、20.0％、17.5％，达到96.53MPa、92.31MPa、84.1MPa。

3、从实施例1-3结合对比例5-7可知，本发明的振动预处理和低压微波固化的结合，可以使得复合材料制件的性能达到高压微波固化工艺所得制件的相同水平，即在保证高效成型和制件质量的同时，有效降低了成型过程中的压力，降幅高达83.3％，节省了成本，提高了安全系数。高压微波固化工艺下不同升温速率所得制件的孔隙分别为0.33％、0.43％、0.89％，层间剪切强度分别为99.73MPa、95.33MPa、84.6MPa；而采用振动预处理结合低压微波固化工艺在不同升温速率下所得的制件孔隙率增长均不超过0.1％，层间剪切强度下降均不超过5％。

4、从实施例1结合对比例8可知，本发明的振动预处理和低压微波固化的结合，在保证制件力学性能无明显下降、孔隙率无显著增长的前提下，很大程度上降低了成型压力、提高了固化效率、节省了制造成本。以经过振动预处理后在0.1MPa下以5℃/min微波固化的制件为例，其孔隙率为0.47％，层间剪切强度为92.31MPa，相比于0.6MPa压力下的热压罐工艺，力学性能下降不超过5％、孔隙增长不超过0.2％。而成型压力降低了83.3％，成型效率提高了3倍以上。

5、从实施例1、对比例1以及对比例6可知，本发明低压微波固化工艺中，压力的选择非常重要。由于固化压力越高会使得制造成本以及安全隐患大大提高，所以在保证制件性能和质量没有明显下降的同时应该尽可能降低成型过程中压力。本发明的振动预处理可以有效降低成型过程中的压力：在0.1MPa下进行微波固化后的制件(实施例1)，孔隙增长不超过0.1％，力学性能下降仅3.17％，可认为达到了高压微波固化(对比例6)相同的水平；而当固化压力下降至0MPa(即不施加外压，如对比例1)时，孔隙率增幅达到0.5％，力学性能弱化高达12.7％，制件性能与质量下降较为明显。综上所述，本发明的微波固化选择固化压力为0.1-0.2MPa。

应用本发明的技术方案，效果是：利用振动预处理方式在低压力区间下采用高升温速率获得了孔隙率低于1％、层间剪切强度高于84MPa的高性能复合材料制件，有效改善了微波固化工艺由于成型速度过快带来的制件性能不佳的情况，同时相比于传统的热压罐高压工艺，降低了成型压力、提高了成型效率，可实现复合材料制件安全、均匀、高效、节能地成型固化。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种复合材料的固化方法，其特征在于：包括振动预处理和低压微波固化；

振动预处理具体是：将待加工的复合材料制件进行振动处理得到预处理后的复合材料制件，其中：振动加速度为5g-20g，g＝9.8m/s；

低压微波固化具体是：将预处理后的复合材料制件在低压及微波条件下进行固化，其中：压力为0.1-0.4Mpa；

复合材料制件在振动预处理过程和低压微波固化过程中均进行固化。

2.根据权利要求1所述的复合材料的固化方法，其特征在于：所述振动处理中：温度由室温升温至75℃-95℃，优选75℃-85℃，更优选75℃-80℃；升温速率为0.5-5.0℃/min，优选1-3℃/min，更优选1.0-1.5℃/min；保温时间为10-60min，优选20-40min，更优选25-30min。

3.根据权利要求2所述的复合材料的固化方法，其特征在于：所述振动预处理过程中待加工的复合材料制件采用单向铺层方式。

4.根据权利要求1所述的复合材料的固化方法，其特征在于：微波加热的升温速率为1.5-10℃/min，优选3-8℃/min，更优选3-6℃/min；由室温升温至120℃-250℃，优选150℃-200℃，更优选165℃-185℃；保温60-200min，优选100-180min，更优选120-150min。

5.根据权利要求4所述的复合材料的固化方法，其特征在于：低压微波固化中：微波设备的微波发生器功率线性可调，调节范围在0-4000W之间，磁控管的工作电压为3000V-5000V，功率范围为250-1350W；微波发射功率通过改变磁控管电压进行无极调节，对于在0-250W范围内的功率调节，通过调节占空比的方式对微波设备的平均输出功率进行调节，补偿功率为10-100W；优选，初始功率为100W，补偿功率为10-20W。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的复合材料的固化方法，其特征在于：所述振动加速度为5g-18g，优选振动加速度为6g-15g，更优选振动加速度为8g-10g。

7.根据权利要求1-5任意一项所述的复合材料的固化方法，其特征在于：所述压力为0.1-0.4Mpa，优选0.1-0.3MPa，更优选0.1-0.2MPa。