CN113690041A - 一种磁性复合材料热压成型固化系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁性复合材料热压成型固化系统及方法,其中系统包括:模具,用于对磁性复合材料进行压制成型,所述模具采用非磁性、非金属材料制成;加热线圈,围绕在所述模具的外部;通过控制加热线圈的交变电流,以产生交变磁场,从而对压制成型过程中的所述磁性复合材料进行加热固化。本发明利用磁性复合材料在交变磁场中的损耗发热,实现整个压制样品的均匀加热,另外,通过控制加热线圈中的电流,可以实现对磁性复合材料样品温度的精确控制。本发明可广泛应用于磁性复合材料加工领域。

Description

一种磁性复合材料热压成型固化系统及方法
技术领域
本发明涉及磁性复合材料加工领域,尤其涉及一种磁性复合材料热压成型固化系统及方法。
背景技术
磁性复合材料,是指将磁性粉末进行绝缘包覆并通过特定的工艺方法进行压制成型的新一类磁性材料。绝缘包覆工艺主要为有机包覆或者无机包覆和有机包覆相结合。绝缘包覆后的磁粉经过压制成型后还需要通过加热使树脂固化,在磁粉界面间形成交联网状结构,从而粘结磁粉。
磁性复合材料的成型和固化工艺分两步进行:压制成型和加热固化。其中,现有的加热固化过程中主要利用烤箱的电阻丝发热,将热量传递材料表面,材料表面的热量再传递给材料内部,使其达到树脂固化温度并固化,是一种由外向里的加热固化方式。此方案在在升温、降温的过程中会导致样品中温度分布不均匀,产生的应力可能导致样品开裂;同时,在升温、降温的过程中,无法保证样品内的温度与炉内温度一致,对最终成型的性能造成影响。因此使用电阻丝发热对样品进行固化无法实现精确控温,快速升、降温以及对样品进行均匀加热。
发明内容
为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一,本发明的目的在于提供一种磁性复合材料热压成型固化系统及方法。
本发明所采用的技术方案是:
一种磁性复合材料热压成型固化系统,包括:
模具,用于对磁性复合材料进行压制成型,所述模具采用非磁性、非金属材料制成;
加热线圈,围绕在所述模具的外部;
通过控制加热线圈的交变电流,以产生交变磁场,从而对压制成型过程中的所述磁性复合材料进行加热固化。
进一步地,所述磁性复合材料在交变磁场作用下被磁化,并产生磁损耗,以使所述磁性复合材料内部产生热量;
所述磁损耗包括磁滞损耗Ph、涡流损耗Pe、剩余损耗Pr
进一步地,所述磁损耗的表达式为:
Ps=Ph+Pe+Pr=KHB3f+KEB2f2/ρ+Pr
其中,B为磁感应强度;f为频率;ρ为电阻率;KH和KE分别为磁滞损耗系数和涡流损耗系数;
通过调整所述加热线圈中交变电流的强度和频率,以调整所述磁性复合材料的升温速度。
进一步地,所述一种磁性复合材料热压成型固化系统还包括测温装置,用于测量所述磁性复合材料的温度值,所述温度值作为反馈参数用于调节所述交变电流的参数。
进一步地,所述测温装置为接触式测温装置或非接触式测温装置。
进一步地,所述模具采用陶瓷材料或塑料材料制成。
进一步地,所述磁性复合材料包括磁性粉末和粉末表面包覆材料;
所述磁性粉末为软磁粉末或永磁粉末;
所述粉末表面包覆材料为无机材料、有机材料或者无机材料和有机材料的复合材料;
所述无机材料为氧化物、磷酸盐、硫酸盐或铁氧体;所述有机材料为热塑性树脂、热固性树脂或偶联剂。
本发明所采用的另一技术方案是:
一种磁性复合材料热压成型固化方法,包括以下步骤:
采用模具对磁性复合材料进行压制成型,并将模具放入交变磁场中;
通过交变磁场对压制成型过程中的所述磁性复合材料进行加热固化;
其中,所述交变磁场通过加热线圈的交变电流产生,所述加热线围绕在所述模具的外部,所述模具采用非磁性、非金属材料制成。
进一步地,所述磁性复合材料在交变磁场作用下被磁化,并产生磁损耗,以使所述磁性复合材料内部产生热量;
所述磁损耗包括磁滞损耗Ph、涡流损耗Pe、剩余损耗Pr
进一步地,所述磁损耗的表达式为:
Ps=Ph+Pe+Pr=KHB3f+KEB2f2/ρ+Pr
其中,B为磁感应强度;f为频率;ρ为电阻率;KH和KE分别为磁滞损耗系数和涡流损耗系数;
通过调整所述加热线圈中交变电流的强度和频率,以调整所述磁性复合材料的升温速度。
本发明的有益效果是:本发明利用磁性复合材料在交变磁场中的损耗发热,实现整个压制样品的均匀加热,另外,通过控制加热线圈中的电流,可以实现对磁性复合材料样品温度的精确控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案,下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍,应当理解的是,下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例,对于本领域的技术人员而言,在无需付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1是本发明实施例中一种磁性复合材料热压成型固化系统的一种结构示意图;
图2是本发明实施例中一种磁性复合材料热压成型固化系统的另一种结构示意图;
图3是本发明实施例中一种磁性复合材料热压成型固化系统的控制电路图;
图4是本发明实施例中在交变磁场不同的相位下,环状样品截面上的磁感应强度分布。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号,其仅为了便于阐述说明而设置,对步骤之间的顺序不做任何限定,实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在本发明的描述中,需要理解的是,涉及到方位描述,例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,若干的含义是一个或者多个,多个的含义是两个以上,大于、小于、超过等理解为不包括本数,以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中,除非另有明确的限定,设置、安装、连接等词语应做广义理解,所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
如图1所示,本实施例提供一种磁性复合材料热压成型固化系统,包括:
模具2,用于对磁性复合材料3进行压制成型,模具2采用非磁性、非金属材料制成;
加热线圈1,围绕在模具2的外部;
通过控制加热线圈1的交变电流,以产生交变磁场,从而对压制成型过程中的磁性复合材料3进行加热固化。
在本实施中,基于磁性材料(即磁性复合材料)在交变磁场中反复磁化过程中由于能量损耗而在样品内部自发热的原理,在压制成型过程中使磁性复合材料发热,表面有机物固化,同时实现复合材料的压制和粘结成形。解决了磁性复合材料在固化成型过程中样品内部温度不均匀,在升、降温过程中无法精确控制样品内部温度和升、降温速率的问题。
利用使用磁性材料在交变磁场中的热效应,使样品温度升高;相比传统的热固化工艺,可以一步实现成型和固化,利用粉末在交变磁场中的损耗发热,可以实现整个压制样品的均匀加热,通过控制加热线圈中的电流可以实现对样品温度的精确控制。
在一些可选的实施例中,在可以承受成型压力的前提下,将模具设计成工字形,使加热线圈更接近压制的样品,获得更好的加热效果,如图2所示。
在交变磁场作用下,磁体不仅被磁化,还会产生能量损耗,即磁损耗。磁损耗由三部分组成:磁滞损耗Ph、涡流损耗Pe、剩余损耗Pr。损耗与应用频率紧密相关,经验表明总损耗Ps可表示为:
Ps=Ph+Pe+Pr=KHB3f+KEB2f2/ρ+Pr (1)
式中:B为磁感应强度;f为频率;ρ为电阻率;KH和KE分别为磁滞损耗系数和涡流损耗系数。
长螺线管中的磁感应强度可以认为是均匀的,其强度可为:
Figure BDA0003153569780000041
式中:N为线圈的匝数,I为通过其中的电流,l为线圈长度。
由公式(1)可知,磁性材料处于交变磁场中,总损耗与磁感应强度、磁场强度相关。而根据公式(2),螺线管中的磁感应强度可以通过调节线圈中电流的强度控制,进而控制磁性复合材料的升温速度。此外,在停止施加外加磁场后,样品不再产热,在施加外加磁场之后样品可以瞬间升温,解决了传统固化工艺中无法直接控制样品温度的问题。由于不同材料的磁性能、电性能差异较大,在交变磁场中的产热机制也不相同,因此通过调整线圈中交变电流的强度、频率,可以对不同种类的磁性材料进行加热。
参见图3,图3展示了热压成型固化系统功率电路的原理图。在接通交变电流源5后,交变电流通过整流电路成为直流电。通过PWM控制器调节电路的通断,通过控制PWM控制器的频率,可以使LC谐振电路持续工作在谐振频率,对样品(即磁性复合材料样品)在特定频率下进行持续加热。
通过调节谐振电路中的电容值,可以针对不同样品产热机制不同设计不同的加热频率;通常,磁性材料的磁导率随着温度升高会发生变化,导致谐振电路的工作频率发生变化,因此通过增加反馈电路,可以使PWM控制器的频率始终与LC谐振电路的谐振频率一致。其中,PWM控制器在电路中作为一个开关,在LC电路中电容器两端电压最高时,对电容进行充电。如果不对电容器充电的话,LC电路会因为寄生电阻的存在,振荡幅值逐渐减小。通过在电容器两端电压最高时对电容器充电,可以保持LC电路中能量在每个振荡周期都是一样的。通过调节充电频率,可以控制LC电路中电能总量,保持在电容器两端电压最高时充电,是为了减小电路中的损耗。
通过自动控温电路,实时监测样品的温度变化,通过调节PWM控制器的频率,使LC电路的共振频率与PWM控制器的开关频率成整数比,如令PWM控制器的开关频率为1/2f,1/3f等,或者改变PWM控制器开关的占空比,即可以对样品温度变化进行精准控制。
LC谐振电路的谐振频率可以由电路中的电感量L和电容量C决定:
Figure BDA0003153569780000051
通过控制线圈交变电流的大小、频率,可以控制压制程中样品的温度,实现热压成型。同时可以使用此装置研究新的压制工艺。
在一些可选的实施例中,该磁性复合材料热压成型固化系统还包括测温装置,该测温装置用于测量所述磁性复合材料的温度值,所述温度值作为反馈参数用于调节所述交变电流的参数。该测温装置为接触式测温装置或非接触式测温装置(比如红外测温设备)。参见图1,其中接触式测温装置通过在磁性复合材料3上设置测温探头4,测温探头4测得的温度数据作为反馈数据,根据反馈数据使PWM控制器的频率始终与LC谐振电路的谐振频率一致。
在一些可选的实施例中,模具2采用陶瓷材料或塑料材料制成。模具的形状可以为不同形状,如矩形、圆形等。
在一些可选的实施例中,加热线圈1截面不限形状,如矩形、椭圆形、多股线圈等。加热温度可以通过加热线圈中的电流大小、频率等参数控制。
在一些可选的实施例中,磁性复合材料3由磁性粉末和粉末表面包覆材料组成,包覆材料不限种类,如无机材料、有机材料、无机材料和有机材料复合包覆等。无机材料包括但不限于氧化物、磷酸盐、硫酸盐和铁氧体等,有机材料包括但不限于热塑性树脂、热固性树脂和偶联剂等。磁性复合材料3中的磁性粉末不限种类,如软磁粉末、永磁粉末等。
磁性复合材料3不限磁性材料和包覆材料的比例,如95wt%磁性材料+5wt%包覆材料或50wt%磁性材料+50wt%包覆材料等。
图4是使用有限元分析软件对热压成型过程中,对环状样品(即环状的磁性复合材料样品)截面上的磁场分布进行的计算。线圈为铜质,线圈中电流强度为100A,线圈中通入频率为100kHz的正弦交流电;模具材质为陶瓷,磁导率为1,电导率为0;样品磁导率为2000,电导率为1000S/m。在外加磁场相位分别为0°,30°,60°和90°时,环状样品截面上不同位置的磁感应强度随着外加磁场相位发生变化,因此除了上述提到的磁损耗外,在压制过程中磁性颗粒在随磁场方向变化而互相摩擦也会造成额外的能量损耗。从图4中可以看出,磁性复合材料压制成的磁环,在这个模具中有磁场分布,说明整个磁环都会因为涡流损耗而均匀发热。其中,图4(a)为在交变磁场相位为0°时,环状样品截面上的磁感应强度分布;图4(b)为在交变磁场相位为30°时,环状样品截面上的磁感应强度分布;图4(c)为在交变磁场相位为60°时,环状样品截面上的磁感应强度分布;图4(d)为在交变磁场相位为90°时,环状样品截面上的磁感应强度分布。
本实施例还提供一种磁性复合材料热压成型固化方法,包括以下步骤:
采用模具对磁性复合材料进行压制成型,并将模具放入交变磁场中;
通过交变磁场对压制成型过程中的所述磁性复合材料进行加热固化;
其中,所述交变磁场通过加热线圈的交变电流产生,所述加热线围绕在所述模具的外部,所述模具采用非磁性、非金属材料制成。
进一步作为可选的实施方式,所述磁性复合材料在交变磁场作用下被磁化,并产生磁损耗,以使所述磁性复合材料内部产生热量;
所述磁损耗包括磁滞损耗Ph、涡流损耗Pe、剩余损耗Pr
进一步作为可选的实施方式,所述磁损耗的表达式为:
Ps=Ph+Pe+Pr=KHB3f+KEB2f2/ρ+Pr
其中,B为磁感应强度;f为频率;ρ为电阻率;KH和KE分别为磁滞损耗系数和涡流损耗系数;
通过调整所述加热线圈中交变电流的强度和频率,以调整所述磁性复合材料的升温速度。
本实施例一种磁性复合材料热压成型固化方法与上述的一种磁性复合材料热压成型固化系统具有对应的关系,因此具备相应的功能及有益效果。
在本说明书的上述描述中,参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式,本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明,但本发明并不限于上述实施例,熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换,这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种磁性复合材料热压成型固化系统,其特征在于,包括:
模具,用于对磁性复合材料进行压制成型,所述模具采用非磁性、非金属材料制成;
加热线圈,围绕在所述模具的外部;
通过控制加热线圈的交变电流,以产生交变磁场,从而对压制成型过程中的所述磁性复合材料进行加热固化。
2.根据权利要求1所述的一种磁性复合材料热压成型固化系统,其特征在于,所述磁性复合材料在交变磁场作用下被磁化,并产生磁损耗,以使所述磁性复合材料内部产生热量;所述磁损耗包括磁滞损耗Ph、涡流损耗Pe、剩余损耗Pr
3.根据权利要求2所述的一种磁性复合材料热压成型固化系统,其特征在于,所述磁损耗的表达式为:
Ps=Ph+Pe+Pr=KHB3f+KEB2f2/ρ+Pr
其中,B为磁感应强度;f为频率;ρ为电阻率;KH和KE分别为磁滞损耗系数和涡流损耗系数;
通过调整所述加热线圈中交变电流的强度和频率,以调整所述磁性复合材料的升温速度。
4.根据权利要求1所述的一种磁性复合材料热压成型固化系统,其特征在于,所述一种磁性复合材料热压成型固化系统还包括测温装置,用于测量所述磁性复合材料的温度值,所述温度值作为反馈参数用于调节所述交变电流的参数。
5.根据权利要求1所述的一种磁性复合材料热压成型固化系统,其特征在于,所述测温装置为接触式测温装置或非接触式测温装置。
6.根据权利要求1所述的一种磁性复合材料热压成型固化系统,其特征在于,所述模具采用陶瓷材料或塑料材料制成。
7.根据权利要求1所述的一种磁性复合材料热压成型固化系统,其特征在于,所述磁性复合材料包括磁性粉末和粉末表面包覆材料;
所述磁性粉末为软磁粉末或永磁粉末;
所述粉末表面包覆材料为无机材料、有机材料或者无机材料和有机材料的复合材料;
所述无机材料为氧化物、磷酸盐、硫酸盐或铁氧体;所述有机材料为热塑性树脂、热固性树脂或偶联剂。
8.一种磁性复合材料热压成型固化方法,其特征在于,包括以下步骤:
采用模具对磁性复合材料进行压制成型,并将模具放入交变磁场中;
通过交变磁场对压制成型过程中的所述磁性复合材料进行加热固化;
其中,所述交变磁场通过加热线圈的交变电流产生,所述加热线围绕在所述模具的外部,所述模具采用非磁性、非金属材料制成。
9.根据权利要求8所述的一种磁性复合材料热压成型固化方法,其特征在于,所述磁性复合材料在交变磁场作用下被磁化,并产生磁损耗,以使所述磁性复合材料内部产生热量;所述磁损耗包括磁滞损耗Ph、涡流损耗Pe、剩余损耗Pr
10.根据权利要求9所述的一种磁性复合材料热压成型固化方法,其特征在于,所述磁损耗的表达式为:
Ps=Ph+Pe+Pr=KHB3f+KEB2f2/ρ+Pr
其中,B为磁感应强度;f为频率;ρ为电阻率;KH和KE分别为磁滞损耗系数和涡流损耗系数;
通过调整所述加热线圈中交变电流的强度和频率,以调整所述磁性复合材料的升温速度。
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