CN114126107A - 一种可分区加热的层合结构及成型模具 - Google Patents

一种可分区加热的层合结构及成型模具 Download PDF

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Abstract

一种可分区自电阻加热的层合结构，其特征在于层合结构中具有若干单向导电的单层材料，沿着全部或部分所述单层材料导电方向的两端边缘，放置若干间隔开的独立电极，使电极与所述单层材料紧贴接触，若任意两层所述放置有电极的单层材料导电方向之间存在大于0°的夹角且层间可相互导通时，则在所述放置有电极的各单层材料上和下分别设置电绝缘层，最终形成可分区加热的层合结构。本发明提出的可分区自电阻加热的层合结构具有区内温度分布均匀，区间温度精确控制等优势，可广泛用于热成型模具、热功能构件等场景。

Description

一种可分区加热的层合结构及成型模具
技术领域
本发明涉及一种材料加热技术，尤其是一种材料内部自加热技术，具体地说是一种可分区加热材料的层合结构及成型模具。
背景技术
材料自加热技术在人类工业生产中的能源、制造、交通等领域大量应用，其中。截止目前，专利CN106738523B、CN203327260U、CN201420576289.7、CN102625497A、CN206728324U、CN107435617A、CN212289036U、CN113199828A等专利都提出了利用碳纤维等自身具有导电性的材料的自电阻加热的方法或装置。但上述专利目前未涉及如何实现自电阻分区、多区加热的材料、方法或装置。
CN108081518A、CN107662303A、CN202916554U、CN102540532B、CN101467484A提出在碳纤维复合材料或金属板材材料周围施加多对电极的方法，尝试通过分区输入电能实现材料的分区自电阻加热。但上述材料是电各向同性或准各向同性材料，当独立的窄电极输入电能时，由于横向的电压差，电流不仅会在相对的两个电极间区域流通，还会横向传播乃至在整个面内扩散，从而造成大量的电能在窄电极处聚集，导致电极附近材料过热，无法实现各区内均匀的温度分布。
发明内容
本发明的目的是针对现有多电极分区自电阻加热方法能量扩散的问题，提出一种可使区内温度均匀、各区温度独立调控的可分区加热材料的层合结构及成型模具，实现材料自电阻加热过程中对不同区域温度的精确控制。
本发明的技术方案之一为：
一种可分区自电阻加热的层合结构，其特征在于，层合结构中具有若干单向导电的单层材料1，3，沿着全部或部分所述单层材料1，3导电方向的两端边缘，放置若干间隔开的独立电极5，使独立电极5与所述单层材料1，3紧贴接触，若任意两层所述单层材料1，3导电方向之间存在大于0°的夹角且层间可相互导通时，则在所述放置有电极的各单层材料1，3上和下分别设置电绝缘层2，4，最终形成可分区加热的层合结构。
所述单向导电的单层材料的导电方向的电导率是其他任意方向电导率的102倍以上，可以是单向碳纤维复合材料，也可以是取向碳纳米管膜，也可以是各向异性导电胶等,所述的绝缘层电导率在101S/m以下，可以是玻纤复合材料，聚酰亚胺等。
所述的电极可以是金属薄片，也可以是导电高分子材料，也可以是所述单层材料自身，电极与外部的传导线缆连接为材料馈入电能，所述电极与材料紧贴的截面处可采用导电胶、焊接介质连接。
本发明的技术方案之二为：
一种可分区自阻加热的复合材料层合结构成型模具，其特征在于所述模具具有所述的可分区自电阻加热的层合结构，层合结构中具有若干单向导电的单层材料，沿着全部或部分所述单层材料导电方向的两端边缘，放置若干间隔开的独立电极，使电极与所述单层材料紧贴接触，若任意两层所述放置有电极的单层材料导电方向之间存在大于0°的夹角且层间可相互导通时，则在所述放置有电极的各单层材料上和下分别设置电绝缘层，调整所述模具层合结构中的各加热层、电绝缘层的铺叠方向，使层合后的模具面内热膨胀系数与其加热成型零件的热膨胀系数匹配。
本发明的有益效果是：
本发明公开的一种可分区自电阻加热的层合结构，突破了原有各向同性材料分区自电阻加热过程中的电扩散问题，使得材料各区内温度场均匀分布，且可独立控制，实现精确的分区自电阻加热温度场控制。 .
本发明公开一种可实现区内温度分布均匀，区间温度精确控制的可分区自电阻加热的层合结构。本发明利用材料的自身的电各向异性，即仅在某一个方向上具有较强的导电特性，辅以导电材料层间的绝缘增强层，可实现窄电极输入能量时，电流不发生横向扩散，仅在两个相对电极间流通，且相邻电极片在独立控制时，极间的电压差不会导致电流横向扩散，最终形成区内均匀分布的焦耳热场，同时区间的温度可独立控制。
附图说明
图1是本发明实施例的层合结构示意图。
具体实施方式
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不规则外形导电构件电损耗加热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。
如图1所示。
一种可分区自电阻加热的层合结构，其关键点是在层合结构中设置具有若干单向导电的单层材料1、3，沿着全部或部分所述单层材料1、3导电方向的两端边缘，放置若干间隔开的独立电极5，使电极5与所述单层材料1、3紧贴接触，若任意两层所述放置有电极的单层材料1、3导电方向之间存在大于0°的夹角且层间可相互导通时，则在所述放置有电极5的各单层材料1、3上和下分别设置电绝缘层2、4，最终形成可分区加热的层合结构。本发明提出的可分区自电阻加热的层合结构具有区内温度分布均匀，区间温度精确控制等优势，可广泛用于热成型模具、热功能构件等场景。
实例：
本实施例是典型制造领域中不规则外形零件热成型模具的可分区自电阻加热的层合结构电损耗加热调控过程。所述的热成型模具使用碳纤维增强双马来酰亚胺树脂基复合材料作为电损耗产生焦耳热的单向导电的单层材料。其单层材料1、3的几何外形根据实际航空蒙皮类不规则构件外形进行裁切。铺层形式为[0°/45°/90°/-45°]s，构件单层预浸料长宽尺寸为600mm×200mm。其中90度方向的单层电各向异性导电材料作为发热材料，单层导电材料两端放置11对间隔开的独立电极5，11对独立电极的长度，根据分区发热区域长度的设计计算，分别为8.27mm, 16.35mm, 84.76mm, 95.16mm, 265.21mm,16.91mm,18.54mm, 19.97mm, 21.21mm, 22.2mm, 23.04mm，宽度均为20mm。电极薄片末端有快速拆装线缆接头；各个电极薄片与导电材料接触部分为10mm，电极5与导电材料连接完成后整个导电结构在厚度方向按铺层顺序摆放，共有2层0°方向单向碳纤维复合材料，2层45°方向单向玻璃纤维复合材料，2层90°方向单向碳纤维复合材料，2层-45°方向单向玻璃纤维复合材料。11对独立电极构成11个独立受控电阻加热区域，将11个独立受控电阻加热区域对应接入外部独立控制器，独立控制器可对外部电源电压、电流、占空比、频率参数与进行调整，电源可输出有效值0-50V、0-200A、0Hz-1MHz的调整范围。在分区自电阻加热复合材料成型模具的模具背板，按照每个区域的中心位置，安装独立的
分区自电阻加热复合材料成型模具加热空间的正上方，安装红外热成像仪，分区自电阻加热复合材料成型模具的模具背板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，各支路按照统一的初始补偿电容电感与电源电压、电流与频率使材料产生电损耗；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℃，温度传感器检测到温度变化，从而调整电源参数，对有功功率与无功功率的分配进行调整。与此同时，每组受控支路中的可调电感、电容也进行相应的参数调整，与电源电参数一同调控各个受控支路的有功功率与无功功率分配。降低A点所在支路电极对控制回路的电损耗有功功率，使得A点的温度下降，当温度差返回到3℃以下，调控停止，各条回路恢复初始值；11个独立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，以维持模具整个面内的温度跟随误差在3℃以内。
上述实例最终以面内和层间温差3℃完成了整个典型航空蒙皮构件分区自电阻加热模具的加热过程，实现了分区自电阻加热模具加热的区内均匀加热，分区独立温度控制的目标。
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 (4)

1.一种可分区自电阻加热的层合结构，其特征在于，层合结构中具有若干单向导电的单层材料（1，3），沿着全部或部分所述单层材料（1，3）导电方向的两端边缘，放置若干间隔开的独立电极（5），使独立电极（5）与所述单层材料（3）紧贴接触，若任意两层所述单层材料（1，3）导电方向之间存在大于0°的夹角且层间可相互导通时，则在所述放置有电极的各单层材料（1，3）上和下分别设置电绝缘层（2，4），最终形成可分区加热的层合结构。
2.根据权利要求1所述的层合结构，其特征在于，所述单向导电的单层材料的导电方向的电导率是其他任意方向电导率的102倍以上，可以是单向碳纤维复合材料，也可以是取向碳纳米管膜，也可以是各向异性导电胶，所述的绝缘层电导率在101S/m以下，材料为玻纤复合材料或聚酰亚胺。
3.根据权利要求1所述的层合结构，其特征在于，所述的电极是金属薄片、导电高分子材料或所述单层材料自身、电极与外部的传导线缆连接为材料馈入电能，所述电极与材料紧贴的截面处采用导电胶或焊接介质连接。
4.一种可分区自阻加热的复合材料层合结构成型模具，其特征在于，所述模具具有权力要求1所述的可分区自电阻加热的层合结构，层合结构中具有若干单向导电的单层材料，沿着全部或部分所述单层材料导电方向的两端边缘，放置若干间隔开的独立电极，使电极与所述单层材料紧贴接触，若任意两层所述放置有电极的单层材料导电方向之间存在大于0°的夹角且层间可相互导通时，则在所述放置有电极的各单层材料上和下分别设置电绝缘层，调整所述模具层合结构中的各加热层、电绝缘层的铺叠方向，使层合后的模具面内热膨胀系数与其加热成型零件的热膨胀系数匹配。
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