CN114536617B - 一种改善碳纤维复合材料微波固化加热均匀性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善碳纤维复合材料微波固化加热均匀性的方法，属于碳纤维复合材料固化技术领域；通过调控复合材料表面各区域向周围空气散热的热扩散速率，使得复合材料在微波加热过程中的“热点”区域和“冷点”区域的升温速率一致，达到固化加热均匀的效果；本发明从传热原理着手，通过调整微波加热碳纤维复合材料过程中“热点”区域与“冷点”区域向周围空气散热的热扩散速率，改善物料表面温度分布的均匀性，能有效改善微波加热过程中因电磁场强度分布不均匀造成的温度分布不均匀现象；本发明的方法不拘泥于微波加热设备形式，具有较强的适应性，有效提高了微波加热技术在高性能树脂基复合材料固化中的可行性和稳定性。

Description

一种改善碳纤维复合材料微波固化加热均匀性的方法

技术领域

本发明属于碳纤维复合材料固化技术领域，具体涉及一种改善碳纤维复合材料微波固化加热均匀性的方法。

背景技术

热压罐固化是目前用于固化成型碳纤维增强树脂基复合材料最常用的工艺，该工艺通过高压热空气在腔体内的循环将碳纤维预浸料加压、加热以完成固化成型。然而由于热压罐属于高压力容器，其结构复杂，制造成本高，且热压罐固化工艺流程长、能耗高，导致碳纤维增强树脂基复合材料的固化成本居高不下。针对上述局限性，国内外的诸多学者提出使用微波加热的方法固化碳纤维增强树脂基复合材料，虽然该方法可以降低能耗、缩短流程，但是存在加热不均匀的缺点，至今未能成功应用到工业生产中。

微波加热通常在密闭的金属谐振腔中进行，腔体内入射的微波与反射的微波叠加形成驻波，造成加热过程中被加热物质在波腹和波节位置对应产生温度的“热点”和“冷点”，导致宏观上体现出加热不均匀的特征。然而碳纤维增强树脂基复合材料的热固化成型对零件上各区域温度分布均匀性的要求很高，一旦出现较大的温差，不仅会导致部件翘曲变形，还会降低成品的力学性能。

为了解决微波加热树脂基复合材料温度分布不均匀的问题，国内外的研究人员开发了很多装备和技术。例如，中国专利申请CN200480018940提供一种正六边形的多模谐振腔微波设备，该设备配备多个狭缝式的微波馈口，用于提高腔体内微波场分布的均匀性。中国专利申请CN201710228622提供一种正七边形腔体的微波设备，且在腔体内部设计了带孔隔离边界，提高物料放置区域的电磁场分布均匀性。中国专利申请CN201310480686提供一种正八边形多模谐振腔设计来实现装置内电磁场的均匀分布，并采用自动阻抗匹配系统减少反射波对微波源的干扰。中国专利申请CN201811512612同样提供一种正多边形截面的棱柱形微波固化装置，采用裂缝式天线发射微波，并配备振动台对被加热物体提供高频振动。中国专利申请CN201610126499则提供一种面向复合材料微波固化的微波天线阵，通过同时辐射多束微波进入腔体，使得腔体内的电磁场分布更均匀。上述专利主要从改善谐振腔内电磁场分布的角度来优化复合材料微波固化过程中的加热均匀性，虽然电磁场分布均匀性对微波加热过程中的温度分布均匀性有决定性影响，但是电磁波在传输过程中所具有的波动性是其本征特性，通过优化腔体和馈口的设计很难在有限的微波腔体内获得理想的电磁场分布均匀性。

微波加热不仅包含电磁场能量在被加热物质中耗散的“生热”过程，当耗散的电磁场能量转化为物质的热量后，还会自发地进行“传热”过程，即热量在物质内部及周围环境中进行热传导、热对流、热辐射。针对微波加热固化碳纤维复合材料存在加热不均匀的问题，目前已有的研究主要通过优化腔体和馈口的设计改善微波腔内电磁场分布的均匀性，尚未发现从传热的角度着手解决加热不均匀的问题的相关报道。

发明内容

本发明针对现有技术存在的微波加热碳纤维复合材料过程中存在的由于微波腔内电磁场强度分布不均匀导致的加热不均匀的问题，提出一种改善碳纤维复合材料微波固化加热均匀性的方法，通过研究碳纤维复合材料在微波加热过程中向周围环境的“传热”过程，针对性地调控碳纤维复合材料表面“热点”和“冷点”向周围空气散热的热扩散速率，开发出一种特殊的微波加热固化方法，解决微波不均匀加热的难题。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明提供了一种改善碳纤维复合材料微波固化加热均匀性的方法，通过调控复合材料表面各区域向周围空气散热的热扩散速率，使得复合材料在微波加热过程中的“热点”区域和“冷点”区域的升温速率一致，达到固化加热均匀的效果。

进一步地，所述微波加热的频率为915MHz或2.45GHz的连续功率或脉冲功率中的任意一种或其组合形式。

进一步地，所述碳纤维复合材料为碳纤维增强树脂基复合材料。

进一步地，所述碳纤维增强树脂基复合材料中采用的树脂包括酚醛树脂、环氧树脂、双马来亚酰胺树脂或其改性树脂。

进一步地，所述方法具体包括以下步骤：采用不同厚度的透波保温材料包裹碳纤维复合材料及模具的不同区域，其中在“冷点”区域包裹较厚的保温材料，在“热点”区域包裹较薄的保温材料或者不包裹保温材料，使得各区域升温速率一致。

进一步地，所述透波保温材料包括保温石棉布、微晶玻璃、氧化铝保温砖或硅酸铝保温砖中的一种或多种；所述透波保温材料的厚度为0～50mm。

进一步地，所述方法具体包括以下步骤：采用透波保温材料将碳纤维复合材料和模具完全包裹，然后在“热点”区域对应的模具和透波保温材料之间放置透波散热材料，从而增大透波保温材料与模具之间的空隙，提高“热点”区域经过模具向空气散热的热扩散速率，使得各区域升温速率一致。

进一步地，所述透波保温材料为厚度为30～50mm的保温石棉布；所述透波散热材料包括聚四氟乙烯、石英或刚玉。

进一步地，所述透波散热材料为圆柱形。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明从传热原理着手，通过调整微波加热碳纤维复合材料过程中“热点”区域与“冷点”区域向周围空气散热的热扩散速率，改善物料表面温度分布的均匀性，能有效改善微波加热过程中因电磁场强度分布不均匀造成的温度分布不均匀现象；本发明的方法不拘泥于微波加热设备形式，具有较强的适应性，有效提高了微波加热技术在高性能树脂基复合材料固化中的可行性和稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1的热扩散速率调控方式示意图，其中：1、模具；2、碳纤维预浸料层合板；3、真空袋；4、光纤测温探针；5、真空管；6、保温石棉布；7、密封胶带；

图2是实施例1的升温曲线及微波功率变化图；

图3是实施例5的热扩散速率调控方式示意图；其中：1、模具；2、碳纤维预浸料层合板；3、真空袋；4、光纤测温探针；5、真空管；6、保温石棉布；7、密封胶带；8、聚四氟乙烯圆管。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。

另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

本发明提供两种不同的技术方案调控碳纤维复合材料微波固化加热的均匀性，方案一为：采用不同厚度的透波保温材料包裹碳纤维复合材料及模具的不同区域，其中在“冷点”区域包裹较厚的保温材料，在“热点”区域包裹较薄的保温材料或者不包裹保温材料，使得各区域升温速率一致；方案二为：采用透波保温材料将碳纤维复合材料和模具完全包裹，然后在“热点”区域对应的模具和透波保温材料之间放置透波散热材料，提高“热点”区域经过模具向空气散热的热扩散速率，使得各区域升温速率一致。以下实施例中，分别对上述两种方案进行具体说明。

实施例1

本实施例采用单向T300碳纤维/环氧树脂预浸料铺叠成的单向预浸料层合板([0°]₁₀，尺寸300mm×300mm)作为加热对象。如图1所示，将铺设好的碳纤维预浸料层合板2放置在钢化玻璃平板模具1上，使用真空袋3封装并经真空管5抽真空(真空度为-0.092MPa)；在真空袋3的外表面布置光纤测温探针4，最后使用30mm厚的保温石棉布6将模具1上下两面紧密包裹，且保温石棉布6的边缘至少大于层合板边缘50mm，以密封胶带7进行密封。大量试验结果表明，使用该方法固化预浸料层合板时，层合板的中心区域是微波加热过程中的“热点”区域。选用方案一对覆盖在钢化玻璃模具下表面的保温石棉布进行处理，将碳纤维层合板中心区域对应的石棉布裁剪出内径为40mm的圆孔，使该区域对应的部分模具直接暴露在空气当中。由于该区域没有保温石棉布覆盖，所以该区域向空气散热的表观热扩散速率相比其他区域更快，从而抑制该区域的快速升温；同时“冷点”区域由保温石棉布紧密包裹，向周围空气散热的表观热扩散速率远低于中心的“热点”区域，从而保证“冷点”区域能持续升温。采用上述方法调控“热点”和“冷点”区域的表观升温速率，可以有效减小微波加热过程中层合板表面各区域之间的温差。

完成保温材料的布置后，将模具放入微波腔内，并使物料在整个加热过程中保持往复直线运动和往复旋转运动。升温阶段采用2.45GHz的连续微波加热，保温阶段采用2.45GHz的脉冲微波加热，并实时调控微波输出功率。加热过程中的层合板上各点温度和微波输出总功率的变化趋势如图2所示，可以看出整个微波加热固化过程中层合板上的最大温差出现在第一个保温阶段，为10.3℃；当加热过程进入第二阶段之后，各区域的温差进一步缩小，最大温差出现在第二个保温阶段，仅为5.8℃。最终获得的层合板光滑平整，无翘曲。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：采用单向T300碳纤维/酚醛树脂预浸料铺叠成的单向预浸料层合板([0°]₁₀，尺寸300mm×300mm)作为加热对象。使用真空袋将层合板封装在平板模具上之后，在模具的上下两侧都放置厚度为40mm的微晶玻璃，并保证微晶玻璃的边缘至少大于层合板边缘50mm。为了增大位于碳纤维层合板正中心“热点”区域向空气散热的热扩散速率，选用方案一对覆盖在钢化玻璃模具下表面的微晶玻璃板进行处理，采取的方式为将层合板中心区域对应的微晶玻璃板加工出内径40mm的圆孔，不对该区域的模具进行保温。升温阶段采用915MHz的连续微波加热，保温阶段采用915MHz的脉冲微波加热，并实时调控微波输出功率。其余工艺方法与实施例1相同。整个固化过程中物料各区域的温差控制在13.5℃以内。最终获得的层合板光滑平整，无翘曲。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：采用单向T300碳纤维/酚醛树脂预浸料铺叠成的单向预浸料层合板([0°]₁₀，尺寸300mm×300mm)作为加热对象。使用真空袋将层合板封装在平板模具上之后，在模具的上下两侧都放置厚度为50mm的氧化铝保温砖，并保证氧化铝保温砖的边缘至少大于层合板边缘50mm。为了增大位于碳纤维层合板正中心“热点”区域向空气散热的热扩散速率，选用方案一对覆盖在钢化玻璃模具下表面的保温砖进行处理，采取的方式为将层合板中心区域对应的保温砖加工出内径40mm的圆孔，不对该区域的模具进行保温。升温阶段采用915MHz的连续微波加热，保温阶段采用915MHz的脉冲微波加热，并实时调控微波输出功率。其余工艺方法与实施例1相同。整个固化过程中物料各区域的温差控制在12.6℃以内。最终获得的层合板光滑平整，无翘曲。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于：采用单向T300碳纤维/双马来亚酰胺树脂预浸料铺叠成的单向预浸料层合板([0°]₁₀，尺寸300mm×300mm)作为加热对象。使用真空袋将层合板封装在平板模具上之后，在模具的上下两侧都放置厚度为50mm的硅酸铝保温砖。为了增大位于碳纤维层合板正中心“热点”区域向空气散热的热扩散速率，选用方案一对覆盖在钢化玻璃模具下表面的保温砖进行处理，采取的方式为将层合板中心区域对应的保温砖裁剪出内径50mm的圆孔，不对该区域的模具进行保温。其余工艺方法与实施例1相同。整个固化过程中物料各区域的温差控制在15.7℃以内。最终获得的层合板光滑平整，无翘曲。

实施例5

本实施例与实施例1的区别在于：采用方案二调控复合材料表面的热扩散速率：如图3所示，在钢化玻璃模具1未铺设复合材料的一面，对应正方形碳纤维预浸料层合板2正中心的位置粘贴内径50mm、高40mm的聚四氟乙烯圆管8(壁厚2mm)，然后在模具1的上下表面都铺设30mm厚的保温石棉布6，将层合板2、模具1以及聚四氟乙烯圆管8都紧密包裹，并保证保温石棉布6的边缘至少大于层合板2边缘50mm。升温阶段采用915MHz的连续微波加热，保温阶段采用915MHz的脉冲微波加热，并实时调控微波输出功率。其余工艺方法与实施例1相同。整个固化过程中物料各区域的温差控制14.4℃以内。最终获得的层合板光滑平整，无翘曲。

实施例6

本实施例与实施例1的区别在于：采用方案二调控复合材料表面的热扩散速率：采用单向T300碳纤维/酚醛树脂预浸料铺叠成的单向预浸料层合板([0°]₁₀，尺寸300mm×300mm)作为加热对象。在钢化玻璃模具未铺设复合材料的一面，对应正方形层合板正中心的位置粘贴直径45mm、高度45mm的圆柱状石英块，然后在模具的上下表面都铺设40mm厚的保温石棉布，将层合板、模具以及石英块都紧密包裹。其余工艺方法与实施例1相同。整个固化过程中物料各区域的温差控制在16.8℃以内。最终获得的层合板光滑平整，无翘曲。

实施例7

本实施例与实施例1的区别在于：采用方案二调控复合材料表面的热扩散速率：采用单向T300碳纤维/双马来亚酰胺树脂预浸料铺叠成的单向预浸料层合板([0°]₁₀，尺寸300mm×300mm)作为加热对象。在钢化玻璃模具未铺设复合材料的一面，对应正方形层合板正中心的位置粘贴内径60mm、高度50mm的圆柱形刚玉管(壁厚2mm)，然后在模具的上下表面都铺设50mm厚的保温石棉布，将层合板、模具以及刚玉管都紧密包裹。升温阶段采用915MHz的连续微波加热，保温阶段采用915MHz的脉冲微波加热，并实时调控微波输出功率。其余工艺方法与实施例1相同。整个固化过程中物料各区域的温差控制在15.3℃以内。最终获得的层合板光滑平整，无翘曲。

对比例1

本对比例与实施例1的区别在于：使用厚度为30mm的保温石棉布将碳纤维预浸料层合板及模具紧密包裹，且保证石棉布的边缘至少大于层合板边缘50mm，对保温石棉布不进行裁剪处理。其余工艺方法与实施例1相同。在整个加热固化过程中，虽然升温阶段的温差在19.6℃以内，但是随着保温过程的进行，由于中心区域不仅属于微波加热的“热点”，而且中心区域向周围环境的热扩散速率比四周边缘更低，导致保温阶段中心区域的温度稳定维持在155℃，而四周边缘的温度不断下降，随着保温过程的进行，温差逐渐增大至30.3℃，导致最终获得的成品存在轻微翘曲。

对比例2

本对比例与实施例3的区别在于：使用厚度为50mm的氧化铝保温砖将碳纤维预浸料层合板及模具紧密包裹，且保证氧化铝保温砖的边缘至少大于层合板边缘50mm，对保温砖不进行加工，不形成圆孔。其余工艺方法与实施例3相同。在整个加热固化过程中，升温阶段的温差在21.4℃以内，而保温阶段的最大温差增加至28.4℃。最终获得的成品存在轻微翘曲。

对比例3

本对比例同实施例5的区别在于：不使用聚四氟乙烯圆管，在模具的上下表面都铺设30mm厚的保温石棉布，将层合板及模具都紧密包裹，并保证保温石棉布的边缘至少大于层合板边缘50mm。其余工艺方法与实施例5相同。在整个加热固化过程中，升温阶段的温差在18.1℃以内，而保温阶段的最大温差增加至31.2℃。最终获得的成品存在轻微翘曲。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种改善碳纤维复合材料微波固化加热均匀性的方法，其特征在于，通过调控复合材料表面各区域向周围空气散热的热扩散速率，使得复合材料在微波加热过程中的“热点”区域和“冷点”区域的升温速率一致；

所述方法具体包括以下步骤：采用不同厚度的透波保温材料包裹碳纤维复合材料及模具的不同区域，其中在“冷点”区域包裹保温材料，在“热点”区域不包裹保温材料，使得各区域升温速率一致；

微波加热通常在密闭的金属谐振腔中进行，腔体内入射的微波与反射的微波叠加形成驻波，造成加热过程中被加热物质在波腹和波节位置对应产生温度的“热点”和“冷点”；

采用所述透波保温材料将所述碳纤维复合材料和模具完全包裹，然后在“热点”区域对应的模具和透波保温材料之间放置透波散热材料，提高“热点”区域经过模具向空气散热的热扩散速率，使得各区域升温速率一致。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微波加热的频率为915MHz或2.45GHz的连续功率或脉冲功率中的任意一种或其组合形式。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳纤维复合材料为碳纤维增强树脂基复合材料。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述碳纤维增强树脂基复合材料中采用的树脂包括酚醛树脂、环氧树脂、双马来亚酰胺树脂或其改性树脂。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述透波保温材料包括保温石棉布、微晶玻璃、氧化铝保温砖或硅酸铝保温砖中的一种或多种；所述透波保温材料的厚度为0～50mm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述透波保温材料为厚度为30～50mm的保温石棉布；所述透波散热材料包括聚四氟乙烯、石英或刚玉。

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