CN115091785A - 一种高效固化大尺寸碳纤维预浸料的方法和固化成型设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效固化大尺寸碳纤维预浸料的方法和固化成型设备，涉及固化碳纤维预浸料技术领域。本发明高效固化大尺寸碳纤维预浸料的方法如下：将碳纤维预浸料放置在固化装置中，对碳纤维预浸料进行压缩；将碳纤维预浸料置于密闭条件下和氮气气氛下，采用阵列微波发生器对碳纤维预浸料的上方和下方进行预热，预热过程中阵列微波发生器的总功率为300～500W，将温度升至80～100℃，保留时间为5～10min；对预热后的碳纤维预浸料进行微波固化，阵列微波发生器的总功率为600～1000W，固化的温度为120～180℃，保留时间为40～60min，得到固化成型的碳纤维毡。本发明的方法能够有效提高固化效果和弱化了电弧现象，解决现有采用微波加热技术固化碳纤维预浸料成品率低和容易损坏设备的问题。
Description
技术领域
本发明涉及固化碳纤维预浸料技术领域，尤其涉及一种高效固化大尺寸碳纤维预浸料的方法和固化成型设备。
背景技术
在碳纤维保温毡的工业生产中，浸入树脂后的碳纤维经过固化成型工艺，之后再进入真空高温炉中进行高温处理工艺，经过机械加工得到最终的产品。其中，将树脂通过喷淋、刷涂和浸泡等方式浸入碳纤维毡得到碳纤维预浸料，将碳纤维预浸料固定于模具上，再加热进行固化。
传统工业化生产中，固化方法有两种，第一种方法为放入大型热风鼓风烘箱，设定90～250℃温度后，经过20～30h完成固化，此种方法适用于目前所有尺寸的碳纤维保温毡制作，这种固化方法在制作平板保温毡时须人工完成每块毡的尺寸固定。第二种方法为放入热压机，计算得到所需固化的尺寸，调整压板之间的间隔，让压板间隔达到所需要的距离后，设定温度为90～250℃，经过10～20h完成固化，此种方法适用于硬质碳纤维保温平板的制作。以上两种固化方法均为热传导方式，采用热传导方式对碳纤维预浸料进行加热固化，随着碳纤维预浸料尺寸越大，中心温度越难以达到设定好的固化温度，为了使大尺寸碳纤维预浸料完全固化，需要耗费大量时间在固化过程中，同时也耗费大量的电力用于加热、保温过程，导致现有工艺的效率较低，随着产量的提升，现有设备难以满足生产需要。
由于传统工业化生产中，固化的效率较低，能耗高，且容易导致固化不均匀，逐渐被现有微波热压处理所取代。微波加热技术与传统加热固化方式不同，物体吸收微波后，内部偶极分子高频往复运动，产生“内摩擦热”而使被加热物料温度升高，不须传统的热传导过程，就能使物料内外部同时加热、同时升温，加热速度快且均匀。
目前，微波加热技术广泛应用于木制品，玻纤复合材料加热中，由于木材、玻璃纤维绝缘性好，微波适用于其加热，形成了高效、低能耗的生产技术，满足大批量快速生产的要求。然而，使用微波固化碳纤维预浸料的过程中，由于碳纤维能导电，而且有很强的吸收微波的效果，易产生高温，因电弧产生的高温不仅使得预浸料中的树脂变质无法有效固化，还会烧断碳纤维，导致固化失败，大大降低了成品率。此外，碳纤维预浸料表面存在大量突起的碳纤维，碳纤维吸收微波后，在纤维尖端发生电弧现象，电弧的产生，容易导致直接接触的物体被击穿，容易损坏设备。
发明内容
本发明的目的在于提出一种高效固化大尺寸碳纤维预浸料的方法，能够有效提高固化效果和弱化了电弧现象，解决现有采用微波加热技术固化碳纤维预浸料成品率低和容易损坏设备的问题。
本发明的另一目的在于提出一种固化成型设备，能够显著提高碳纤维预浸料的固化效率和降低能耗，解决了现有固化成型设备固化效率低和能耗高的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种高效固化大尺寸碳纤维预浸料的方法，包括以下步骤：
(1)将碳纤维预浸料放置在固化装置中，对碳纤维预浸料进行压缩；
(2)将碳纤维预浸料置于密闭条件下和氮气气氛下，采用阵列微波发生器均匀地对碳纤维预浸料的上方和下方进行预热，预热过程中阵列微波发生器的总功率为300～500W，将温度升至80～100℃，保留时间为5～10min；
(3)对预热后的碳纤维预浸料进行微波固化，阵列微波发生器的总功率为600～1000W，固化的温度为120～180℃，保留时间为40～60min，得到固化成型的碳纤维毡。
进一步的，在步骤(2)中，阵列微波发生器的微波源在距离碳纤维预浸料7cm～100cm处进行预热。
进一步的，在所述步骤(2)中，氮气的流量为200～1000m3/h。
一种使用上述的高效固化大尺寸碳纤维预浸料的方法的固化成型设备，包括固化装置和制氮装置，所述制氮装置的出气端和所述固化装置连通；
所述固化装置包括壁体、驱动机构、压板组件和阵列微波发生器，所述压板组件和所述驱动机构分别安装于所述壁体的内部，所述压板组件设有压缩腔，所述压缩腔用于容纳碳纤维预浸料，所述压板组件用于压缩碳纤维预浸料，所述驱动机构用于驱动所述压板组件压缩或释放碳纤维预浸料；
所述阵列微波发生器包括多个微波源，多个所述微波源分别阵列设置于所述压板组件的顶面和底面；
所述压板组件的原料的介电常数＜10，介电损耗＜0.01。
进一步的，所述压板组件由多个压板组成，多个压板分别为上压板、下压板和至少一个中间压板，所述上压板位于所述壁体的顶部、所述下压板位于所述壁体的底部，所述中间压板位于所述上压板和所述下压板之间，所述上压板下压板和所述中间压板分别间隔设置于所述壁体的内部，且所述下压板和所述中间压板分别可沿着所述壁体的内部上下移动，所述上压板、所述下压板和所述中间压板之间分别构成压缩腔，碳纤维预浸料放置于所述下压板或所述中间压板的表面；
所述驱动机构和所述下压板连接；
多个所述微波源分别阵列设置于所述上压板的顶面和所述下压板的底面。
进一步的，所述固化装置还包括导向机构，所述导向机构竖直设置于所述壁体的内部；所述导向机构的顶部安装于所述壁体的顶部，所述导向机构的底部安装于所述壁体的底部，所述导向机构用于对所述压板组件的上下移动进行导向。
进一步的，所述导向机构包括立柱和多个弹簧，立柱依次穿过所述上压板、中间压板和下压板，所述立柱的顶部安装于所述壁体的顶部，所述立柱的底部安装于所述壁体的底部；
多个所述弹簧分别套设于所述立柱的外部，且所述弹簧固定连接于相邻的两个所述压板之间。
进一步的，所述壁体包括门板，所述门板与所述壁体连接的一侧设有卡件，所述壁体与所述门板连接的一侧设有卡槽，所述卡件和卡槽相匹配，使所述门板可拆卸地安装于所述壁体的一侧；
所述门板设有进气口，所述制氮装置通过所述进气口和所述壁体的内部连通。
进一步的，所述制氮装置包括压缩过滤器、干燥塔、吸附塔、氮气罐、干燥塔控制系统和吸附塔控制系统，所述压缩过滤器、所述干燥塔、所述吸附塔和所述氮气罐依次连通，所述氮气罐的输出端和所述固化装置连通，所述干燥塔控制系统用于控制所述干燥塔，所述吸附塔控制系统用于控制吸附塔。
进一步的，所述压板的材料为石英、玻纤增强聚丙烯和聚四氟乙烯中的任意一种或多种的组合。
以上技术方案中的一个技术方案具有以下有益效果：
1、本技术方案固化碳纤维预浸料的方法中，通过微波源的排列设计，将多个微波源分别阵列设置于碳纤维预浸料的上方和下方，使施加的微波分布更均匀，减少了微波叠加区域，使微波不集中作用于较小区域，同时，步骤(2)中预热时，碳纤维预浸料上下方的微波源固化功率分别为150～250W，步骤(3)中固化时，碳纤维预浸料上下方的微波源固化功率分别为300～500W，降低了在预热和固化阶段微波的开启功率，使得碳纤维尖端放电的情况不再明显，避免在纤维尖端发生电弧现象，使得碳纤维外侧不再产生大面积高温，从而提升了微波固化的效果。
2、传统的碳纤维预浸料固化成型方法中，需要10～20h才能完成固化，需要耗费大量时间在固化过程中，同时也耗费大量的电力用于加热、保温过程，导致现有工艺的效率较低，本技术方案高效固化大尺寸碳纤维预浸料的方法，整个固化过程只需要1～2h，相对于大大幅度降低了固化时间，而且操作简单，能满足大批量大尺寸碳纤维预浸料的固化，同时具有很好的固化效果，实现高效固化大尺寸碳纤维预浸料的目的。
附图说明
图1是本发明一个实施例的固化成型设备中固化装置的结构示意图(拆卸门体后)；
图2是本发明一个实施例的固化成型设备中制氮装置的结构示意图图；
图3是图1所示固化装置中门板的结构示意图；
图4是图1所示固化装置中壁体和门板的截面图；
其中：固化装置1、壁体11、驱动机构12、压板组件13、阵列微波发生器14、导向机构15、固化装置控制系统16、门板111、卡槽112、上压板131、下压板132、中间压板133、微波源141、立柱151、弹簧152、卡件1111、进气口1112；
制氮装置2、压缩过滤器21、干燥塔22、吸附塔23、氮气罐24、干燥塔控制系统25、吸附塔控制系统26；
碳纤维预浸料3。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“横向”“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，除非另有说明，“多个”的含义是两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合图1至图4，描述本发明一种高效固化大尺寸碳纤维预浸料的方法的技术方案。
一种高效固化大尺寸碳纤维预浸料的方法，包括以下步骤：
(1)将碳纤维预浸料放置在固化装置1中，对碳纤维预浸料进行压缩；
(2)将碳纤维预浸料置于密闭条件下和氮气气氛下，采用阵列微波发生器14均匀地对碳纤维预浸料的上方和下方进行预热，预热过程中阵列微波发生器14的总功率为300～500W，将温度升至80～100℃，保留时间为5～10min；
(3)对预热后的碳纤维预浸料进行微波固化，阵列微波发生器14的总功率为600～1000W，固化的温度为120～180℃，保留时间为40～60min，得到固化成型的碳纤维毡。
值得说明的是，本技术方案固化碳纤维预浸料的方法中，采用阵列微波发生器14均匀地对碳纤维预浸料的上方和下方进行预热，通过微波源的排列设计，将多个微波源141分别阵列设置于碳纤维预浸料的上方和下方，使施加的微波分布更均匀，减少了微波叠加区域，使微波不集中作用于较小区域，同时，步骤(2)中预热时，碳纤维预浸料上下方的微波源固化功率分别为150～250W(总功率为300～500W)，步骤(3)中固化时，碳纤维预浸料上下方的微波源固化功率分别为300～500W(总功率为600～1000W)，降低了在预热和固化阶段微波的开启功率，使得碳纤维尖端放电的情况不再明显，避免在纤维尖端发生电弧现象，使得碳纤维外侧不再产生大面积高温，提升了微波固化的效果，从而解决了碳纤维导电后，因其具有很强的吸收微波的效果，而产生高温，导致固化失败的问题，大大提高了成品率，同时微弱了碳纤维尖端的放电现象，不会损害固化装置，此外，在固化过程中同时通入氮气置换内部的空气，使得碳纤维预浸料外侧的碳纤维及树脂不会被氧化，满足了大尺寸碳纤维预浸料固化所需要的效果。
进一步的说明，传统的碳纤维预浸料固化成型方法中，需要10～20h才能完成固化，需要耗费大量时间在固化过程中，同时也耗费大量的电力用于加热、保温过程，导致现有工艺的效率较低，而且随着产量的提升，难以满足生产需要。本技术方案高效固化大尺寸碳纤维预浸料的方法，整个固化过程只需要1～2h，相对于大大幅度降低了固化时间，而且操作简单，能满足大批量大尺寸碳纤维预浸料的固化，同时具有很好的固化效果，实现高效固化大尺寸碳纤维预浸料的目的。
具体的，步骤(2)中预热时，碳纤维预浸料上下方的微波源固化功率分别为150～250W(总功率为30051000W)，步骤(3)中固化时，碳纤维预浸料上下方的微波源固化功率分别为300～500W(总功率为600～1000W)，能够提升了微波固化的效果，降低了微波条件下次品的发生率，若微波源功率开太大，会使得碳纤维放电并产生高温，使得固化效果变差；若微波源开启的功率太小，使得固化温度无法达到要求。
具体的，步骤(2)中通过预热，可以让碳纤维预浸料中的溶剂物质挥发，再在120～180℃下进行固化，形成碳纤维毡。
具体来说，本技术方案中固化的温度为120～180℃，根据碳纤维预浸料中所使用树脂的种类，来确定固化的温度。
碳纤维预浸料是将树脂通过喷淋、刷涂和浸泡等方式浸入碳纤维毡得到，优选的，本技术方案中浸入碳纤维毡的树脂为环氧树脂、酚醛树脂、呋喃树脂中的一种或几种；同时，碳纤维毡为大丝束碳纤维编织而成，为聚丙烯腈基碳纤维、黏胶基碳纤维、沥青基碳纤维其中的一种或多种；碳纤维毡切割形状为，圆形、方形、圆环形、半圆形等形状；
值得说明的是，本技术方案中碳纤维预浸料尺寸为1m×1m以上的大尺寸，厚度在50mm～500mm之间，采用本技术方案的方法能够同时对多块碳纤维预浸料进行压缩。
进一步的说明，步骤(2)中，阵列微波发生器14的微波源141在距离碳纤维预浸料7cm～100cm处进行预热。
值得说明的是，在使用微波加热固化中，本技术方案增加了微波源与碳纤维预浸料的距离，使得微波辐射的范围更广，且避免微波集中作用于较小区域，使得碳纤维尖端放电的情况不再明显，也使得碳纤维外侧不再产生大面积高温，从而进一步提升固化的效果，且微弱的放电现象不会损害压机本身。
进一步的说明，在所述步骤(2)中，氮气的流量为200～1000m3/h。
本技术方案在固化前通入氮气置换设备内部的空气，使得碳纤维预浸料外侧的碳纤维及树脂不会被氧化，达到更好的固化效果，满足了大尺寸碳纤维预浸料固化所需要的效果，氮气的流量不宜过小，否则需要很长时间才能置固化成型设备内部的空气，同时固化过程中物质挥发需要气流带出，氮气的流量太小则难以将挥发的物质带出。
一种使用上述的高效固化大尺寸碳纤维预浸料的方法的固化成型设备，包括固化装置1和制氮装置2，所述制氮装置2的出气端和所述固化装置1连通；
所述固化装置1包括壁体11、驱动机构12、压板组件13和阵列微波发生器14，所述压板组件13和所述驱动机构12分别安装于所述壁体11的内部，所述压板组件13设有压缩腔，所述压缩腔用于容纳碳纤维预浸料，所述压板组件13用于压缩碳纤维预浸料，所述驱动机构12用于驱动所述压板组件13压缩或释放碳纤维预浸料；
所述阵列微波发生器14包括多个微波源141，多个所述微波源141分别阵列设置于所述压板组件13的顶面和底面；
所述压板组件13的原料的介电常数＜10，介电损耗＜0.01。
体来说，采用本技术方案的固化成型设备，对大尺寸碳纤维预浸料进行固化的方法的具体操作如下：
(1)将完全浸入树脂的大尺寸碳纤维预浸料，叠好所需的层数，放入压板组件13的压缩腔内，压板组件13可同时固化完成多块大尺寸碳纤维预浸料，由所需密度及尺寸，对碳纤维预浸料进行压缩；
(2)将所述制氮装置2的出气端和固化装置1连通后，关闭固化装置1，使得固化装置1的内壁处于解决密闭状态，通入氮气，将固化装置1内部的气体置换为氮气，在通气时间达到了2～5min后，打开压板组件13的顶面和底面内安装的微波源，将压板组件13的顶面和底面的微波源的功率分别设置为150W～250W(总功率为300～500W)，升温至80～100℃后，于90℃时进行保温操作，保温时间在5～10min；
(3)对预热后的碳纤维预浸料进行微波固化，将压板组件13的顶面和底面安装的微波源的功率分别设置为300～500W(总功率为600～1000W)，使温度升至120～180℃，在该温度下保温40～60min，得到固化成型的碳纤维毡。保温时间结束后，关闭所有微波源，关闭制氮装置2，关闭制氮装置2后，拔掉制氮装置2通入氮气的管道，打开固化装置1，取出固化好的碳纤维毡放入较封闭的容器中冷却。
值得指出的是，使用传统的热压机进行碳纤维预浸料的固化，一台热压机每月需要使用10000～20000度电，而且，目前工艺须2台热压机工作才能满足生产需要，采用本技术方案的固化成型设备，因微波加热的性质，微波加热功率小于等于1KW，就可以满足碳纤维预浸料的固化要求，功率大幅度降低，本方案的固化成型设备每月耗电量仅需要500～1000度电，耗电量仅为现有热压机的1/40～1/10，大幅度节省了能耗，从而大大降低了生产成本。同时，现有的热压机一般工作12h，可完成8块碳纤维预浸料的固化，由于本方案中固化成型设备的对碳纤维预浸料的固化只需要1～2h，同时一次可固化多块，因此，工作12h可以完成24～32块碳纤维预浸料的固化，有效提高了生产效率，大幅提升了生产力。同时，在保证大幅度提升生产效率的前提下，提升了微波固化的效果，降低了微波条件下次品的发生率。
进一步的说明，与其他微波固化碳纤维预浸料方法对比，采用本方案的固化成型设备进行固化，操作更简单，使用固化装置1进行压缩，则不再需要一个样品一个真空袋，同时也就不需要抽真空操作，不需要使用压力罐，固化装置已经形成了较密封的结构，仅需要通保护气体，并且能够满足直径大至2m大尺寸的预浸料固化，能满足大批量大尺寸碳纤维预浸料的固化，同时通过扩大设计，可满足直径为数米的碳纤维预浸料的固化。
进一步的说明，所述压板组件13由多个压板组成，多个压板分别为上压板131、下压板132和至少一个中间压板133，所述上压板131位于所述壁体1的顶部、所述下压板132位于所述壁体1的底部，所述中间压板133位于所述上压板131和所述下压板132之间，所述上压板131下压板132和所述中间压板133分别间隔设置于所述壁体1的内部，且所述下压板132和所述中间压板133分别可沿着所述壁体1的内部上下移动，所述上压板131、所述下压板132和所述中间压板133之间分别构成压缩腔，碳纤维预浸料放置于所述下压板132或所述中间压板133的表面；
所述驱动机构12和所述下压板132连接；
多个所述微波源141分别阵列设置于所述上压板131的顶面和所述下压板132的底面。
值得说明的是，在上压板131和下压板132之间增设中间压板133，能够使压板之间形成多个压缩腔，每个压缩腔能容纳至少一块碳纤维预浸料，使得本技术方案中的固化成型设备能同时对多块碳纤维预浸料进行压缩和固化，从而有效提高压缩和固化成型的效率。当中间压板133的数量为一块时，上压板131、下压板132和中间压板133之间可形成2个放置碳纤维预浸料的压缩腔，每个压缩腔可同时放置一块或多块大尺寸的碳纤维预浸料固化，此时，可同时对多块大尺寸的碳纤维预浸料进行固化，如每各压缩腔可同时放置两块大尺寸的碳纤维预浸料固化，此时，可同时对四块大尺寸的碳纤维预浸料进行固化。
优选的，本技术方案中，压板的尺寸设计为3.2m×2.2m×75mm，压板间隔距离为400-600mm，放置的碳纤维预浸料不能超出此尺寸，使得本方案的固化成型设备能够满足直径大至2m大尺寸的预浸料固化。压板尺寸不宜过大，过大易产生形变，同时压板的尺寸不宜过小，否则无法满足生产需求。
优选的，固化装置1还包括固化装置控制系统16，固化装置控制系统16用于控制所述固化装置1，可通过固化装置控制系统16设置参数调节相邻两个压板之间的距离(即碳纤维预浸料压缩后的高度)，同时固化装置1的内部设有红外热探头，可实时监测内部温度情况。
优选的，技术方案中驱动机构12为液压缸，通过液压缸驱动下压板132向上移动，下压板132向上移动带动中间压板133也向上移动，从而对位于相邻两个压板之间碳纤维预浸料进行压缩，一般来说，固化后产品的密度为0.12～0.18g/cm3，按固化后产品的密度为0.12～0.18g/cm3及所需尺寸，计算压缩高度，启动液压缸压缩至设置距离使其密度达到所需的密度。
进一步的说明，所述固化装置1还包括导向机构15，所述导向机构15竖直设置于所述壁体11的内部；所述导向机构15的顶部安装于所述壁体11的顶部，所述导向机构15的底部安装于所述壁体11的底部，所述导向机构15用于对所述压板组件13的上下移动进行导向。
进一步的说明，所述导向机构15包括立柱151和多个弹簧152，立柱151依次穿过所述上压板131、中间压板133和下压板132，所述立柱151的顶部安装于所述壁体11的顶部，所述立柱151的底部安装于所述壁体11的底部；
多个所述弹簧分别套设于所述立柱151的外部，且所述弹簧固定连接于相邻的两个所述压板之间。
值得说明的是，立柱151不仅可以起到支撑固化装置1的作用，同时还能起到导向的作用，使得压板能够沿着导向机构15上下移动，从而对碳纤维预浸料进行压缩，通过在相邻的两个压板之间设置弹簧152，压缩和固化后能够使压板平稳的复位。
进一步的说明，所述壁体11包括门板111，所述门板111与所述壁体11连接的一侧设有卡件1111，所述壁体11与所述门板111连接的一侧设有卡槽112，所述卡件1111和卡槽112相匹配，使所述门板111可拆卸地安装于所述壁体11的一侧；
所述门板111设有进气口1112，所述制氮装置2通过所述进气口1112和所述壁体11的内部连通。
值得说明的是，壁体11的一侧设有门板111，而另外三册为密封结构，通过该卡件1111和卡槽112的配合，将门板111可拆卸地安装于壁体11，方便放置碳纤维预浸料，以及固化完成后将碳纤维毡取出来，门板111设有进气口1112，通过进气口1112向内部通入氮气。
优选的，卡件1111设有两个，分别横向设置于门板111的顶部和底部，且优选的，卡件1111的结构为“7”型结构或者为倒L型结构(如图4所示)，使得门板111和壁体11的连接更加牢固，同时也容易将门板111拆卸下来。在安装时，将门板111从壁体的一侧，使卡件1111的位置和卡槽112的位置相对应，将卡件1111插入卡槽112内，随着卡槽移动门板111，使得整个门体111将壁体11的开口处全部遮盖，便可将壁体11关闭，处于解决密闭的效果。
进一步的说明，所述制氮装置2包括压缩过滤器21、干燥塔22、吸附塔23、氮气罐24、干燥塔控制系统25和吸附塔控制系统26，所述压缩过滤器21、所述干燥塔22、所述吸附塔23和所述氮气罐24依次连通，所述氮气罐24的输出端和所述固化装置1连通，所述干燥塔控制系统25用于控制所述干燥塔22，所述吸附塔控制系统26用于控制吸附塔23。
氮装置2能够制备氮气，从而在固化过程中包括碳纤维及树脂不会被氧化。
进一步的说明，所述压板的材料为石英、玻纤增强聚丙烯和聚四氟乙烯中的任意一种或多种的组合。
本技术放方案中压板的材料为耐高温的透波材料，透波材料是能透过电磁波且几乎不改变电磁波性质的材料，本技术方案中压板的原料具有低介电常数(ε<10)及低介电损耗(tanδ＜0.01)，同时能够承受较高温度。
优选的，压板的材料为石英、玻纤增强聚丙烯、聚四氟乙烯中的任意一种或多种的组合，这些均具有耐高温的优点，同时能够满足低介电常数和低介电损耗的要求。
值得说明的是，本技术方案中的阵列微波发生器14由多个小型的微波源141组成，多个所述微波源141分别阵列设置于所述上压板131的顶面或所述下压板132的底面，操作时通过选择开启不同微波源数量，用来调整微波的功率，同时通过选择开启不同位置的微波源，用来调整微波的辐射范围，用于固化不同形状的碳纤维预浸料，用于固化不同尺寸大小的碳纤维预浸料，且固化时上下方的总功率分别控制在300～500W，若功率太高，容易产生局部高温，使得固化效果变差，若功率太低，则固化时间过长。
值得指出的是，采用本方案的固化成型设备对大尺寸的碳纤维预浸料金属固化时，大尺寸的碳纤维预浸料为使用经过编织、切割、喷淋树脂操作后的预浸料，可以用叉车将其放入压板上，经过加压固定后，密闭固化装置1的开口，使用保护气体置换内部空气，之后进行预热、固化阶段，完成对大尺寸的碳纤维预浸料的固化，整个固化过程快速高效，固化效果好，节省了大量的能耗，大幅缩减了大尺寸碳纤维固化时间。
下面结合实施例进一步阐述本技术方案。
实施例1
本实施例高效固化大尺寸碳纤维预浸料的方法，包括以下步骤：
(1)将完全浸入酚醛树脂的碳纤维预浸料，碳纤维预浸料为直径1.4m的圆形，共40层，分为4块各10层，叠好所需的层数，分别放入下压板和中间压板的表面，压板组件可同时固化完成4块碳纤维预浸料，通过产品所需密度及尺寸，在固化装置控制系统中设置压板之间的距离为50mm，由启动液压缸对碳纤维预浸料进行压缩至设置距离；
(2)将所述制氮装置的出气端和固化装置连通后，关闭固化装置，使得固化装置的内壁处于解决密闭状态，通入氮气，氮气的流量为300m3/h将固化装置内部的气体置换为氮气，在通气时间达到了2min后，打开上压板的顶面的微波源和下压板底面的微波源，且上压板的顶面的微波源和下压板底面的微波源的功率分别为200W(总功率为400W)，升温至90℃后，于90℃时进行保温操作，保温时间在5min；
(3)对预热后的碳纤维预浸料进行微波固化，上压板顶面的微波源和下压板底面的微波源的功率分别设置为400W(总功率为800W)，使温度升至180℃，在180℃下保温40min，得到固化成型的碳纤维毡。保温时间结束后，关闭所有微波源，关闭制氮装置，然后拔掉制氮装置通入氮气的管道，将固化装置的门板(3.45m×1.775m)拆卸下来，取出固化好的碳纤维毡放入较封闭的容器中冷却。
实施例2
本实施例高效固化大尺寸碳纤维预浸料的方法，包括以下步骤：
(1)将完全浸入环氧树脂的碳纤维预浸料，碳纤维预浸料为边长为1.3m的方形形状的碳纤维预浸料，共100层，分为4块各25层，将4块碳纤维预浸料分别放入下压板和中间压板的表面，下压板和中间压板分别放置有2块，压板组件可同时固化完成4块碳纤维预浸料，通过产品所需密度及尺寸，在固化装置控制系统中设置压板之间的距离为100mm，启动液压缸对碳纤维预浸料进行压缩至设置距离；
(2)将制氮装置的出气端和固化装置连通后，关闭固化装置，使得固化装置的内壁处于解决密闭状态，通入氮气，氮气的流量为300m3/h将固化装置内部的气体置换为氮气，在通气时间达到了3min后，打开上压板的顶面的微波源和下压板底面的微波源，上压板顶面的微波源和下压板底面的微波源的功率分别为200W(总功率为400W)，升温至90℃后，于90℃时进行保温操作，保温时间为7min；
(3)对预热后的碳纤维预浸料进行微波固化，上压板顶面的微波源和下压板底面的微波源的功率分别设置为300W(总功率为600W)，使温度升至140℃，在140℃下保温50min，得到固化成型的碳纤维毡。保温时间结束后，关闭所有微波源，关闭制氮装置，然后拔掉制氮装置通入氮气的管道，将固化装置的侧(3.45m×1.775m)拆卸下来，取出固化好的碳纤维毡放入较封闭的容器中冷却。
实施例3
本实施例高效固化大尺寸碳纤维预浸料的方法，包括以下步骤：
(1)将完全浸入酚醛树脂的碳纤维预浸料，碳纤维预浸料为外径为1.8m，内径为1.5m的圆环形碳纤维预浸料，共80层，分为2块，每块各40层，将2块碳纤维预浸料分别放入下压板和中间压板的表面，下压板和中间压板分别放置有1块，压板组件可同时固化完成2块碳纤维预浸料，通过产品所需密度及尺寸，在固化装置控制系统中设置压板之间的距离为200mm，启动液压缸对碳纤维预浸料进行压缩至设置距离；
(2)将制氮装置的出气端和固化装置连通后，关闭固化装置，使得固化装置的内壁处于解决密闭状态，通入氮气，氮气的流量为300m3/h将固化装置内部的气体置换为氮气，在通气时间达到了5min后，打开上压板的顶面的微波源和下压板底面的微波源，上压板顶面的微波源和下压板底面的微波源的功率分别为200W(总功率为400W)，升温至90℃后，于90℃时进行保温操作，保温时间为10min；
(3)对预热后的碳纤维预浸料进行微波固化，上压板顶面的微波源和下压板底面的微波源的功率分别设置为500W(总功率为1000W)，使温度升至180℃，在180℃下保温60min，得到固化成型的碳纤维毡。保温时间结束后，关闭所有微波源，关闭制氮装置，然后拔掉制氮装置通入氮气的管道，将固化装置的门板(3.45m×1.775m)拆卸下来，取出固化好的碳纤维毡放入较封闭的容器中冷却。
根据本发明实施例的高效固化大尺寸碳纤维预浸料的方法的其他构成等以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
在本说明书的描述中，参考术语“实施例”等的描述意指结合该实施例描述的具体特征、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例或示例。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例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例，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例进行多种变化、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。
Claims (10)
1.一种高效固化大尺寸碳纤维预浸料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将碳纤维预浸料放置在固化装置中，对碳纤维预浸料进行压缩；
(2)将碳纤维预浸料置于密闭条件下和氮气气氛下，采用阵列微波发生器均匀地对碳纤维预浸料的上方和下方进行预热，预热过程中阵列微波发生器的总功率为300～500W，将温度升至80～100℃，保留时间为5～10min；
(3)对预热后的碳纤维预浸料进行微波固化，阵列微波发生器的总功率为600～1000W，固化的温度为120～180℃，保留时间为40～60min，得到固化成型的碳纤维毡。
2.根据权利要求1所述的一种高效固化大尺寸碳纤维预浸料的方法，其特征在于，步骤(2)中，阵列微波发生器的微波源在距离碳纤维预浸料7cm～100cm处进行预热。
3.根据权利要求1所述的一种高效固化大尺寸碳纤维预浸料的方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，氮气的流量为200～1000m3/h。
4.一种使用权利要求1-3任意一项所述的高效固化大尺寸碳纤维预浸料的方法的固化成型设备，其特征在于，包括固化装置和制氮装置，所述制氮装置的出气端和所述固化装置连通；
所述固化装置包括壁体、驱动机构、压板组件和阵列微波发生器，所述压板组件和所述驱动机构分别安装于所述壁体的内部，所述压板组件设有压缩腔，所述压缩腔用于容纳碳纤维预浸料，所述压板组件用于压缩碳纤维预浸料，所述驱动机构用于驱动所述压板组件压缩或释放碳纤维预浸料；
所述阵列微波发生器包括多个微波源，多个所述微波源分别阵列设置于所述压板组件的顶面和底面；
所述压板组件的原料的介电常数＜10，介电损耗＜0.01。
5.根据权利要求4所述的一种固化成型设备，其特征在于，所述压板组件由多个压板组成，多个压板分别为上压板、下压板和至少一个中间压板，所述上压板位于所述壁体的顶部、所述下压板位于所述壁体的底部，所述中间压板位于所述上压板和所述下压板之间，所述上压板下压板和所述中间压板分别间隔设置于所述壁体的内部，且所述下压板和所述中间压板分别可沿着所述壁体的内部上下移动，所述上压板、所述下压板和所述中间压板之间分别构成压缩腔，碳纤维预浸料放置于所述下压板或所述中间压板的表面；
所述驱动机构和所述下压板连接；
多个所述微波源分别阵列设置于所述上压板的顶面和所述下压板的底面。
6.根据权利要求5所述的一种固化成型设备，其特征在于，所述固化装置还包括导向机构，所述导向机构竖直设置于所述壁体的内部；所述导向机构的顶部安装于所述壁体的顶部，所述导向机构的底部安装于所述壁体的底部，所述导向机构用于对所述压板组件的上下移动进行导向。
7.根据权利要求6所述的一种固化成型设备，其特征在于，所述导向机构包括立柱和多个弹簧，立柱依次穿过所述上压板、中间压板和下压板，所述立柱的顶部安装于所述壁体的顶部，所述立柱的底部安装于所述壁体的底部；
多个所述弹簧分别套设于所述立柱的外部，且所述弹簧固定连接于相邻的两个所述压板之间。
8.根据权利要求4所述的一种固化成型设备，其特征在于，所述壁体包括门板，所述门板与所述壁体连接的一侧设有卡件，所述壁体与所述门板连接的一侧设有卡槽，所述卡件和卡槽相匹配，使所述门板可拆卸地安装于所述壁体的一侧；
所述门板设有进气口，所述制氮装置通过所述进气口和所述壁体的内部连通。
9.根据权利要求4所述的一种固化成型设备，其特征在于，所述制氮装置包括压缩过滤器、干燥塔、吸附塔、氮气罐、干燥塔控制系统和吸附塔控制系统，所述压缩过滤器、所述干燥塔、所述吸附塔和所述氮气罐依次连通，所述氮气罐的输出端和所述固化装置连通，所述干燥塔控制系统用于控制所述干燥塔，所述吸附塔控制系统用于控制吸附塔。
10.根据权利要求4所述的一种固化成型设备，其特征在于，所述压板的材料为石英、玻纤增强聚丙烯和聚四氟乙烯中的任意一种或多种的组合。
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2022
- 2022-06-17 CN CN202210687772.1A patent/CN115091785B/zh active Active
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| CN115091785B (zh) | 2024-04-09 |
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