CN117734179A - 一种自适应曲面可施加均匀面压力的加热装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自适应曲面可施加均匀面压力的加热装置及方法，所述装置包括夹紧装置和加热装置；所述夹紧装置一部分包括柔性磁流体或磁性胶体，工作时紧贴工作曲面一侧，所述夹紧装置位于工作曲面的另一侧的部分包括永磁铁或电磁铁；所述加热装置为绝缘封装的柔性电加热薄膜；通过控制电流大小来控制电磁铁的磁力大小和温度的升高，使曲面得到随型且均匀的受压和加热。

Description

一种自适应曲面可施加均匀面压力的加热装置及方法

技术领域

本发明属于复合材料成型与加工技术领域，特别涉及一种自适应曲面可施加均匀面压力和快速加热的装置及方法。

背景技术

复合材料的造型设计、制造与组装工艺具有多样化的特点。对于大型的复合材料部件，通过小部件的分体成型与后胶接的制造方法，产品的精度与质量可靠性更好，同时胶接的连接方式，操作简便、成本较低，也是目前复合材料制造领域最为常用的方法。部件胶接部位的结构强度，不仅取决于结构胶的种类、厚度、均匀性等主要参数，对于粘接部位施加均匀可控的压力对于提高胶接的质量也具有重要的作用。传统的平板类复合材料，胶接工艺仅使用弹簧夹等简易工具就可满足对工作曲面施加压力；然而，对于具有复杂曲面造型以及部件级的粘接工艺，现有工艺存在以下三点问题有待解决。

1、对于复杂曲面结构复合材料的粘接工艺，高度依赖于特定形状的工装设备辅助定型。不仅需要更多的工装成本，部分异型曲面的定位工装安装过程也极为复杂，粘接过程的操作繁琐，效率较低。如公开号为CN114986413A的专利公开了一种同轴的桶形结构，用于辅助粘接时部件的夹紧。此类定制的工装可以有效提高异型产品粘接的质量，但工装缺乏普适性，无法通用于其他部件的粘接；

2、曲面结构的复合材料粘接，无法提供稳定、均匀的预紧力，容易导致曲面结构部分粘接部位虚粘、脱层等现象。如公开号为CN109139638B的专利提出利用定位板与真空辅助等方法实现粘接工艺的夹紧，此法仅适用于平板或相对平整的部件粘接，对于结构复杂的复合材料部件粘接，目前无法有效实现随型的夹紧。公开号为CN206718516U的专利提出一种利用电磁铁或强磁体进行工件定位的方法，具体为在工件与工装中镶嵌或预埋磁体，在粘接时，利用磁铁之间的吸引力可以快速实现工件的定位，提高精准度；但是此法并未实质解决粘接过程中工件曲面与粘接工装的预紧力不足问题。

3、复合材料粘接剂固化的温度控制不均匀，加热效率低。对于大型复杂结构复合材料的成型与粘接过程中，如何提供快速、均匀的温度场，加速树脂基体或粘接剂的固化，对于提高复合材料制造效率具有重要意义。目前行业内仍缺少即能随型施加预紧力，且能够快速精准随型提供温度场辅助成型或粘接的装置。

基于此，需要一种自适应曲面可施加均匀面压力的加热装置，可同时提供均匀的面压预紧力和高效率均匀的加热，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自适应曲面可施加均匀面压力的加热装置，包括：

夹紧装置，所述夹紧装置兼具磁性和流动性或变形能力；所述夹紧装置设于工作曲面两侧，通过磁力使所述夹紧装置紧贴所述工作曲面并施加均匀的压力；

加热装置，所述加热装置通过所述夹紧装置的预紧力紧贴于所述工作曲面一侧，通过控制电流，对所述工作曲面均匀加热。

进一步的，所述夹紧装置在工作曲面的一侧为柔性磁性胶体，通过将磁性粉末均匀分散至胶体，并封装在柔性包装中，形成兼具磁性和流动性的柔性磁流胶体。

优选的，所述磁性粉末为铁基或铁-镍-钼基磁粉。

进一步的，所述柔性包装为塑料封装材料或橡皮泥。

优选的，所述夹紧装置在工作曲面的一侧为柔性磁流体，通过将磁性粉末均匀分散至橡皮泥中形成兼具磁性和流动性的柔性磁流体。

进一步的，所述夹紧装置在工作曲面的一侧为永磁铁或电磁铁。

优选的，所述加热装置为经过绝缘封装的柔性电加热薄膜；所述薄膜具有导电性和导热性，通过电流在薄膜中产生焦耳热以实现均匀加热。

进一步的，所述薄膜通过所述夹紧装置的压力均匀铺设在所述柔性磁性胶体或柔性磁流体一侧的工作曲面上，通过加热所述薄膜以实现对工作曲面的均匀加热。

本发明还包括一种复合材料的胶接方法，所述胶接方法步骤为：

S1：将复合材料的小部件分体成型；

S2：对分体成型的小部件进行胶接；

S3：使用上述的任一种自适应曲面可施加均匀面压力的加热装置对胶接部位施加均匀可控的压力，并进行均匀可控的加热。

进一步的，所述S1中分体成型的小部件的连接部位为曲面；所述S2中胶接过程具体为：在工作曲面上均匀刮涂双组分环氧结构胶。

与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：

第一，本发明提供的加压加热装置广泛应用于各种复合材料异型曲面和复杂构型处进行粘接工作。本发明提供的加压加热装置还涵盖了一种具备曲面适应性的磁性材料，该材料能够智能地适应不同曲线和轮廓，以更好地匹配制品的外形，从而确保在粘接过程中提供更加均匀的预紧力；这不仅提高了复合材料制品的粘接质量，还确保了在各种复杂结构中实现出色的粘接性能，为复合材料粘接领域带来了更高的可靠性和效率。

第二，本发明引入了一种柔性随型加热辅助装置，通过利用焦耳热来实现快速、均匀的加热过程；这一技术允许热量有针对性地聚焦在成型或粘接的特定区域，从而极大提高了能量的利用效率，相比传统方法而言，更加高效；这意味着在加热过程中可以更精确地控制温度分布，减少了能量浪费，同时加速了工艺过程。这项创新将为成型和粘接工艺带来更高的效率、更可控的温度管理，从而提高了制造过程的可持续性和经济性。

第三，本发明提供的加压加温装置使粘接预紧力的可调节成为可能；传统的粘接方法通常无法准确控制粘接预紧力的大小，导致难以稳定地控制粘接胶层的厚度和粘接强度；然而，通过本发明，可以通过调整电磁铁的电流强度，来精确控制粘接夹紧装置的磁力大小，从而实现对粘接预紧力的精准控制；这一技术创新不仅提高了复合材料制品的粘接效果，还提升了其品质的稳定性。这意味着制造过程中可以更一致地实现所需的粘接结果，增强了生产过程的可靠性和品质控制。

第四，本发明提供了一种改进的复合材料粘接方法，以实现更优越的粘接效果；即便在粘接表面呈现曲线形状的情况下，该方法仍能确保出色的粘接效果；使用这项发明提供的粘接方法后，粘接区域的间隙得到显著减少，同时所需的固化时间也大幅缩短；本发明提供的方法为复合材料粘接带来了多方面的好处，包括更牢固的连接、更高的制品质量，以及更快的生产速度；这对于制造业和其他领域中需要使用复合材料的应用来说，都具有潜在的重要意义，因为它提高了效率，降低了制造成本，同时确保了更强的粘接性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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它的附图。

图1为本发明自适应曲面粘接装置第一示意图；

图2为本发明自适应曲面粘接装置第二示意图。

附图标记说明

11.柔性磁流体；12.柔性磁性胶体；21.钕硼磁铁；22.电磁铁；3.粘接曲面3；4.柔性焦耳热加热装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践。

本实施例包括一种自适应曲面可施加均匀面压力的加热装置，不仅能够适用于各种异型曲面复合材料部件的定位，还可以施加适合曲面的随型预紧力，且大小可调节，从而提高复合材料制造及粘接的质量。

本实施例的目的在于提供一种自适应曲面可施加均匀面压力的加热装置，包括：

夹紧装置，包括柔性磁流体11或柔性磁性胶体12和钕硼磁铁21或电磁铁22；所述夹紧装置兼具磁性和流动性或变形能力；所述夹紧装置设于工作曲面两侧，通过磁力使所述夹紧装置紧贴所述工作曲面并施加均匀的压力；

柔性焦耳热加热装置4，所述柔性焦耳热加热装置4通过所述夹紧装置的预紧力紧贴于所述工作曲面一侧，通过控制电流，对所述工作曲面均匀加热。

进一步的，所述夹紧装置在工作曲面的一侧为柔性磁性胶体12，通过将磁性粉末均匀分散至胶体，并封装在柔性包装中，形成兼具磁性和流动性的柔性磁性胶体12。

优选的，所述磁性粉末为铁基或铁-镍-钼基磁粉。

进一步的，所述柔性包装为塑料封装材料或橡皮泥。

优选的，所述夹紧装置在工作曲面的一侧为柔性磁流体11，通过将磁性粉末均匀分散至橡皮泥中形成兼具磁性和流动性的柔性磁流体11。

进一步的，所述夹紧装置在工作曲面的一侧为钕硼磁铁21或电磁铁22。

优选的，所述柔性焦耳热加热装置4为经过绝缘封装的柔性电加热薄膜；所述薄膜具有导电性和导热性，通过电流在薄膜中产生焦耳热以实现均匀加热。

进一步的，所述薄膜通过所述夹紧装置的压力均匀铺设在所述柔性磁性胶体12或柔性磁流体11一侧的工作曲面上，通过加热所述薄膜以实现对工作曲面的均匀加热。

本实施例还包括一种复合材料的胶接方法，所述胶接方法步骤为：

S1：将复合材料的小部件分体成型；

S2：对分体成型的小部件进行胶接；

S3：使用上述的任一种自适应曲面可施加均匀面压力的加热装置对胶接部位施加均匀可控的压力，并进行均匀可控的加热。

进一步的，所述S1中分体成型的小部件的连接部位为曲面；所述S2中胶接过程具体为：在工作曲面上均匀刮涂双组分环氧结构胶。

本实施例提供的一种自适应曲面可施加均匀面压力的加热装置包括柔性磁流体11或柔性磁性胶体12、钕硼磁铁21或电磁铁22、柔性焦耳热加热装置4；柔性磁流体11通过将磁流体均匀分散在柔性基体中，形成兼具磁性和流动性或变形能力的柔性材料；柔性磁性胶体12通过将磁性粉末分散至胶体中，再对胶体进行柔性包装，形成兼具磁性和流动性或变形能力的柔性材料；柔性磁流体11或柔性磁性胶体12能够均匀贴合复合材料表面造型，实现对曲面均匀施加压力；本实施例提供的加热加压装置使用时，将钕硼磁铁21固定在被粘接件的一侧，另一端铺设柔性磁流体11或柔性磁性胶体12，利用流体具有的流动性以及柔性材料的易形变特性，使夹紧装置具有更好的曲面适应性；使用电磁铁22的优势在于可通过调节电流大小可控调节吸引力的大小，从而对粘接曲面3施加更均匀的面压预紧力，并实现对粘接过程中预紧力的精确调控，优化粘接胶层的厚度均匀性，提升粘接的质量；柔性焦耳热加热装置4部分，通过将柔性焦耳热加热装置4封装后铺设于工作曲面上，通过精准控制电流可实现，加热速率与温度的控制；温度场直接作用于复合材料成型或粘接区域，能量利用效率高。

对比例1

本对比例中，在进行粘接工艺时，通过以下步骤进行曲面的粘接：

S1：首先在粘接曲面3上均匀地涂抹双组分环氧结构胶，每平方厘米涂抹约0.02克的胶料。

S2：采用在工作曲面周围使用若干个弹簧夹进行夹紧固定，以确保它们保持固定状态。然后，将整个构造放置于烘箱中，设置温度80℃，固化反应180分钟。

S3：固化24小时后，使用超声波探测仪来检查粘接部分中间是否存在脱粘或空隙的情况。结果显示，在中间曲面部分，粘接并不完全，而且有相当大的空隙存在。

S4：将粘接曲面3剖开，观察并测量曲面部分的胶层厚度约为0.2mm，均匀性较差。

本对比例中，部分粘接区域存在明显的空隙，表明使用弹簧夹固定两端的方法，在曲面中无面压；本对比例中，测量了曲面部分的胶层厚度，结果显示约为0.2毫米，但这胶层的均匀性较差。此外，在一些粘接区域发现明显的空隙，这可能是因为使用弹簧夹将两端固定，而没有在整个曲面上施加均匀的面压力。

实施例1

本实施例中，使用本实施例提供的装置对复合材料曲面进行粘接，采用钕硼磁铁21与封装的柔性磁流体11对曲面工作粘接曲面3进行加压，步骤为：

S1：将粘接的曲面上均匀地涂抹双组分环氧结构胶，每平方厘米涂抹约0.02克的胶料；

S2：在工作曲面的一侧放置钕硼磁铁21，另一侧使用封装的柔性磁流体11，对工作曲面进行固定，并放置于烘箱中，设置温度80℃，固化反应180分钟；

S3：使用超声波探测仪来检查粘接部位中间是否存在脱粘或空隙的情况；结果显示，中间曲面部位的粘接是完全的，几乎没有空隙；

S4：对粘接曲面3的部分进行剖开，观察和测量胶层的厚度，结果显示约为0.1毫米，且均匀性很好。

本实施例中，与对比例不同的是，采用柔性磁流体11与钕硼磁铁21代替弹簧夹对曲面施加压力；从结果可以分析得出，使用本实施例提供的装置具有更好的粘接效果，这表明使用柔性磁流体11随型施加预紧力，可有效改善曲面粘接的效果。

实施例2

本实施例中，使用本实施例提供的加压加温装置对复合材料曲面进行粘接，步骤为：

S1：将15份磁性粉末加入100份橡皮泥，充分搅拌混合均匀后得到柔性磁性胶体12；

S2：在要粘接的曲面上均匀地涂抹双组分环氧结构胶，每平方厘米涂抹约0.02克的胶料；

S3：在工作曲面的一侧放置电磁铁22，另一侧使用柔性磁性胶体12；将一个电磁铁22放置在工作曲面的一侧，而另一侧使用之前制备的柔性磁性胶体12。然后，接通电源，并设置电流为1.0安培，以固定工作曲面；整个构造被放入烘箱中，设置温度80℃，反应和固化持续180分钟；

S4：使用超声波探测仪来检查粘接部位中间是否存在脱粘或空隙的情况；结果显示，中间曲面部位的粘接是完全的，几乎没有空隙；

S5：对粘接曲面3的部分进行剖开，观察和测量胶层的厚度，结果显示约为0.08毫米，且均匀性很好。

本实施例中采用柔性磁性胶体12与电磁铁22来对粘接曲面3施加压力，得到了更好的粘接效果，这表明使用电磁铁22增强预紧力可有效改善曲面粘接的效果。

实施例3

本实施例中，使用本实施例提供的加压加温装置对复合材料曲面进行粘接，步骤为：

S1：将30份磁性粉末加入100份橡皮泥，充分搅拌混合均匀后得到柔性磁性胶体12。

S2：在要粘接的曲面上均匀地涂抹双组分环氧结构胶，每平方厘米涂抹约0.02克的胶料；

S3：将一个电磁铁22放置在工作曲面的一侧，而另一侧使用之前制备的柔性磁性胶体12；然后，接通电源，并设置电流为3.0安培，以固定工作曲面；整个构造被放入烘箱中，设置温度80℃，反应和固化持续180分钟。

S4：随后，使用超声波探测仪来检查粘接部位中间是否存在脱粘或空隙的情况；结果显示，中间曲面部位的粘接是完全的，几乎没有空隙；

S5：对粘接曲面3的部分进行剖开，观察和测量胶层的厚度，结果显示约为0.05毫米，且均匀性很好。

对比于实施例2，本实施例使用30份磁性粉末加入100份橡皮泥，并设置电磁铁22电流为3.0安培；从粘接结果可以得出，本实施例提供的装置能通过控制电流的大小来控制施加压力的大小，从而得到更好的粘接效果；这表明通过控制电磁铁22的电流大小，可有效改善曲面粘接的效果。

实施例4

本实施例中，使用本实施例提供的加压加温装置对复合材料曲面进行粘接，步骤为：

S1：首先将30份磁性粉末加入100份橡皮泥，充分搅拌混合均匀后得到磁性胶体；

S2：在要粘接的曲面上均匀地涂抹双组分环氧结构胶，每平方厘米涂抹约0.02克的胶料，并铺设柔性焦耳热加热装置4；

S3：将一个电磁铁22放置在工作曲面的一侧，而另一侧使用之前制备的柔性磁性胶体12。然后，为柔性焦耳热加热装置4和电磁铁22接通电源，并设置电流为1.0安培，以固定工作曲面；利用电流控制电加热薄膜的温度为80℃，反应和固化持续60分钟；

S4：使用超声波探测仪来检查粘接部位中间是否存在脱粘或空隙的情况；结果显示，中间曲面部位的粘接是完全的，几乎没有空隙；

S5：将粘接曲面3部位剖开，观察并测量曲面部分的胶层厚度约为0.06mm，均匀性好。

本实施例中，对比其他实施例，增设了柔性焦耳热加热装置4，同时缩短了固化时间；表明柔性焦耳热加热装置4，可以显著缩短成型、粘接的固化时间，提高复合材料制造的效率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但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揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种自适应曲面可施加均匀面压力的加热装置，其特征在于：包括：夹紧装置和加热装置；所述夹紧装置兼具磁性和流动性或变形能力；所述夹紧装置设于工作曲面两侧，通过磁力使所述夹紧装置紧贴所述工作曲面并施加均匀的压力；所述加热装置通过所述夹紧装置的预紧力紧贴于所述工作曲面一侧，通过控制电流，对所述工作曲面均匀加热。

2.如权利要求1所述的一种自适应曲面可施加均匀面压力的加热装置，其特征在于：所述夹紧装置在工作曲面的一侧为柔性磁性胶体，通过将磁性粉末均匀分散至胶体，并封装在柔性包装中，形成兼具磁性和流动性的柔性磁流胶体。

3.如权利要求2所述的一种自适应曲面可施加均匀面压力的加热装置，其特征在于：所述磁性粉末为铁基或铁-镍-钼基磁粉。

4.如权利要求2所述的一种自适应曲面可施加均匀面压力的加热装置，其特征在于：所述柔性包装为塑料封装材料或橡皮泥。

5.如权利要求1所述的一种自适应曲面可施加均匀面压力的加热装置，其特征在于：所述夹紧装置在工作曲面的一侧为柔性磁流体，通过将磁性粉末均匀分散至橡皮泥中形成兼具磁性和流动性的柔性磁流体。

6.如权利要求1所述的一种自适应曲面可施加均匀面压力的加热装置，其特征在于：所述夹紧装置在工作曲面的一侧为永磁铁或电磁铁。

7.如权利要求2或5所述的一种自适应曲面可施加均匀面压力的加热装置，其特征在于：所述加热装置为经过绝缘封装的柔性电加热薄膜；所述薄膜具有导电性和导热性，通过电流在薄膜中产生焦耳热以实现均匀加热。

8.如权利要求7所述的一种自适应曲面可施加均匀面压力的加热装置，其特征在于：所述薄膜通过所述夹紧装置的压力均匀铺设在所述柔性磁性胶体或柔性磁流体一侧的工作曲面上，通过加热所述薄膜以实现对工作曲面的均匀加热。

9.一种复合材料的胶接方法，其特征在于：步骤为：

S1：将复合材料的小部件分体成型；

S2：对分体成型的小部件进行胶接；

S3：使用如权利要求1-8所述的任一种自适应曲面可施加均匀面压力的加热装置对胶接部位施加均匀可控的压力，并进行均匀可控的加热。

10.如权利要求9所述的一种复合材料的胶接方法，其特征在于：所述S1中分体成型的小部件的连接部位为曲面；所述S2中胶接过程具体为：在工作曲面上均匀刮涂双组分环氧结构胶。