復合材料軸類零件的微波固化方法及裝置制造方法
【專利摘要】一種復合材料軸類零件的微波固化方法及裝置，其特征是所述的方法是先將未固化的復合材料鋪疊在涂刷了脫模劑的光滑芯模表面形成待固化的軸類零件，然后將待固化的軸類零件套裝在真空袋中，在真空袋的兩端用耐高溫膠帶密封，然后抽真空以便將待固化的軸類零件壓實，再將壓實后的待固化的軸類零件連同芯模一并放置到微波固化爐中，按照復合材料加熱工藝設置微波固化爐加熱參數，加熱固化復合材料軸類零件；待最終保溫段結束，直接將軸類零件移出固化爐，在室外環境降溫即可。本發明具有加熱固化時間短、能耗低且溫度均勻性好、易于控制的優點。
【專利說明】復合材料軸類零件的微波固化方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種復合材料固化技術，尤其是一種復合材料軸類零件固化技術，具體地說是一種基于微波加熱技術的復合材料軸類零件的微波固化方法及裝置。
【背景技術】
[0002]纖維增強樹脂基復合材料具有高比強度和比剛度、質量輕、耐腐蝕、抗疲勞和減振性好等許多優點，已在工業領域獲得了廣泛的應用。采用纖維增強樹脂基復合材料制造軸類零件可減輕整體結構重量，降低使用維護費用，減少振動噪聲，提高軸類零件的臨界轉速。
[0003]在傳統的成型工藝中，復合材料軸類零件多采用熱壓罐成型工藝方法。但該方法加熱復合材料軸類零件存在層間剪切強度低、變形嚴重和成型周期長、能耗高等問題。此夕卜，其加熱過程是一個熱傳導過程，使得復合材料軸類零件內部存在溫度梯度，樹脂固化很難均勻和完全，易于產生較大內應力和變形。
[0004]針對傳統熱壓罐固化的上述缺點，本發明提出一種采用微波固化復合材料軸類零件的工藝方法。微波加熱固化技術是以低頻電磁波穿透復合材料，在材料內部將微波能轉換成熱能，對復合材料軸類零件里外進行均勻加熱的技術。復合材料軸類零件采用微波固化可以使得纖維與樹脂的界面結合力提高，從而提高了軸類零件的層間剪切強度。微波加熱速度快，溫度均勻和熱慣性小的特點縮短了軸類零件的成型周期，消除了溫度不均勻引起的變形。此工藝方法可以快速、高效、均勻加熱固化復合材料軸類零件，提高軸類零件的層間剪切強度和抗彎扭性能。
[0005]本發明提出采用微波固化復合材料軸類零件，可以實現復合材料軸類零件的快速成型固化，并可以取得良好的成型后力學性能。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是針對現有的軸類零件采用熱壓罐固化成形時存在的一致性差、變形嚴重和成表周期長、能耗高等問題，發明一種基于微波加熱技術的復合材料軸類零件的微波固化方法，同時提供一種相應的固化裝置。
[0007]本發明的技術方案之一是:
一種復合材料軸類零件的微波固化方法，其特征是:先將未固化的復合材料鋪疊在涂刷了脫模劑的光滑芯模表面形成待固化的軸類零件，然后將待固化的軸類零件套裝在真空袋中，并在零件邊緣處粘貼導電膠帶，在真空袋的兩端用耐高溫膠帶密封，然后抽真空以便將待固化的軸類零件壓實，再將壓實后的待固化的軸類零件連同芯模一并放置到微波固化爐中，按照復合材料加熱工藝設置微波固化爐加熱參數，升溫到樹脂開始發生固化反應的溫度后，開始保溫，保溫時間以保溫結束后樹脂完全固化為依據，加熱固化復合材料軸類零件；待最終保溫段結束，直接將軸類零件移出固化爐，在室外環境降溫即可。
[0008]所述的芯模支撐在微波固化爐中的支撐裝置上并與一能驅動其轉動的驅動裝置相連，以便在固化樹脂粘度較低的復合材料軸類零件時驅動芯模在微波加熱過程中單向或來回轉動從而帶動復合材料軸類零件來回轉動達到均勻加熱。如復合材料軸類零件的樹脂粘度較高也可不轉動，直接將真空袋壓實的復合材料軸類零件放入微波場中固化。
[0009]抽真空后并靜止至少30分鐘以上不漏氣才能放入微波固化爐加熱固化。
[0010]所述的支撐和旋轉機構均采用不反射微波的材料。
[0011]微波加熱固化過程中保持真空度不變，加熱結束后繼續保持真空度直至微波固化爐內溫度降至加熱溫度的60%以下時解除真空；真空度和抽真空時機可控。
[0012]本發明的技術方案之二是:
一種復合材料軸類零件的微波固化裝置，它包括微波固化爐1、芯模6和抽真空裝置，其特征是所述的芯模6的兩端支承在位于微波固化爐I中的支撐裝置7上，在芯模6上形成復合材料軸類零件4的位置處涂有脫模劑層13，在復合材料軸類零件4的表面加裝有脫模布12、在脫模布的表面12設有帶孔隔離膜11，在帶孔隔離膜11的表面設有透氣氈10，真空袋9套裝在透氣氈10上，真空袋9的兩端通過高溫膠帶3固定在芯模3上，真空袋9通過抽真空管2與抽真空裝置相連，在真空袋中或表面安裝有測量加熱溫度的光纖傳感器5，光纖傳感器5與溫控裝置電氣連接。
[0013]所述的真空袋9中的真空度可調，抽真空時機可控。
[0014]所述的芯模6連接有能驅動其單向或往復轉動的驅動裝置，以提高加熱的均勻性，擴大所能使用的用于固化復合材料的樹脂的粘度范圍。
[0015]所述的驅動裝置由驅動電機18和聯軸器8組成，驅動電機14安裝在微波固化爐夕卜，聯軸器的一端與驅動電機的輸出軸相連，另一端與芯模伸出微波固化爐的一端相連。電動機不僅限于順時針和逆時針各半圈進行交替勻速轉動，還包括其他數值圈數的交替轉動。
[0016]所述的軸類零件為等直徑或帶有多個軸肩。
[0017]本發明的有益效果:
本發明基于微波加熱的原理，相比于傳統的熱壓罐成型工藝和模具加熱固化成型工藝，具有加熱固化時間短、能耗低且溫度均勻性好、易于控制，適于成型復合材料軸類零件。
[0018]本發明采用微波固化可以使得纖維與樹脂的界面結合力提高，從而提高了軸類零件的層間剪切強度和抗彎扭性能。
[0019]本發明采用真空袋技術，可以有效地控制成型后復合材料軸類零件內部的孔隙率，減小內部缺陷，使復合材料軸類零件取得較好的成型后力學性能。
[0020]本發明采用微波能量穿透加熱固化復合材料軸類零件，解決了傳統電加熱復合材料軸類零件存在的層間剪切強度低、變形嚴重和成型周期長、能耗高的問題。復合材料軸類零件采用微波固化可以使得纖維與樹脂的界面結合力提高，從而提高了軸類零件的層間剪切強度。微波加熱速度快，溫度均勻和熱慣性小的特點縮短了軸類零件的成型周期，消除了溫度不均勻引起的變形。此工藝方法可以快速、高效、均勻加熱固化復合材料軸類零件，提高軸類零件的層間剪切強度和抗彎扭性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1是本發明的結構微波加熱固華成形裝置示意圖。
[0022]圖2是本發明的軸類零件加熱固化狀態的剖面結構示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
[0024]實施例一。
[0025]一種復合材料軸類零件的微波固化方法，先將未固化的雙馬樹脂基復合材料鋪疊在涂刷了脫模劑的光滑芯模表面形成待固化的軸類零件，然后將待固化的軸類零件套裝在真空袋中，在真空袋的兩端用耐高溫膠帶密封，然后抽真空以便將待固化的軸類零件壓實，抽真空后并靜止至少30分鐘以上不漏氣才能放入微波固化爐加熱固化。再將壓實后的待固化的軸類零件連同芯模一并放置到微波固化爐中，按照復合材料加熱工藝設置微波固化爐加熱參數，以5°C /min升溫至180°C，保溫150分鐘，加熱固化復合材料軸類零件；待最終保溫段結束，直接將軸類零件移出固化爐，在室外環境降溫即可。為了解決低粘度樹脂固化問題，芯模可支撐在微波固化爐中的支撐裝置上并與一能驅動其轉動的驅動裝置相連，以便在固化樹脂粘度較低的復合材料軸類零件時驅動芯模在微波加熱過程中單向或來回轉動從而帶動復合材料軸類零件來回轉動達到均勻加熱。微波固化爐的加熱溫度可控并由光纖溫度傳感器實時監控。微波加熱固化過程中保持真空度不變，加熱結束后繼續保持真空度直至微波固化爐內溫度降至加熱溫度的60%以下時解除真空；真空度和抽真空時機可控。
[0026]詳述如下:
本發明的實質是采用微波能量穿透加熱固化復合材料軸類零件，結合真空加壓工藝，成型高性能的復合材料軸。固化成形前應將未固化的復合材料鋪疊在涂刷了脫模劑的光滑芯模表面，在復合材料邊緣粘貼導電膠帶，采用高溫膠帶封裝真空袋，抽真空壓實后放置到微波固化爐中。按照復合材料加熱工藝設置微波固化爐加熱參數，加熱固化復合材料軸類零件。待最終保溫段結束，直接將軸類零件移出固化爐，在室外環境降溫。芯模要求能夠被微波穿透，其材料需選擇不明顯反射微波且耐高溫的材料，如泡沫、塑料、陶瓷、石英、玻璃、復合材料等。真空袋加壓工藝部分是在未固化的復合材料軸類零件上封裝真空袋，并通過透波真空管使真空袋與外部真空系統連接，從而在未固化的復合材料軸類零件和真空袋之間形成真空區域，壓實待固化的復合材料。真空袋封裝后靜置30分鐘不漏氣，即可滿足要求。真空袋的布置過程是首先準備好滿足構件制造要求的芯模，在芯模表面涂刷脫模劑。然后將復合材料按照工藝要求鋪疊到芯模表面，在復合材料邊緣粘貼導電膠帶，采用高溫膠帶密封真空袋，然后在復合材料表面按順序鋪設脫模布12、帶孔隔離膜11、透氣氈10、真空袋9。真空袋沿圓筒狀預浸料兩端用高溫膠帶密封，在邊緣處安放透波真空管2。復合材料軸類零件的溫度在微波作用下開始持續升高前，真空袋開始抽真空(0.1MPa以下)，保持此狀態到預先制定的固化溫度并在所述固化溫度下充分維持一段時間。維持所述固化溫度一段時間后降低制件的溫度，當溫度降低到70°C時釋放真空，完成固化過程。所述真空系統在固化過程中抽真空速率和時機可控。在微波固化過程中，如復合材料軸類零件的樹脂粘度不高，可采用轉動軸類零件的方法保證樹脂分布的均勻性，具體實施方法是在芯模的一端安裝旋轉機構。當復合材料軸類零件的溫度開始持續升高時，設定旋轉電機按照順時針和逆時針各半圈(或其他數值圈數)進行交替勻速轉動，直到復合材料軸類零件完全固化。旋轉機構在固化過程中轉動速率和時機可控；如復合材料軸類零件的樹脂粘度較高也可不轉動，直接將真空袋壓實的復合材料軸類零件放入微波場中固化。支撐和旋轉機構均采用不反射微波的材料。爐內轉動系統主要由具有速度可調的電動機，傳動裝置，支撐裝置，芯模等組成。其中，芯模不僅限于等截面的圓筒形狀，還包括其他變截面的圓筒形狀，如變截面的階梯形狀；電動機不僅限于順時針和逆時針各半圈進行交替勻速轉動，還包括其他數值圈數的交替轉動。微波加熱固化工藝是由微波加熱固化爐在諧振腔內形成電磁場，從而使復合材料軸類零件得到加熱。在固化工藝開始時，真空袋抽真空，壓實材料。根據設置的加熱溫度和石英光纖傳感器測量到的溫度，自動調節微波功率加熱復合材料軸類零件。隨著材料的溫度升高，樹脂的固化反應開始進行。控制系統實時測量固化過程中構件的溫度，以供監測和調整裝置的工作狀態。
[0027]實施例二。
[0028]如圖1、2所示。
[0029]一種復合材料軸類零件的微波固化裝置，它包括微波固化爐1、芯模6和抽真空裝置，芯模的形狀為等直徑或臺階狀態結構，所形成的軸類零件相應地也為等直徑或帶有多個軸肩的結構，所述的芯模6的兩端支承在位于微波固化爐I中的支撐裝置7上，在芯模6上形成復合材料軸類零件4的位置處涂有脫模劑層13，在復合材料軸類零件4的表面加裝有脫模布12、在脫模布的表面12設有帶孔隔離膜11，在帶孔隔離膜11的表面設有透氣氈10，真空袋9套裝在透氣氈10上，如圖2所示，真空袋9的兩端通過高溫膠帶3固定在芯模3上，如圖1所示，真空袋9通過抽真空管2與抽真空裝置相連，真空袋9中的真空度可調，抽真空時機可控在真空袋中或表面安裝有測量加熱溫度的光纖傳感器5，光纖傳感器5與溫控裝置電氣連接。
[0030]具體實施時，芯模6還可連接有能驅動其單向或往復轉動的驅動裝置，以提高加熱的均勻性，擴大所能使用的用于粘結復合材料的樹脂的粘度范圍。所述的驅動裝置由驅動電機18和聯軸器8組成,驅動電機14安裝在微波固化爐外,聯軸器的一端與驅動電機的輸出軸相連，另一端與芯模伸出微波固化爐的一端相連。
[0031]詳述如下:
圖2顯示了復合材料在芯模6上的鋪放過程。真空袋加壓工藝部分即在未固化的復合材料軸類零件上封裝真空袋，并通過透波真空管2使真空袋與外部真空系統連接，從而在未固化的復合材料軸類零件和真空袋之間形成真空空間，壓實待固化的復合材料。真空袋封裝后，靜置30分鐘不漏氣，即可滿足要求。真空袋系統的布置過程是首先準備好滿足構件制造要求的芯模6，在芯模6表面涂刷脫模劑13。然后將復合材料4按照工藝要求鋪疊到芯模6表面，在復合材料邊緣粘貼導電膠帶，然后在復合材料表面按順序鋪設脫模布12、帶孔隔離膜11、透氣氈10、真空袋9。真空袋沿圓筒狀預浸料兩端用高溫膠帶3密封，在邊緣處安放抽真空管2。復合材料軸類零件的溫度開始持續升高時，電動機14以設定的工藝交替轉動(當復合材料軸類零件的樹脂粘度較高時也可以不轉動)；真空袋9以10KPa/min速率抽真空到0.1MPa，保持此狀態到預先制定的固化溫度(此實施例選擇100°C)并在所述固化溫度下充分維持一段時間。維持所述固化溫度一段時間后降低制件的溫度，當溫度降低到一定60°C時釋放真空，電動機14靜止，完成固化過程。
[0032]復合材料軸類零件的爐內轉動裝置如圖1所示，其主要由具有速度可調的電動機14，聯軸器8，支撐裝置7，芯模6等組成。其中，芯模6不僅限于等截面的圓筒形狀，還包括其他變截面的圓筒形狀，如變截面的階梯形狀；電動機14不僅限于順時針和逆時針各半圈進行交替勻速轉動，還包括其他數值圈數的交替轉動。
[0033]在固化工藝開始時，真空泵開始按真空袋工藝抽真空，壓實材料。隨著材料的溫度升高，樹脂的固化反應開始進行。控制系統實時測量固化過程中構件的溫度，以供監測和調整裝置的工作狀態。通過石英光纖傳感器5測量的溫度反饋到設備的控制系統(與現有技術相同或可采用現有技術加以實現)，與工藝溫度曲線比對，實時調整微波加熱溫度，實現高精度的溫度控制。
[0034]以上僅是本發明的具體應用范例，對本發明的保護范圍不構成任何限制。凡采用等同變換或是等效替換而形成的技術方案，均落在本發明權利保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種復合材料軸類零件的微波固化方法，其特征是:先將未固化的復合材料鋪疊在涂刷了脫模劑的光滑芯模表面形成待固化的軸類零件，然后將待固化的軸類零件套裝在真空袋中，并在零件邊緣處粘貼導電膠帶，在真空袋的兩端用耐高溫膠帶密封，然后抽真空以便將待固化的軸類零件壓實，再將壓實后的待固化的軸類零件連同芯模一并放置到微波固化爐中，按照復合材料加熱工藝設置微波固化爐加熱參數，加熱固化復合材料軸類零件；待最終保溫段結束，直接將軸類零件移出固化爐，在室外環境降溫即可。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征是所述的芯模支撐在微波固化爐中的支撐裝置上并與一能驅動其轉動的驅動裝置相連，以便在固化樹脂粘度較低的復合材料軸類零件時驅動芯模在微波加熱過程中單向或來回轉動從而帶動復合材料軸類零件來回轉動達到均勻加熱； 如復合材料軸類零件的樹脂粘度較高也可不轉動，直接將真空袋壓實的復合材料軸類零件放入微波場中固化。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征是抽真空后并靜止至少30分鐘以上不漏氣才能放入微波固化爐加熱固化。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征是所述的支撐和旋轉機構均采用不反射微波的材料。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征是微波加熱固化過程中保持真空度不變，加熱結束后繼續保持真空度直至微波固化爐內溫度降至加熱溫度的60%以下時解除真空；真空度和抽真空時機可控。
6.一種復合材料軸類零件的微波固化裝置，它包括微波固化爐(I )、芯模(6)和抽真空裝置，其特征是所述的芯模(6)的兩端支承在位于微波固化爐(I)中的支撐裝置(7)上，在芯模(6)上形成復合材料軸類零件(4)的位置處涂有脫模劑層(13)，在復合材料軸類零件(4)的表面加裝有脫模布(12)、在脫模布的表面(12)設有帶孔隔離膜(11)，在帶孔隔離膜(11)的表面設有透氣氈(10)，真空袋(9)套裝在透氣氈(10)上，真空袋(9)的兩端通過高溫膠帶(3)固定在芯模(3)上，真空袋(9)通過抽真空管(2)與抽真空裝置相連，在真空袋中或表面安裝有測量加熱溫度的光纖傳感器(5 )，光纖傳感器(5 )與溫控裝置電氣連接。
7.根據權利要求6所述的復合材料軸類零件的微波固化裝置，其特征是所述的真空袋(9)中的真空度可調，抽真空時機可控。
8.根據權利要求6所述的復合材料軸類零件的微波固化裝置，其特征是所述的芯模(6)連接有能驅動其單向或往復轉動的驅動裝置，以提高加熱的均勻性，擴大所能使用的用于固化復合材料的樹脂的粘度范圍。
9.根據權利要求8所述的復合材料軸類零件的微波固化裝置，其特征是所述的驅動裝置由驅動電機(18)和聯軸器(8)組成，驅動電機(14)安裝在微波固化爐外，聯軸器的一端與驅動電機的輸出軸相連，另一端與芯模伸出微波固化爐的一端相連；電動機不僅限于順時針和逆時針各半圈進行交替勻速轉動，還包括其他數值圈數的交替轉動。
10.根據權利要求1或6所述的復合材料軸類零件的微波固化裝置，其特征是所述的軸類零件為等直徑或帶有多個軸肩。
【文檔編號】B29C70/44GK104149365SQ201410295222
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年6月27日 優先權日:2014年6月27日
【發明者】李迎光, 李楠埡, 周靖, 杭翔, 吳曉春 申請人:南京航空航天大學