微波-壓力固化復合材料的溫度均勻分布方法及固化裝置制造方法
【專利摘要】一種微波-壓力固化復合材料的溫度均勻分布方法及成套固化裝置，其特征是所述的方法是在壓力容器罐體中采用多邊形腔體使得微波在腔體中發生多次反射，提高微波入射到復合材料的均勻性。同時在腔體的前后設置波導窗，氣體介質可流動到腔體中，與復合材料發生對流換熱，進一步提高材料的溫度均勻性，并可實現壓力容器內的氣體在復合材料加熱固化時施加壓力。所述的裝置主要包括多邊形腔體和電磁屏蔽窗。本發明可提高復合材料構件的溫度均勻性，降低微波固化復合材料構件的翹曲變形。
【專利說明】微波-壓力固化復合材料的溫度均勻分布方法及固化裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種復合材料固化成形技術，尤其是一種利用微波加熱使復合材料快速固化成形的技術，具體地說是一種微波-壓力固化復合材料的溫度均勻分布方法及成套固化裝置。
【背景技術】
[0002]眾所周知，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、抗疲勞等優點，得到廣泛的應用。
[0003]微波加熱固化技術是以低頻電磁波穿透材料，將微波能轉變成熱能，對材料里外進行均勻加熱的技術。微波加熱固化具有生產時間短、溫度易于控制、能耗低等特點，適于成型大尺寸復雜構件，是一種新型的復合材料加熱固化方法。但是，之前報道的復合材料微波固化技術中都是采用真空袋壓實構件。但是與傳統的復合材料成型工藝，比如熱壓罐工藝相比，沒有在壓力容器內提供構件外部氣壓的作用，使得樹脂配制和預浸料鋪貼過程中裹入的空氣、樹脂中的揮發分等難以排出而滯留在復合材料中，產生較高的孔隙率并構成缺陷。且微波加熱的均勻性在加熱速率較快時，會產生“熱點”，從而產生一定的加熱不均勻性。
[0004]然而，在微波加熱系統中加入壓力容器裝置的難點是，如何合理地設計微波加熱部分和壓力容器加熱部分，使得可提供均勻微波場的微波加熱裝置可以在高壓力的條件下正常工作。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是針對現有的復合材料微波固化成形裝置存在加熱效率低、能耗高、均勻性差的問題，發明一種微波-壓力固化復合材料的溫度均勻分布方法，同時設計一種溫度分布均勻的成套固化裝置。
[0006]本發明的技術方案之一是:
一種微波-壓力固化復合材料的溫度均勻分布方法，其特征在于:將復合材料構件14放置到多邊形腔體9中，使微波能量在多邊形腔體9中發生多次反射后入射到復合材料14表面和內部；同時使氣體壓力通過壓力容器提供后作用到復合材料表面，壓實材料；當測量到的復合材料14溫度出現溫差時，加熱或冷卻壓力容器I中的氣體介質，并使所述的氣體介質通過多邊形腔體9上設置的電磁屏蔽通風窗實現循環流動，與復合材料發生對流換熱，以提高復合材料構件14的溫度均勻性。
[0007]所述的溫差為5°C -10°C。
[0008]本發明的技術方案之二是:
一種溫度均勻分布的微波-壓力復合材料固化裝置，它包括壓力容器1、安裝在壓力容器I中的固化腔體9、真空發生裝置和微波發生裝置，真空發生裝置通過真空管8穿過壓力容器I及固化腔體9與旋轉固化工件14的真空袋15相連通，微波發生裝置產生的微波通過微波傳輸線7送入固化腔體9中，其特征是所述的固化腔體9的內腔橫截面為能多次反射微波的多邊形結構，在固化腔體9的兩端分別安裝有一個固定式電磁屏蔽通風窗4和一個能打開以方便取放工件的活動式電磁屏蔽通風窗5，在壓力容器I中、正對固定式電磁屏蔽通風窗4或活動式電磁屏蔽通風窗5的位置處安裝有加熱或致冷裝置3，在加熱或致冷裝置3的一側安裝有送風裝置2，送風裝置2將經加熱或致冷裝置3加熱或冷卻后的壓力容器I中的氣體介質從固定式電磁屏蔽通風窗4或活動式電磁屏蔽通風窗5送入固化腔體9中對固化工件14進行加熱或冷卻以達到使固化工件14表面溫度分布均勻的目的。
[0009]所述的固定式電磁屏蔽通風窗4或活動式電磁屏蔽通風窗5均包括金屬蜂窩板18和固定板17，金屬蜂窩板18安裝在一個電磁屏蔽框21中，電磁屏蔽框21固定在固定板17中，固定板17固定或鉸裝在固化腔體9的一端上。金屬蜂窩板18的孔徑剛好屏蔽所用來加熱復合材料的電磁波，同時中空的蜂窩結構可以使氣流流通。
[0010]所述的電磁屏蔽框21通過螺釘固定在固定板17中。
[0011]所述的金屬蜂窩板18與固化腔體9外側相對的一面上加裝有加強筋。
[0012]所述的加強筋呈交叉狀結構。
[0013]所述的金屬蜂窩板18為鋁蜂窩板。
[0014]所述的真空袋15中安裝有溫度傳感器。
[0015]本發明的有益效果:
本發明可以很好地融合壓力容器加壓系統和均勻微波加熱系統，從而快速成型固化復合材料構件，并尤其是大尺寸復雜曲面復合材料構件。同時將氣體介質在加熱后流動到腔體中，與復合材料發生對流換熱，進一步提高材料的溫度均勻性。該裝置和方法可以取得良好的成型后力學性能。
[0016]本發明具有加熱固化時間短、能耗低且易于控制。
[0017]本發明可以在固化工藝中提供與傳統復合材料熱壓罐成型工藝相當的壓力壓實材料，從而保證了成型后復合材料的質量。本發明在微波加熱的同時，加入氣體加熱或冷卻裝置，能消除微波快速加熱可能導致的對復合材料加熱不均勻的問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明的結構示意圖。
[0019]圖2是圖1的A-A剖視圖。
[0020]圖3是圖1的B向視圖。
[0021]圖中:I為壓力容器，2為送風裝置(風扇)，3為冷卻或加熱裝置(電熱絲)，4為固定式電磁屏蔽通風窗，5為活動式電磁屏蔽通風窗，6為壓力容器罐門，7為微波傳輸線，8為真空管(抽真空用)，9為固化腔體，10為壓力傳感器，11為導軌，12為載物臺，13為模具，14為固化工件(復合材料)，15這真空袋系統，16為溫度傳感器，17為固定板，18為金屬蜂窩板(鋁蜂窩)，19為加強筋，20為固定螺栓，21為電磁屏蔽框(鈹銅簧片)。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
[0023]實施例一。
[0024]如圖1-3所示。
[0025]—種微波-壓力固化復合材料的溫度均勻分布方法，首先將復合材料構件14放置到多邊形腔體9中，使微波能量在多邊形腔體9中發生多次反射后入射到復合材料14表面和內部；同時使氣體壓力通過壓力容器提供后作用到復合材料表面，壓實材料；當測量到的復合材料14溫度出現溫差(一般為5°C -10°C)時，加熱或冷卻壓力容器I中的氣體介質，并使所述的氣體介質通過多邊形腔體9上設置的電磁屏蔽通風窗實現循環流動，與復合材料發生對流換熱，以提高復合材料構件14的溫度均勻性。
[0026]實施例二。
[0027]一種溫度均勻分布的微波-壓力復合材料固化裝置，它包括壓力容器1、安裝在壓力容器I中的固化腔體9、真空發生裝置和微波發生裝置，如圖1所示，真空發生裝置通過真空管8穿過壓力容器I及固化腔體9與旋轉固化工件14的真空袋15相連通，微波發生裝置產生的微波通過微波傳輸線7送入固化腔體9中，真空袋15安裝在模具13，模具13安裝在載物臺12上，載物臺12安裝在導軌11上，導軌11安裝在固化腔體9中，所述的固化腔體9的內腔橫截面為能多次反射微波的多邊形結構，其中以六邊形為最佳，也可為五邊、八邊等形狀，在固化腔體9的兩端分別安裝有一個固定式電磁屏蔽通風窗4和一個能打開以方便取放工件的活動式電磁屏蔽通風窗5，在壓力容器I中、正對固定式電磁屏蔽通風窗4或活動式電磁屏蔽通風窗5的位置處安裝有加熱或致冷裝置3，在加熱或致冷裝置3的一側安裝有送風裝置2，送風裝置2將經加熱或致冷裝置3加熱或冷卻后的壓力容器I中的氣體介質從固定式電磁屏蔽通風窗4或活動式電磁屏蔽通風窗5送入固化腔體9中對固化工件14進行加熱或冷卻以達到使固化工件14表面溫度分布均勻的目的。如圖2所示，具體實施時固定式電磁屏蔽通風窗4或活動式電磁屏蔽通風窗5均包括金屬蜂窩板18和固定板17，如圖3所示。金屬蜂窩板18 (可采用鋁合金蜂窩)安裝在一個電磁屏蔽框21中，電磁屏蔽框21固定在固定板17中，固定板17固定或鉸裝在固化腔體9的一端上，金屬蜂窩板18上蜂窩的孔徑剛好屏蔽所用來加熱復合材料的電磁波，同時中空的蜂窩結構可以使氣流流通。所述的電磁屏蔽框21通過螺釘固定在固定板17中。所述的金屬蜂窩板18與固化腔體9外側相對的一面上加裝有呈交叉狀結構加強筋。為了實現壓力和溫度調控，應在壓力容器中安裝有壓力傳感器10，在真空袋15中安裝有溫度傳感器，用來實時監測工作壓力和固化溫度。
[0028]下面結合附圖進一步說明溫度均勻分布的微波-壓力復合材料固化裝置:微波通過微波傳輸線7傳輸至多邊形固化腔體9形成電磁場，對其中的需固化的復合材料固化工件14進行加熱。在固化工藝開始時，通過真空管8開始抽真空，外部壓力容器I提供氣壓，對整個腔體加壓，壓實固化工件14。控制系統通過溫度傳感器16實時測量的溫度反饋到設備的控制系統，實時調整微波加熱溫度，并調節氣體介質加熱的控制系統，實現高精度的溫度控制。并且，通過壓力傳感器10實時測量固化腔體9內的氣壓，反饋到控制系統對壓力容器I的加壓部分進行控制。經過一段時間的加熱和保溫及壓力作用，復合材料固化工件14固化成型。
[0029]其中，外部的壓力容器1，可通過壓力傳感器10測得的壓力容器I內的氣體壓強數據，根據控制系統中編制的加壓的工藝曲線，實時控制并滿足復合材料成型的壓力曲線工藝。且該壓力容器I的最大承壓值為2.0MPa。
[0030]而多邊形固化腔體9固定在壓力容器I內部，作用是使通過微波傳輸線進入的微波在固化腔體9內進行多次反射，可以形成均勻的微波場，從而可以對放置于其中的待固化的復合材料固化工件14構件進行均勻地加熱。多邊形固化腔體9以六邊形為最佳。
[0031]電磁屏蔽通風窗4，5的結構如圖3所示，電磁屏蔽通風窗4、5是主要由金屬蜂窩材料18制成的結構，周圍設置C型的金屬邊條17固定。金屬蜂窩18的孔徑剛好屏蔽所用來加熱復合材料的電磁波，同時中空的蜂窩結構可以使氣流流通，方便壓力容器I對多邊形腔體內加壓和氣體介質的對流。而且，電磁屏蔽通風窗的邊緣布置有鈹銅簧片21，方便其結構與多邊形腔體結構連接處的電磁屏蔽，結構的連接使用螺栓20。蜂窩結構18通過在電磁屏蔽通風窗4，5外側加上加強筋19保證結構剛度。腔體一側的電磁屏蔽通風窗4完全連接在多邊形固化腔體上，腔體另一側，即壓力容器的罐門6 —側的電磁屏蔽通風窗5的一條邊通過鉸鏈連接在多邊形腔體上，可自由轉動和開關，方便取放模具13和復合材料固化工件14。
[0032]本發明的使用方法是先將待固化的復合材料固化工件14放置到多邊形腔體9中，在固化工藝開始時，通過真空管8開始抽真空，外部壓力容器I提供氣壓，對整個腔體加壓，壓實待固化的復合材料固化工件14。微波能量在多邊形腔體9中發生多次反射后入射到待固化的復合材料固化工件14表面和內部。氣體壓力通過壓力容器提供后作用到復合材料表面，壓實材料。當測量到的復合材料固化工件14溫度出現溫差到達5°C以上時，加熱或冷卻腔體中的氣體介質，通過前后的電磁屏蔽通風窗5實現循環流動，進一步提高復合材料固化工件14的溫度均勻性。同時，壓力容器I中的氣體通過電熱絲3加熱(或通過冷卻管降溫)后依靠風機2在腔體中實現循環流動，與復合材料發生對流換熱，進一步提高材料的溫度均勻性。
[0033]其中，壓力容器I中氣體壓力的施加可根據材料的工藝要求提前在控制系統中設置并在成型過程中自動控制。并且，測量到的復合材料構件14最大和最小溫度的差異達到或超過設定的最大溫度5°C時，采用加熱(或冷卻)氣體介質，并在多邊形腔體9中循環流動的方法進一步減小溫差。
[0034]本發明未涉及部分均與現有技術相同或可采用現有技術加以實現。
【權利要求】
1.一種微波-壓力固化復合材料的溫度均勻分布方法，其特征在于:將復合材料構件(14)放置到多邊形腔體(9)中，使微波能量在多邊形腔體(9)中發生多次反射后入射到復合材料(14)表面和內部；同時使氣體壓力通過壓力容器提供后作用到復合材料表面，壓實材料；當測量到的復合材料(14)溫度出現溫差時，加熱或冷卻壓力容器(I)中的氣體介質，并使所述的氣體介質通過多邊形腔體(9)上設置的電磁屏蔽通風窗實現循環流動，與復合材料發生對流換熱，以提高復合材料構件(14)的溫度均勻性。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征是所述的溫差為5°C-10°C。
3.一種溫度均勻分布的微波-壓力復合材料固化裝置，它包括壓力容器(I)、安裝在壓力容器(I)中的固化腔體(9)、真空發生裝置和微波發生裝置，真空發生裝置通過真空管(8)穿過壓力容器(I)及固化腔體(9)與旋轉固化工件(14)的真空袋(15)相連通，微波發生裝置產生的微波通過微波傳輸線(7)送入固化腔體(9)中，其特征是所述的固化腔體(9)的內腔橫截面為能多次反射微波的多邊形結構，在固化腔體(9)的兩端分別安裝有一個固定式電磁屏蔽通風窗(4)和一個能打開以方便取放工件的活動式電磁屏蔽通風窗(5)，在壓力容器(I)中、正對固定式電磁屏蔽通風窗(4)或活動式電磁屏蔽通風窗(5)的位置處安裝有加熱或致冷裝置(3 )，在加熱或致冷裝置(3 )的一側安裝有送風裝置(2 )，送風裝置(2 )將經加熱或致冷裝置(3)加熱或冷卻后的壓力容器(I)中的氣體介質從固定式電磁屏蔽通風窗(4)或活動式電磁屏蔽通風窗(5)送入固化腔體(9)中對固化工件(14)進行加熱或冷卻以達到使固化工件(14)表面溫度分布均勻的目的。
4.根據權利要求3所述的裝置，其特征是所述的固定式電磁屏蔽通風窗(4)或活動式電磁屏蔽通風窗(5)均包括金屬蜂窩板(18)和固定板(17),金屬蜂窩板(18)安裝在一個電磁屏蔽框(21)中，電磁屏蔽框(21)固定在固定板(17)中，固定板(17)固定或鉸裝在固化腔體(9)的一端上；金屬蜂窩板(18)的孔徑剛好屏蔽所用來加熱復合材料的電磁波，同時中空的蜂窩結構可以使氣流流通。
5.根據權利要求4所述的裝置，其特征是所述的電磁屏蔽框(21)通過螺釘或鉚釘或焊接固定在固定板(17)中。
6.根據權利要求4所述的裝置，其特征是所述的金屬蜂窩板(18)與固化腔體(9)外側相對的一面上加裝有加強筋。
7.根據權利要求6所述的裝置，其特征是所述的加強筋呈交叉狀結構。
8.根據權利要求4所述的裝置，其特征是所述的金屬蜂窩板(18)為鋁蜂窩板。
9.根據權利要求3所述的裝置，其特征是所述的真空袋(15)中安裝有溫度傳感器。
【文檔編號】B29C70/44GK104139532SQ201410295387
【公開日】2014年11月12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, 杭翔, 周靖, 吳曉春 申請人:南京航空航天大學