一種復合材料低成本快速固化方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及的是一種復合材料低成本快速固化方法，采用中頻電磁感應線圈作用金屬模具自發加熱的方式，實現復合材料快速固化成型，屬于復合材料成型技術領域。
【背景技術】
[0002]復合材料在航空航天等領域日益發揮重要作用，成型工藝的研宄一直是復合材料學界的熱點課題之一。從20世紀40年代至今，復合材料成型工藝發生了巨大而深刻的變化，為促進整個復合材料工業的發展起到了決定性的作用。未來，隨著社會工業的進步，科學技術的快速發展，復合材料構件制造技術的發展方向將是:新型成型技術的應用，特別是發展快速、優良、穩定的固化技術，實現復合材料構件生產的批量化，降低復合材料制造成本，促使復合材料制造技術走向智能化、規模化。
[0003]現有的復合材料固化成型工藝，特別是傳統的熱壓罐成型工藝，固化周期長，耗能大，生產成本高。原因在于，熱壓罐工藝等通過加熱模具周圍環境溫度以熱傳導的方式給模具升溫來固化成型復合材料，采用熱傳導的方式熱能傳遞效率低，模具升溫速度慢，且各部位的熱傳導效率不同，模具溫度場均勻性控制較難，由于升溫速率和溫度是影響樹脂黏度變化的關鍵因素，而樹脂黏度的高低又影響固化加壓時機，過慢的升溫速率和不均勻的溫度直接導致固化加壓時間的滯后和加壓時機的偏差。同時熱傳導方式要求外界介質溫度高于模具溫度，而復合材料的固化工藝溫度范圍較小，當模具達到工藝溫度時，需要降低外界介質溫度，這個過程較難控制，容易使模具溫度過高，復合材料固化成型過程發生異常，影響材料質量，上述原因使得當前復合材料構件生產效率低，能耗大，質量穩定性不足，此外該工藝方法對輔助材料要求較高，造成材料成本增加。
[0004]總之，以熱傳導加熱模具固化成型復合材料這類的成型工藝均實現不了復合材料低成本快速成型。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種復合材料低成本快速固化方法，該方法解決了傳統通過熱傳導加熱模具升溫慢，耗能大，生產成本高的難題，實現了快速升溫，提高了復合材料生產效率、并降低了輔助材料性能要求，從而降低制造成本，且能耗低。
[0006]本發明的上述目的主要是通過如下技術方案予以實現的:
[0007]一種復合材料低成本快速固化方法，包括如下步驟:
[0008](I)、將預固化成型復合材料鋪設在要求形狀的成型模具中，將測溫元器件與成型模具接觸；
[0009](2)、采用透氣及保溫材料對預固化成型復合材料和成型模具進行包覆，使預固化成型復合材料和成型模具完全包覆其中，并使測溫元器件穿過透氣及保溫材料；
[0010](3)、采用真空袋對透氣及保溫材料進行包覆，使透氣及保溫材料完全包覆在真空袋中，并使測溫元器件穿過真空袋；
[0011](4)、將真空管路一端穿過真空袋與透氣及保溫材料接觸，另外一端連接外部真空泵，檢測真空袋內的真空度，若真空度滿足要求，則進入步驟(5);
[0012](5)、將步驟(4)包覆完成的真空袋放入中頻感應線圈的有效加熱區內，并使測溫元器件連接外部控溫裝置；同時將包覆完成的真空袋和中頻感應線圈放置在加壓裝置中，并使中頻感應線圈與外部控溫裝置連接；
[0013](6)、啟動外部控溫裝置，控制中頻感應線圈對成型模具進行加熱，并通過測溫元器件進行溫度測量，當測量溫度達到預固化成型復合材料的工藝設定溫度時，啟動加壓裝置，對真空袋進行加壓，當壓力達到設定值時，保持壓力不變，繼續升溫，完成對預固化成型復合材料的固化成型；
[0014](7)、固化成型完成后，依次除去真空袋及透氣及保溫材料，脫模，得到復合材料產品O
[0015]在上述復合材料低成本快速固化方法中，成型模具為組合模具或者單一模具，若為組合模具時，預固化成型復合材料位于組合模具中間，若為單一模具時，預固化成型復合材料位于單一模具表面，所述成型模具為平板結構或曲面結構。
[0016]在上述復合材料低成本快速固化方法中，成型模具的壁厚大于中頻感應線圈的電磁感應透熱深度。
[0017]在上述復合材料低成本快速固化方法中，中頻感應線圈包括環形線圈和平面線圈，所述環形線圈呈螺旋形狀環繞在真空袋包覆模具的四周；所述平面線圈內部放置真空袋包覆模具，或者平面線圈位于真空袋包覆模具一側。
[0018]在上述復合材料低成本快速固化方法中，透氣及保溫材料的材質為單層或雙層結構，當成型模具的最高加熱溫度為200°C及以下時，采用單層結構，當成型模具的最高加熱溫度超過200 °C時，采用雙層結構。
[0019]在上述復合材料低成本快速固化方法中，采用單層結構時，透氣及保溫材料的材質為尼龍或聚酯纖維無紡氈，采用雙層結構時，靠近成型模具的透氣及保溫材料為玻璃纖維編織物、隔熱無機纖維氈、隔熱無機纖維板或隔熱涂層，靠近真空袋的透氣及保溫材料為尼龍或聚酯纖維無紡氈。
[0020]在上述復合材料低成本快速固化方法中，透氣及保溫材料的厚度保證一定的溫度梯度，使成型模具的溫度傳遞到真空袋后，真空袋的溫度不超過真空袋材料使用溫度；真空袋使用材質的耐熱要求低于成型模具的最高加熱溫度，真空袋材料選用PC、PE或尼龍薄膜，且制造真空袋使用的密封膠帶遠離成型模具，耐熱要求低于真空袋材質的耐熱要求。
[0021]在上述復合材料低成本快速固化方法中，透氣及保溫材料的總厚度為3-10mm。
[0022]在上述復合材料低成本快速固化方法中，步驟(六)中采用中頻感應線圈對成型模具進行加熱的方法如下:
[0023]通過外部控溫裝置控制向中頻感應線圈輸出的脈沖強度及脈沖時間，保證成型模具表面溫度低于透氣及保溫材料的使用溫度，輸入脈沖的間隔區間，利用成型模具的自身熱傳導達到設定的溫度并實現成型模具的溫度均勻。
[0024]在上述復合材料低成本快速固化方法中，中頻感應線圈的頻率選取范圍為500Hz-3000Hz，對應成型模具的感應透熱深度為5-15mm;所述步驟￠)中成型模具的升溫速率為 1-10°C /min。
[0025]本發明與現有技術相比有益效果為:
[0026](I)、相比于傳統的通過熱傳導加熱模具固化成型復合材料的方式，本發明采用中頻電磁感應線圈直接作用金屬模具自發加熱固化成型復合材料，中頻加熱升溫速度快，且溫度場均勻性好，控制精確，溫度過沖小，大大提高了生產效率的同時保證了產品質量。
[0027](2)、本發明針對復合材料的工藝特點與現有中頻應用于金屬熱處理及冶煉行業的不同，復合材料對模具的升溫速率受到樹脂體系的限制，因此對模具升溫速率的要求要遠低于金屬熱處理及冶煉，本發明對升溫速率進行了優化設計，同時對中頻感應線圈的形式進行了優化設計，實現了快速升溫及快速成型，縮短了工藝周期；中頻電磁感應線圈加熱耗能更低，大幅節約了生產成本。
[0028](3)、本發明采用中頻電磁感應加熱只能使金屬模具自身加熱，成型復合材料用的非金屬輔助材料并不被加熱，且成型過程通過特定包覆后周圍環境溫度很低，這就使得在成型雙馬和聚酰亞胺等耐高溫復合材料時，不必使用非常昂貴的耐高溫輔助材料，節約了制造成本。
[0029](4)、本發明根據復合材料成型特點，通過理論研宄結合大量試驗對采用的