多层电加热单元加工成型方法与流程

本发明涉及一种电加热单元的加工成型方法，更具体是飞机结构前缘电防/除冰单元多层复合结构的加工成型方法。

背景技术：

电加热防/除冰系统通过在飞机结构前缘布置电防/除冰功能单元，将电能转化为热能加热防护区前缘，从而实现对防护区前缘防冰、除冰功能。电防/除冰功能单元一般由电加热元件2、第一绝缘层1和第二绝缘层3、基体结构5、表面金属防护层4等多层结构组成，常见的结构形式如图1a所示。

对于复合材料多层电加热结构一般的加工流程是采用阳模，由基体结构5向表面金属防护层4逐层加工、成型，见图1b)，其加工流程见图2，主要步骤如下：

步骤1：在阳模上手工铺设碳纤维和玻璃纤维，作为机翼/短舱前缘结构双曲率复合材料功能单元基体结构；

步骤2：在基体结构上铺设玻璃纤维或PEEK的第一绝缘层；

步骤3：在热压罐内部固化成型，考虑到功能单元防/除冰需加热至80-110℃，固化过程通常在180℃的温度下进行；

步骤4：通过热喷涂等方式加工电加热原件；

步骤5：对电加热膜进行电热性能检测，确保其满足设计指标要求，否则产品报废。

步骤6：在电加热膜表面手工铺设玻璃纤维或PEEK的第二绝缘层，以及金属防护层。

步骤7：将上述形成的复合层再次进热压罐成型。

电防除冰功能单元是一种集成化程度高的结构功能件，为提升热传导和能量利用效率，复合结构层本身厚度较薄，且电加热工作温度与复合材料固化温度接近，因此对于电加热膜的均匀性和电阻误差等要求较高，金属电加热膜厚度一般需要精确到微米级别，较小的误差就会导致局部的热斑，从而影响到复合材料功能单元的寿命和防/除冰性能。

电加热膜在加工后，需对其进行较为严格检测，确保电加热元件的电热性能满足设计要求，包括电加热膜电阻，喷涂的均匀性、绝缘性等。一旦检测出加热膜不符合设计指标要求，则会导致产品报废。若采用由外到内逐层加工的方式，一旦由于金属电加热膜不符合要求导致产品报废，会将前期加工的基体结构5和绝缘层1(如图1a所示)一起报废，造成加工材料和工艺成本的浪费。

技术实现要素：

本发明旨在通过一种用于飞机前缘的多层多层复合电加热单元的加工成型方法来解决上述问题。

本发明提出了一种转膜加工方式，使用了模块化加工理念，将加热功能单元的加工分为若干模块单元，确保各部分性能的基础上，最终集成在一起，形成电防/除冰复合材料功能单元。

具体地，根据本发明的用于飞机前缘的多层复合电加热单元的加工成型方法包括以下步骤：

-制备第一绝缘层；

-在所述第一绝缘层的一侧上形成电加热元件；

-对所述电加热元件进行性能检测，如果满足设计要求，则进行下一步骤，如果不满足设计要求，则弃用；

-在所述电加热元件的与所述第一绝缘层相反的表面上形成第二绝缘层，从而由所述第一绝缘层、所述电加热元件和所述第二绝缘层共同形成电加热结构；

-在所述电加热结构的两侧分别形成基体结构和金属防护层；

-将所述电加热结构与两侧的基体结构和金属防护层共同进行热固化成型。

在一优选实施例中，在所述第一绝缘层上通过喷涂导电材料形成电加热元件。

在一优选实施例中，在所述第一绝缘层上通过铺设导电材料形成电加热元件。

在一优选实施例中，所述第一绝缘层和第二绝缘层的材料选自玻璃纤维结构层、PEEK、PEKK、特氟隆或其任意组合。

在一优选实施例中，所述第一绝缘层和第二绝缘层可以由不同材料制成。

在一优选实施例中，所述电加热元件包括导电金属材料。

在一优选实施例中，所述基体结构包括碳纤维和/或玻璃纤维。

在一优选实施例中，对所述电加热元件进行性能检测包括检测所述电加热元件的电路导通性能和均匀性。

在一优选实施例中，对所述电加热元件进行性能检测包括检测所述电加热元件的电阻误差。

在一优选实施例中，对所述电加热元件进行性能检测包括检测所述电加热元件的绝缘性。

在一优选实施例中，所述基体结构和所述金属防护层的形成通过使用阳模来实现，其中首先将所述电加热结构铺设在已经形成于阳模上的基体结构上，接着在所述电加热结构的与所述基体结构相反的一侧上形成金属防护层。

在一优选实施例中，所述基体结构和所述金属防护层的形成通过使用阴模来实现，其中首先将所述电加热结构铺设在已经形成于阴模中的金属防护层，接着在所述电加热结构的与所述金属防护层相反的一侧上形成基体结构。

在一优选实施例中，所述热固化成型在热压罐中进行。

本发明的方法能够减少电加热单元成型过程中热固化的次数，与现有技术相比其仅需要进一次热压罐热固成型，显著降低了工艺成本。此外，通过在形成绝缘层和电加热元件两层结构时进行检测，使得检测不合格所报废的产品仅包含两层结构，大大降低了报废成本。另外，产品最终集成过程中，胶囊状的电加热膜结构作为复合材料结构功能单元铺层过程中的一道工序，而无需产品基体结构在复材制造厂和喷涂单位之间流转。从而可降低电加热单元的加工制造周期和成本。

附图说明

图1a示出用于飞机前缘的多层复合电加热单元的多层结构图；

图1b示出是现有技术中用“阳模”加工多层复合电加热单元的示意图；

图1c示出是现有技术中用“阴模”加工多层复合电加热单元的示意图；

图2是现有技术中用“阳模”加工多层复合电加热单元的工艺流程图；以及

图3是根据本发明加工多层复合电加热单元的工艺流程图。

附图标记列表

1-第一绝缘材料层

2-电加热元件

3-第二绝缘材料层

4-金属防护层

5-基体结构

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

本发明提出了一种转膜加工方式，使用了模块化加工理念，将加热功能单元的加工分为若干模块单元，确保各部分性能的基础上，最终集成在一起，形成电防/除冰复合材料功能单元。

本发明是通过首先将电加热元件2与两侧的第一绝缘层1和第二绝缘层3共同形成一个模块，即电加热元件2夹在两个绝缘层之间的胶囊状电加热结构，然后在将该胶囊状电加热结构与基体结构5和金属防护层4组合来实现多层多层复合电加热单元。

具体地，如图3所示，本发明的用于飞机前缘的多层多层复合电加热单元的加工成型方法包括以下步骤：

-制备第一绝缘层1；

-在第一绝缘层1的一侧上形成电加热元件2；

-对电加热元件2进行性能检测，如果检测结果显示满足设计要求，则继续进行下一加工步骤，如果检测结果显示该电加热元件2不满足设计要求，则弃用；

-在电加热元件2的与第一绝缘层1相反的表面上形成第二绝缘层3，从而由第一绝缘层1、电加热元件2和第二绝缘层3共同形成胶囊状电加热结构；

-在该胶囊状电加热结构的两侧分别形成基体结构5和金属防护层4；

-将通过上述步骤形成的胶囊状电加热结构与两侧的基体结构5和金属防护层4的组合体共同进行热固化成型。

其中胶囊状电加热结构也称为柔态转膜。形成在电加热元件2两侧的第一绝缘层1和第二绝缘层3形成柔态转膜中的软质薄膜材料，可以由选自玻璃纤维结构层、PEEK、PEKK、特氟隆等或其任意组合的材料制成。这些材料具有良好的热塑性和绝缘性，且与复合材料的树脂能够较为完美的贴合，不会造成复合材料结构内部分层和强度降低，同时防止了电加热膜对于复合材料树脂直接接触造成的烧蚀。

根据实际需要，第一绝缘层1和第二绝缘层3可以是相同的材料也可以是不同的材料。

电加热元件2通常由金属形成，常用的金属包括但不限于：铜、铜锰合金、镍基合金等。此外，也可以选择其它非金属导电材料，例如碳纤维、导电橡胶等。

在实践中，电加热元件2通常通过喷涂形成在第一绝缘层1上。当然，也可以采取本领域已知的任何方式来形成该电加热元件，例如铺设、电镀、刷涂等，只要能在第一绝缘层1上形成薄而均匀的电加热元件层即可。

对电加热元件进行性能检测的步骤包括检测电加热元件的电路导通性能和均匀性、电阻误差以及绝缘性。如前面提到的，多层复合结构加热单元本身厚度较薄，且电加热工作温度与复合材料固化温度接近，因此对于电加热膜的均匀性和电阻误差要求较高，电加热元件的厚度一般需要精确到微米级别，较小的误差就会导致局部的热斑。

在第一绝缘层1上形成电加热元件2之后即对电加热元件2的性能进行检测，如果检测不合格，仅需报废第一绝缘层1和第二加热元件2。而在现有技术中，往往不得不报废三层结构，即阳模方法中形成的基体结构、第一绝缘层和电加热元件。因此，本发明的方法大大降低了报废成本。

检测通过之后，在电加热元件2的另一侧形成第二绝缘层3，由此第一绝缘层1、电加热元件2和第二绝缘层3共同形成胶囊状电加热结构。在此后的处理中，将该胶囊状电加热结构作为一个整体进行处理。

接下来的设置基体结构5和金属防护层4的步骤既可以通过阳模也可以通过阴模来完成。

如果使用阳模，则在阳模上首先铺设基体结构5，接着在基体结构5上铺设先前形成的胶囊状电加热结构，最后铺设金属防护层4。将如上所述形成的组合放入热压罐进行热固化，从而牢固地形成一体。

如果使用阴模，则首先在阴模内设置金属防护层4，接着在金属防护层4上铺设先前形成的胶囊状电加热结构，最后铺设基体结构5。同样地，将如上所述形成的组合放入热压罐进行热固化，从而牢固地形成一体。采用阴模法能够确保复合材料结构与金属防护层更好地贴合，电加热单元的迎风面更平整，也更有利于传热。

其中基体结构由碳纤维和/或玻璃纤维制成。

由此可知，本发明的加工方法仅需在最后的步骤中使用热压罐进行一次热固化。而在现有在阳模加工中，基体结构与第一绝缘材料层铺设好之后以及在最后的金属防护层铺设好之后均需放入热压罐进行热固化。与现有技术相比，本发明的方案显著节约了工序，降低了工艺成本。

此外，柔态转膜中的软质薄膜材料可以为PEEK、PEKK、特氟龙或玻璃纤维结构层等，其具有良好的热塑性和绝缘性，且与复合材料的树脂能够较为完美的贴合，不会造成复合材料结构内部分层和强度降低，同时防止了电加热膜对于复合材料树脂直接接触造成的烧蚀。

该发明可减少功能单元成型过程中，进热压罐的次数，与现有技术相比其仅需要进一次热压罐热固成型；同时，产品最终集成过程中，胶囊状的电加热膜结构作为复合材料结构功能单元铺层过程中的一道工序，而无需产品基体结构在复材制造厂和喷涂单位之间流转。从而可降低功能单元的加工制造周期和成本。

以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。