一种复合能场加热方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及加热领域，具体涉及一种复合能场加热装置及方法。
【背景技术】
[0002]复合材料(如包含碳纤维织物和树脂的复合材料)的固化过程是一个复杂的热、化学和机械性能急剧变化的过程。特别对于大尺寸制件，由于其结构的复杂性，如变厚度、多界面、变结构(C型、工型、J型、T型)，以及制造工艺环境的不均匀性，制件在固化过程中不同部位处的温度和压力分布难以保持一致，从而导致树脂流动的不均匀和固化效应的不同步，容易产生分层、孔隙和纤维宏观滑移等缺陷，降低制件性能；同时，由于材料的力学性能各向异性、固化收缩非均匀性以及模具的约束作用，导致制件内应力分布不均，极易出现翘曲变形，制件成形的确定性差。
[0003]尽管热压罐内的空气温度和固化压力分布均匀，但目前大范围使用的热压罐成型工艺用来加热和固化复合材料厚件或者变厚度的制件时，因为复合材料是热的不良导体，当制件厚度比较厚或厚度不均匀时，在热压罐内加热、固化的过程中，制件表面与内部存在较大的温差，制件内部升温速度明显滞后，制件整体温度场极不均匀，制件表面与内部的固化不同步，增大了复合材料基体的固化收缩非均匀性，从而导致固化后的制件发生分层、变形、开裂、残余应力等各种缺陷。严重时，甚至使整个制件报废。这些情况的存在，使得生产对质量要求苛刻的航空航天制件时，保证产品的生产质量和生产效益难度十分大。
[0004]微波具有对某些材料进行选择性加热、加热速度快、加热均匀、穿透性强、热惯性小等优点，将微波技术应用于复合材料固化领域，能显著减少固化时间，降低生产成本，获得优异的制品性能，具有巨大的发展潜力。
[0005]国内外已在复合材料固化领域展开了大量研究，并取得了丰硕的成果。如中国专利申请CN201410295387提供一种微波-压力固化复合材料的温度均匀分布方法及成套固化装置，所述方法是在压力容器罐体中采用多边形腔体使得微波在腔体中发生多次反射，提高微波入射到复合材料的均匀性。同时在腔体的前后设置波导窗，气体介质可流动到腔体中，与复合材料发生对流换热，进一步提高材料的温度均匀性，并可实现压力容器内的气体在复合材料加热固化时施加压力。所述的装置主要包括多边形腔体和电磁屏蔽窗。该发明可提高复合材料构件的温度均匀性，降低微波固化复合材料构件的翘曲变形。
[0006]专利申请CN201410471231、CN201410471234 和 CN201510109343 等文件中也公开了使用热压罐与微波结合用于加热固化复合材料的技术。
[0007]但使用这些上述装置或方法对复合材料进行复合能场加热固化时，即同时使用微波方式和传统方式(热压罐)对复合材料进行加热固化，都会使得加热固化情况并不能良好的受控，使得复合材料进行复合能场加热固化的实际结果与理想值和设计值相距甚远。如何让大型厚制件和大型变厚度制件内部温度场均匀，目前还没有一个既能很快实现厚制件升温，又能保证制件中各点的温度差异非常小的办法。因此，本领域需要针对这种情况而开发一种特别的复合能场加热装置及复合能场加热方法。
【发明内容】
[0008]因此，本发明提供一种复合能场加热方法，包括使用微波加热装置对吸波材料进行定点或定向加热以及使用热压罐对吸波材料进行整体加热，所述方法采用一种复合能场加热装置完成;所述复合能场加热装置包括微波加热装置和热压罐，所述微波加热装置包括微波发生器、微波腔和微波局部屏蔽件，所述微波发生器向微波腔内发送微波，微波腔内用于放置吸波材料，所述微波局部屏蔽件位于微波腔内且用于覆盖在吸波材料的外表面，所述微波局部屏蔽件由屏蔽微波区和透过微波区组成，所述透过微波区包含一条或多条缝隙使得微波腔内的微波能从缝隙处进入吸波材料中而被其吸收;所述微波腔整体设置在热压罐内且在二者间留有气流通道，所述微波腔上含有一个或多个由金属蜂窝板构成的通风窗或通风墙，用于在屏蔽微波的同时可使得热压罐内的微波腔内外侧气流畅通。
[0009]本发明中，复合材料不再直接暴露于微波场中完成固化。本发明中，所述热压罐为本领域技术人员可知的普通热压罐，其可为吸波材料提供传统的电加热和气体增压。
[0010]本领域技术人员知晓地，微波通常呈现穿透、反射和吸收三个基本特性。对于玻璃、部分塑料和陶瓷，微波几乎是穿越而不被吸收;对于水和食物等吸波材料就会吸收微波而使其自身发热；而对金属类物质，则会反射微波。自然界中到处都有微波，但存在于自然界的微波，因为分散不集中，故不能用于加热物品。微波炉是利用其内部的磁控管，将电能转变成微波，例如以2450MHZ的振荡频率穿透食物，当微波被吸波材料吸收时，吸波材料内的极性分子(如水、脂肪、蛋白质、糖等)即被吸引以每秒24亿5千万次的速度快速振荡，这种震荡的宏观表现就是吸波材料被加热了；这就是微波加热的大致原理。
[0011]本发明中，所述吸波材料是指该材料中至少有一种组分能吸收一定频率的微波。本领域技术人员能理解的，本发明中，微波能从缝隙处进入吸波材料中而被吸波材料定点吸收，所述定点吸收的概念是宏观的定点概念，也就是使用本发明中提供的装置对吸波材料加热时，并不会只对某个点进行加热，而是对某个指定的区域进行加热。
[0012]在一种具体的实施方式中，所述微波加热装置中还包括测温装置，所述测温装置包含测温头和测温传输线，所述测温头设置在微波局部屏蔽件内侧的吸波材料中，所述测温传输线一端与测温头连接，另一端引出至所述微波腔外侧。
[0013]本发明方案中，在对吸波材料的加热性能以及本发明所述微波加热装置(微波局部屏蔽件)的性能熟悉之前，均需要使用测温装置4来研究和探求一个合适的吸波材料的加热或固化方法。而在研发人员对上述性能均掌握清楚后，则无需再在吸波材料中设置测温头，此时通过及时调节微波功率即可实现对吸波材料的可控的定点加热和固化。本发明中，在所述吸波材料(如碳纤维与树脂的复合材料)加热固化后，因测温头无法再取出而会在产品中形成一个小的瑕疵点。因而在实验室探究出各测温点与本发明中微波加热装置的对应关系后形成经验参数;工业生产过程中，均通过所述经验参数调控微波频率即可，而不再需要在所述复合材料中设置测温头，从而避免在产品中形成小的瑕疵点。
[0014]本发明中，所述测温装置包括热电偶、热敏电阻、红外传感器、光纤荧光传感器和光纤光栅传感器中的一种或多种。若测温装置中包括金属电线，则需要对该金属电线进行微波屏蔽处理。而若采用光纤线，则无需对测温装置进行微波屏蔽。
[0015]在一种具体的实施方式中，有测温头设置在吸波材料中的定点吸波处，且所述测温头与微波局部屏蔽件上缝隙间的距离为I 2mm。
[0016]本发明中，所述微波腔接受来自微波发生器中的微波且在工作过程中将微波能全部屏蔽在微波腔中。所述微波腔包括炉门，所述炉门设置在微波腔的侧壁、底板或顶板上，这在本发明中均不受限制。
[0017]因此，本发明提供的复合能场加热装置和方法使得微波可以针对复合材料制件的局部进行特别加热和固化，在将某种具体(形状、材质和尺寸)的复合材料工件的加热参数研究清楚后，结合使用热压罐对工件进行整体加热，可使得加热固化过程整体均匀可控，从而得到高性能的制件产品。
[0018]在一种具体的实施方式中，所述微波发生器设置在所述热压罐外且微波发生器发出的微波通过包括透波耐压板和裂缝天线的微波传导部件导入所述微波腔内。所述微波传导部件均具体可以使用现有技术中的部件，如专利申请CN201410471231、CN201410471234和CN201510109343等文件中公开的任意方式。
[0019]在一种具体的实施方式中，所述微波发生器的功率可调节，优选其功率线性可调，例如在100?600w间均线性可调。所述微波发生器的功率例如可以在1500w以内均可调节，在一种具体的实施方式中，所述微波发生器的功率在100?500w间为更常用的功率。
[0020]在一种具体的实施方式中，所述复合能场加热方法中包括微波加热装置对吸波材料进行定点或定向加热的同时热压罐对吸波材料进行整体加热。本发明中，可以先对吸波材料中的局部位置进行定点或定向加热固化，再使用热压罐对吸波材料进行整体加热固化;或者是相反的过程。但本发明中更优选的是这两个过程同时进行，以使得所得固化产品中温度场的分布最为均勾，产品质量最高。
[0021]在一种具体的实施方式中，微波腔内还设置有悬空固定在微波腔的侧壁、底板或顶板上且用于放置吸波材料的透波板，所述缝隙开在所述微波局部屏蔽件的底部，且微波腔内的微波入口位于微波腔顶部。如此设置方式使