一种复合能场加热方法_2

文档序号:9900713阅读:来源:国知局
得来自于微波发生器I中的微波并不直接从缝隙处进入吸波材料中,而是经过在微波腔内的均匀分散后再从缝隙进入吸波材料中;使得本发明提供的微波定点加热方法更为稳定可控;且微波发生器置于微波腔顶部还便于操作。
[0022]在一种具体的实施方式中,微波频率为2450±50兆赫或915±25兆赫,且所述缝隙的长宽比为2 2: I,优选25:1,更优选210:1。当然,所述微波频率还可以是433兆赫或5800兆赫等用于工业加热的常用频率。优选地,所述缝隙的长度为2 20mm,优选2 40mm,更优选2 80mm,且缝隙的宽度为I?30mm。本发明中,微波频率为2450兆赫或915兆赫时,二者的波长分别为12.245cm和32.8cm。本发明中,微波能穿过比微波波长更短的所述缝隙,但微波不能透过直径小至一定程度的孔,例如孔直径在微波波长的1/4以下时,微波难以透过,或者微波透过该孔后的能量大幅衰减。本发明中,使用长宽比比值较高的缝隙透过微波时,对吸波材料的定点加热效果越好。
[0023]本发明中,所述缝隙为矩形、菱形、梯形、弧线形或异形,这在本发明中不受限制,优选所述缝隙为瘦长矩形、菱形或梯形。本发明中,所述缝隙的长宽比是指其长度与缝隙最窄处的比值。本发明中,所述缝隙可以单独存在,每条缝隙均被屏蔽微波区31隔开,也可以是所述缝隙以孔或缺口等其它形式连接在一起,这在本发明中均不受限制。本发明中,微波局部屏蔽件中的屏蔽微波区31可以为金属板、金属箔、金属蜂窝孔板等形式或其组合,例如为铝板、铝箔或蜂窝铝板。但优选本发明中形成屏蔽微波区的材质中包含铝箔、铜箔或锡箔,且其厚度为0.0lmm以上。
[0024]在一种具体的实施方式中,所述吸波材料为包括碳纤维与树脂的复合材料,且在所述微波局部屏蔽件的外侧还设置有用于将微波加热所述吸波材料过程中产生的气体及时抽出的真空袋,优选在所述真空袋的内侧以及微波局部屏蔽件的外侧还设置有透气毡用于抽真空时气体的导流。
[0025]在一种具体的实施方式中,所述透过微波区32的面积占整个微波局部屏蔽件面积的30%以下,优选15%以下,更优选在5%以下。
[0026]在一种具体的实施方式中,所述微波局部屏蔽件中至少部分屏蔽微波区的结构粘贴覆盖在所述吸波材料的外表面上。
[0027]在一种具体的实施方式中,所述复合能场加热装置中还包括控制系统和微波功率控制模块,设置在微波腔外的控制系统通过自动控制微波功率控制模块而自动调节微波发生器的启闭和/或功率大小。本领域技术人员知晓地,所述微波功率控制模块可以整合在控制系统中,也可以独立于控制系统之外。
[0028]使用本发明提供的复合能场加热装置和方法,至少能带来如下有益效果:
[0029]I)本发明提供一种热能场、微波能场和压力场等多场耦合的复合能场加热装置和加热方法,使得加热固化复合材料时制件内部的温度场和固化度均匀。
[0030]2)本发明提供的装置中采用热压罐作为主要加热源对吸波材料进行整体加热,而使用微波定点加热辅助提供能量。本发明能实现吸波材料制件的内部温度均匀分布和制件的内外固化同步,从而大大减少固化后的制件发生分层、变形、开裂、残余应力等各种缺陷,使制件因为内部温度不均匀而导致的报废率得到大幅降低,提高了产品的生产质量和生产效益。
[0031]3)本发明真正实现厚的复合材料和变厚度大型复合材料的温度场均匀,内外同步固化,有助于解决大型复合材料主承力制件形性协同制造难题。本发明可用于生产质量要求苛刻的航空航天制件,对提高航空航天制件的生产质量有着重要的实际意义。
[0032]4)本发明结合计算机自动控制技术,使用本发明提供的复合能场加热装置可以对吸波材料进行自动控制的复合能场加热。
【附图说明】
[0033]图1为本发明提供的一种复合能场加热装置示意图,
[0034]图2为本发明提供的一种微波加热装置示意图,
[0035]图3为本发明提供的另一种微波加热装置示意图,
[0036]图4为本发明提供的另一种微波加热装置示意图,
[0037]图5为本发明提供的又一种微波加热装置示意图,
[0038]图6为向控制系统中输入的定点加热温度变化曲线示意图;
[0039]其中,1、微波发生器,2、微波腔,3、微波局部屏蔽件,31、屏蔽微波区,32、透过微波区,4、测温装置,41、测温头,42、数据采集仪,43、测温传输线,5、真空袋,6、透气毡,7、透波板,8、真空管,9、快接接头,10、密封胶带,11、控制系统,12、微波功率控制模块,111、热压罐,112、透波耐压板,113、裂缝天线,01、吸波材料。
【具体实施方式】
[0040]图1提供了一种复合能场加热装置,包括微波加热装置和热压罐111,所述微波加热装置包括微波发生器1、微波腔2、微波局部屏蔽件3和测温装置4,所述复合能场加热装置还包括控制系统11和微波功率控制模块12;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01,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3由屏蔽微波区31和透过微波区32组成,所述透过微波区32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。图1中所述微波腔中六面体的四个侧面以及底面均设置为通风墙。所述测温装置包含测温头41、数据采集仪42和测温传输线43,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与数据采集仪连接,数据采集仪将采集的数据传输至控制系统,设置在微波腔外的控制系统通过自动控制微波功率控制模块而自动调节微波发生器的启闭和/或功率大小。
[0041 ]图1中的所述吸波材料为碳纤维与树脂组成的复合材料制件,所述复合材料制件的制备方式例如为:先将碳纤维织成织物,再将具有吸波性能的树脂浸润到碳纤维织物中,形成未固化的复合材料制件,该未固化的复合材料制件可以使用透波材料(如玻璃)制成的模具盛装。所述制件包括在下的底座和在上的两个L型件,在两个L型件的底部相接处产生近似三角形的狭缝,因而使用一种预料搓成条(填充物)后填进该狭缝以最终填满该区域,使得终产品没有裂纹。这个狭缝区域无论采用传统加热方式还是使用普通的微波加热均会存在问题,传统加热方式使制件中心处的升温速度比外面部分的升温速度慢,而传统的微波方式中心散热困难,且二者都难以实现对加热进行定点控制。采用本发明提供的装置和方法包括对该处进行定点加热,例如微波局部屏蔽件上的缝隙长度和宽度分别为70mm和2mm,吸波材料制件的总高度为40cm,底板的厚度为5mm,测温头设置在底板上,微波局部屏蔽件上的缝隙设置在该狭缝的正下方,因而测温头与微波局部屏蔽件上的缝隙间的最小距离为5mm。当打开本发明所述微波加热装置后,来自于微波发生器I中的微波通过透波耐压板112和裂缝天线113输入微波腔2,微波能均匀分布在微波腔2中。所述吸波材料的大部分外表面均被微波局部屏蔽件3屏蔽反射,因而微波能只能从所述狭缝处进入微波局部屏蔽件内侧的吸波材料中,因为微波能量有限,因而被某处的吸波材料将微波能几乎吸收殆尽,所述定点吸波处例如为图1中所示的圆形虚线区域。微波加热具有热惯性小的特点,因而对吸波材料定点或定向加热的可控性极高。本发明中,因为微波发生器产生的微波功率不高,例如控制功率在500w以下,因而并不会出现金属屏蔽件反射微波而打火的情况。常用的情况下,所述微波的功率在100w以内连续可调,例如在500w以内可调,更多的情况下,所述微波的功率为150?500w。另外,图1中显示了设置在吸波材料中不同位置的多个测温头通过不同的测温传输线将该处的温度实时传出。
[0042]本发明中通过同时对吸波材料进行微波定点加热和热压罐整体加热,使得吸波材料的加热(如复合材料的加热固化)能真正做到各处均匀一致。
[0043]图2中示意性地提供了复合能场加热装置中的一种微波加热装置,其中所述微波腔为仅在六面体的四个侧壁开有通风窗的微波腔。
[0044]图3提供了一种更为具体的微波加热装置,装置中还包括透波板7,透波板设置在微波腔2内,具体是悬空固定在微波腔的侧壁上,用于放置吸波材料;所述缝隙开在所述微波局部屏蔽件的底部,且微波腔内微波入口位于其顶部;装置中还包括用于将微波加热所述吸波材料过程中产生的气体及时抽出的真空袋5,以及在所述真空袋
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