微波-压力罐成型高性能复合材料构件的方法和装置制造方法
【专利摘要】一种微波-压力罐成型高性能复合材料构件的方法和装置，它主要包括：冷却系统（2），储气罐（6），微波传输线（9），微波辐射天线（10），压力安全阀（11），多边形多模谐振腔（14），微波发生及测量模块（17），温度测量及控制模块（18），抽真空及控制模块（19），压力测量及控制模块（20），电源模块（21），物料平台（23），成型模具（24），温度传感器（26），罐体（28）等。该设备为高性能复合材料构件的微波成型设备，将未固化的复合材料构件放置到此设备中，采用真空袋抽真空、气体加压和微波加热工艺技术，实现高性能复合材料构件的快速成型，能提高复合材料构件的质量和性能。
【专利说明】微波-压力罐成型高性能复合材料构件的方法和装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种复合材料制造设备，尤其是一种复合材料固化成型设备，具体地说是一种利用微波来快速固化复合材料的微波-压力罐成型高性能复合材料构件的装置及方法。
【背景技术】
[0002]纤维增强树脂基复合材料具有高比强度和比刚度、质量轻、耐热、耐腐蚀、抗疲劳、减震性能好等优点，广泛用于航空航天领域、交通运输、风力发电、电子电力等领域。预浸料则是把强化纤维(碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维)浸溃在基体(环氧树脂、聚酯树脂、热可塑性树脂等)中制成的预浸料片材产品，是复合材料的中间材料。
[0003]由于复合材料具有上述优异的性能，故针对不同的复合材料构件发展出了不同的成型方法。其中，热压罐成型方法在航空航天、汽车制造和石油化工等领域有着非常广泛的应用。尤其是在航空航天领域已经成为最为重要的成型工艺。但热压罐成型技术存在诸多的问题和缺陷:(1)热压罐固化时间长、能耗高及资源利用率低。热压罐工艺主要以对流换热的形式从外到里加热构件，温度差异是引起其内部热传导发生的根本原因。复合材料成型固化时间长，并需要保证足够的温度均匀性。这种加热方式效率低，时间长，温度控制具有滞后性，大量的能源被消耗。(2)热压罐成型大尺寸和厚度的构件会出现无法接受的温度梯度和比较差的压实度。大尺寸复杂复合材料的成型需要复杂的模具型面和支撑，热传导和表面的对流换热困难，构件的温度均匀性差。最终将导致构件产生残余应力和变形。厚层合板在固化中温度梯度会导致粘性和固化度的各向异性，温度峰值首先出现在层板表面附近，然后向中央扩散，且几何形态对固化厚截面层板内部微裂纹的发展和脱胶有显著影响。同时，热压罐共固化的复合材料胶结界面存在一些缺陷，力学性能不够理想，影响复合材料的质量和使用寿命。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对现有的预浸料复合材料构件成型中使用的热压罐成型装置存在能耗大，时间长，均匀性差，难以对大型厚壁件进行理想成型的问题，设计一种利用微波特点快速成型、且穿透力强，材料厚度方向温差小、一致性的、能显著提高成型效率和质量的节能型微波-压力罐成型高性能复合材料构件的装置。
[0005]本发明的技术方案是之一:
一种微波-压力罐成型高性能复合材料构件的装置，它包括安装平台I和安装在平台I上的圆形罐体28、储气罐6和冷却系统2，其特征是所述的圆形罐体28中安装有多边形多模谐振腔14 ;冷却进水管3、冷却排水管5、进气管7与排气管12均与罐体焊接密封；与冷却系统2相连的冷却进水管3及冷却排水管5分别连接罐体内的冷却水管13的两端，冷却水管13周围铺放有保温棉；冷却进水管3、冷却排水管5与进气管7上均安装有调节流量的电控调节阀4 ;储气罐6与为其充气的空气压缩机29相连；圆形罐体28安装有保障其内部压力不超过安全值的压力安全阀11;;发生并测量入射和反射微波的微波发生及测量模块17与微波传输线9连接，微波能量通过微波传输线9穿过微波馈入通道8并最终经微波辐射天线10传输并辐射到多边形多模谐振腔14中；温度测量及控制模块18连接安装在多边形多模谐振腔14中的温度传感器26 ;抽真空及控制模块19连接安装在多边形多模谐振腔14中的抽测真空接头16 ;压力测量及控制模块20与多边形多模谐振腔14中安装有压力传感器31相连；所有管路及电线由管路及电缆22部分连接到各个模块，在多边形多模谐振腔14中安装有物料平台23，物料平台23上安装有成型模具24。
[0006]所述的微波发生及测量模块17是功率可调的微波发生源，其微波的频率范围包括:300MHz至300GHz，加热时，微波频率可固定或线性或非线性变化，变化范围为:0至1GHz，进入多边形多模谐振腔14中的微波包括TEM波，TE波，TM波中的至少一种。
[0007]所述的微波能量由微波馈入通道8为能够穿过并密封微波传输线9的圆形承压管道，微波传输线9为波导或同轴电缆，微波辐射天线10为圆环天线、螺线天线、波导缝隙天线、微波贴片天线、微带缝隙天线、喇叭天线和抛物面天线中的一种或多种。
[0008]所述的多边形多模谐振腔14的截面形状为三边形、四边形、五边形、六边形、七边形、八边形、九边形或十边形中的一种；成型模具24由碳纤维增强复合材料或玻璃纤维增强复合材料或陶瓷材料或石英材料或耐高温水泥材料或耐高温石膏材料中的一种制造而成。
[0009]所述的温度传感器26实时测量复合材料构件一个或多个点的温度；测量的温度反馈到控制系统，实时调整微波加热温度，实现高精度的温度控制，所述的温度传感器为热电偶、热敏电阻、红外传感器、光纤突光传感器和光纤光栅传感器中的一种或多种。
[0010]所述的冷却系统2采用制冷剂或水作为制冷介质，将冷却排水管5中的热水冷却后送入冷却进水管3中，循环使用，制冷剂采用氟利昂或R134a。
[0011]整个装置采用手动控制和自动控制两种模式，自动模式下由上位机软件操作界面控制设备运行，两种模式下设备的数据和运行状况都显示到软件界面。
[0012]所述的复合材料为纤维增强树脂基复合材料、晶须增强树脂基复合材料、纤维增强陶瓷基复合材料和晶须增强陶瓷基复合材料中的一种。
[0013]本发明的技术方案是之二:
(1)准备成型模具和未固化的复合材料构件，铺放真空袋，埋放温度传感器26后抽真空压实，放置到物料平台23上；
(2)启动上述的微波-压力罐成型高性能复合材料构件的装置，输入加热温度工艺曲线、抽真空曲线和加压曲线。设备自动控制，实时显示固化过程中的数据，并记录。固化完成后，设备自动停止，关闭微波，释放罐内压力。
[0014](3)打开罐门，将复合材料取出，构件固化成型完成。
[0015]本发明的有益效果:
由于微波加热技术是以低频电磁波穿透材料，将微波能转变成热能，对材料里外进行均匀加热的技术。因此具有微波加热固化时间短、温度易于控制、能耗低，适于成型大尺寸且较厚的复杂构件的优点。微波的穿透性及其良好的能量转化效率使得微波固化的时间极短，平均固化时间只有热压罐的1/10不到。且微波加热中消耗的功率几乎都使被加热物升温，加热室内的空气与相应的容器都不会发热，所以具有极高的生产效率和能源利用率，生产环境也明显改善。
[0016]本发明的能耗仅为同类成型工艺的30%。
[0017]实验证明，本发明能成型大尺寸和厚度的构件不会出现无法接受的温度梯度和比较差的压实度。本发明解决了大尺寸复杂复合材料的成型需要复杂的模具型面和支撑，热传导和表面的对流换热困难，构件的温度均匀性差的问题。构件内产生的残余应力和变形极小，仅为同类方法的20%左右。能消除厚层合板在固化中产生的温度梯度，使粘性和固化度的各向同性，消除了几何形态对固化厚截面层板内部微裂纹的发展和脱胶的影响。同时，具有力学性能好，所得复合材料的质量高，使用寿命可延长2倍以上。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明的结构示意图。
[0019]图中:1、设备平台，2、冷却系统，3、冷却进水管，4、电控调节阀，5、冷却排水管，6、储气罐，7、进气管，8、微波馈入通道，9、微波传输线，10、微波辐射天线，U、压力安全阀，12、排气管，13、冷却水管，14、多边形多模谐振腔，15、抽真空管，16、抽测真空接头，17、微波发生及测量模块，18、温度测量及控制模块，19、抽真空及控制模块，20、压力测量及控制模块，21、电源模块，22、管路及电缆，23、物料平台，24、成型模具，25、复合材料，26、温度传感器，27、温度传感器接口，28、罐体，29、空气压缩机，30、储气罐进气管，31、罐内压力传感器。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0021]如图1所示。
[0022]一种微波-压力罐成型高性能复合材料构件的装置，它包括安装平台I和安装在平台I上的圆形罐体28、储气罐6和冷却系统2，所述的圆形罐体28中安装有多边形多模谐振腔14 ;冷却进水管3、冷却排水管5、进气管7与排气管12均与罐体焊接密封；与冷却系统2相连的冷却进水管3及冷却排水管5分别连接罐体内的冷却水管13的两端，冷却水管13周围铺放有保温棉；冷却进水管3、冷却排水管5与进气管7上均安装有调节流量的电控调节阀4 ;储气罐6与为其充气的空气压缩机29相连；圆形罐体28安装有保障其内部压力不超过安全值的压力安全阀11 ;;发生并测量入射和反射微波的微波发生及测量模块17与微波传输线9连接，微波能量通过微波传输线9穿过微波馈入通道8并最终经微波辐射天线10传输并辐射到多边形多模谐振腔14中；温度测量及控制模块18连接安装在多边形多模谐振腔14中的温度传感器26 ;抽真空及控制模块19连接安装在多边形多模谐振腔14中的抽测真空接头16 ;压力测量及控制模块20与多边形多模谐振腔14中安装有压力传感器31相连；所有管路及电线由管路及电缆22部分连接到各个模块，在多边形多模谐振腔14中安装有物料平台23，物料平台23上安装有成型模具24。
[0023]如图1所示，整个装置放置在设备平台I上，圆形罐体28中设置有多边形多模谐振腔14 ;冷却进水管3、冷却排水管5、进气管7与排气管12均与罐体焊接密封；冷却进水管3与冷却排水管5连接罐体内的冷却水管13，冷却水管周围铺放保温棉；冷却进水管3、冷却排水管5与进气管7均有电控调节阀4调节流量；由空气压缩机29为储气罐6充气，直到气压达到设定值；压力安全阀11保障罐体的压力不超过安全值；微波能量通过微波馈入通道8，微波传输线9和微波辐射天线10传输并辐射到多边形多模谐振腔14中；微波发生及测量模块17连接微波传输线9，发生并测量入射和反射微波；温度测量及控制模块18连接温度传感器26 ;抽真空及控制模块19连接抽测真空接头16 ;压力测量及控制模块20连接罐内压力传感器31 ;所有管路及电线由管路及电缆22部分连接到各个模块。所述的各模块均可采用现有技术自行设计制造，它们可与装置的控制系统集成安装在电气控制柜中，通过导线与各执行机构电气连接。其中的微波发生及测量模块17是功率可调的微波发生源，其微波的频率范围包括:300MHz至300GHz。加热时，微波频率可固定或线性或非线性变化，变化范围为:0至1GHz。多模谐振腔体中的微波包括TEM波，TE波，TM波中的至少一种模式。微波能量由微波馈入通道8、微波传输线9和微波辐射天线10传递到多边形多模谐振腔14中。微波馈入通道8为能够穿过并密封微波传输线9的圆形承压管道，微波传输线9可以为波导或同轴电缆，微波辐射天线10可以为圆环天线、螺线天线、波导缝隙天线、微波贴片天线、微带缝隙天线、喇叭天线和抛物面天线中的一种或多种。多边形多模谐振腔14的截面形状包括:二边形、三边形、四边形、五边形、六边形、七边形、八边形、九边形和十边形中的一种，边长任意。成型模具24由碳纤维增强复合材料或玻璃纤维增强复合材料或陶瓷材料或石英材料或耐高温水泥材料或耐高温石膏材料，中的一种制造而成。微波加热过程中，采用温度传感器26实时测量复合材料构件一个或多个点的温度。测量的温度反馈到装置的控制系统，实时调整微波加热温度，实现高精度的温度控制。其中温度传感器包括热电偶、热敏电阻、红外传感器、光纤突光传感器和光纤光栅传感器中的一种或多种。整个系统可采用手动控制和自动控制，自动模式下由上位机软件操作界面控制设备运行，两种模式下设备的数据和运行状况都显示到软件界面。冷却系统2采用制冷剂或水作为制冷介质，将冷却排水管5中的热水冷却后送入冷却进水管3中，循环使用。制冷剂采用氟利昂或R134a。复合材料可以为纤维增强树脂基复合材料、晶须增强树脂基复合材料、纤维增强陶瓷基复合材料和晶须增强陶瓷基复合材料中的一种。
[0024]使用本发明的装置对复合材料预浸料进行固化成型的工艺方法步骤如下:
如图1所示，准备好满足构件制造要求的模具后，在模具表面涂刷脱模剂。脱模剂均匀涂抹在模具表面。等待脱模剂完全凝固干燥后，将未成型的复合材料构件铺放到模具表面。铺层完毕后，采用真空袋抽真空。本实施例采用碳纤维增强树脂基复合材料，在复合材料模具上铺放未固化的预浸料后，铺放真空压实辅助的脱模布、带孔隔离膜和透气毡等，然后真空袋沿模具周围用密封胶带密封，在模具边缘处安放真空阀抽真空。
[0025]将上述步骤中铺放好的复合材料放置到图1中的物料平台23上，接通罐内真空管15。关好罐体罐门，启动设备，选择自动控制。在上位机操作界面输入温度、真空和压力参数，设备自动运行完成复合材料固化。本实施例中，温度参数为1°C /min升温到90°C保温30分钟，10C /min升温到120度，保温60分钟，1.5°C /min降温至室温。真空从升温开始，始终保持-0.99MPa，降温时停止，压力从90°C保温阶段开始，施加0.6MPa大气压，降温段开始时，以0.01Mpa/min速率泄压至常压。工艺完成后，打开罐门将复合材料取出，构件固化成型完成。
[0026]本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
【权利要求】
1.一种微波-压力罐成型高性能复合材料构件的装置，它包括安装平台(I)和安装在平台(I)上的圆形罐体(28 )、储气罐(6 )和冷却系统(2 )，其特征是所述的圆形罐体(28 )中安装有多边形多模谐振腔(14);冷却进水管(3)、冷却排水管(5)、进气管(7)与排气管(12)均与罐体焊接密封；与冷却系统(2 )相连的冷却进水管(3 )及冷却排水管(5 )分别连接罐体内的冷却水管(13)的两端,冷却水管(13)周围铺放有保温棉；冷却进水管(3)、冷却排水管(5)与进气管(7)上均安装有调节流量的电控调节阀(4);储气罐(6)与为其充气的空气压缩机(29 )相连；圆形罐体(28 )安装有保障其内部压力不超过安全值的压力安全阀(11);；发生并测量入射和反射微波的微波发生及测量模块(17)与微波传输线(9)连接，微波能量通过微波传输线(9)穿过微波馈入通道(8)并最终经微波辐射天线(10)传输并辐射到多边形多模谐振腔(14)中；温度测量及控制模块(18)连接安装在多边形多模谐振腔(14)中的温度传感器(26);抽真空及控制模块(19)连接安装在多边形多模谐振腔(14)中的抽测真空接头(16);压力测量及控制模块(20)与多边形多模谐振腔(14)中安装有压力传感器(31)相连；所有管路及电线由管路及电缆(22)部分连接到各个模块，在多边形多模谐振腔(14)中安装有物料平台(23)，物料平台(23)上安装有成型模具(24)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述的微波发生及测量模块(17)是功率可调的微波发生源，其微波的频率范围包括:300MHz至300GHz，加热时，微波频率可固定或线性或非线性变化，变化范围为:0至1GHz，进入多边形多模谐振腔(14)中的微波包括TEM波，TE波，TM波中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述的微波能量由微波馈入通道(8)为能够穿过并密封微波传输线(9)的圆形承压管道，微波传输线(9)为波导或同轴电缆，微波辐射天线(10)为圆环天线、螺线天线、波导缝隙天线、微波贴片天线、微带缝隙天线、喇叭天线和抛物面天线中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述 的装置，其特征是所述的多边形多模谐振腔(14)的截面形状为三边形、四边形、五边形、六边形、七边形、八边形、九边形或十边形中的一种；成型模具(24)由碳纤维增强复合材料或玻璃纤维增强复合材料或陶瓷材料或石英材料或耐高温水泥材料或耐高温石膏材料中的一种制造而成。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述的温度传感器(26)实时测量复合材料构件一个或多个点的温度；测量的温度反馈到控制系统，实时调整微波加热温度，实现高精度的温度控制，所述的温度传感器为热电偶、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。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述的冷却系统(2)采用制冷剂或水作为制冷介质，将冷却排水管(5)中的热水冷却后送入冷却进水管(3)中，循环使用，制冷剂采用氟利昂或Rl34a。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征是整个装置采用手动控制和自动控制两种模式，自动模式下由上位机软件操作界面控制设备运行，两种模式下设备的数据和运行状况都显示到软件界面。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述的复合材料为纤维增强树脂基复合材料、晶须增强树脂基复合材料、纤维增强陶瓷基复合材料和晶须增强陶瓷基复合材料中的一种。
9.一种微波-压力罐成型高性能复合材料构件的方法，其特征是它包括以下步骤: (1)准备成型模具和未固化的复合材料构件，铺放真空袋，埋放温度传感器(26)后抽真空压实，放置到物料平台(23)上； (2)启动权利要求1-8所述的微波-压力罐成型高性能复合材料构件的装置，输入加热温度工艺曲线、抽真空曲线和加压曲线；设备自动控制，实时显示固化过程中的数据，并记录；固化完成后，设备自动停止，关闭微波，释放罐内压力； (3 )打开 罐门，将复合材料取出，构件固化成型完成。
【文档编号】B29C70/54GK103587128SQ201310480701
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年10月15日 优先权日:2013年10月15日
【发明者】李迎光, 李楠垭 申请人:南京航空航天大学