專利名稱：微波固化纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料加工裝置及加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料的加工裝置及加工方法，尤其涉及一種微波固化纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料加工裝置及加工方法。
背景技術(shù)：
纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度和比剛度、質(zhì)量輕、耐熱、耐腐蝕、抗疲勞、減震性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于航空航天領(lǐng)域、交通運(yùn)輸、風(fēng)カ發(fā)電、電子電カ等領(lǐng)域。預(yù)浸料則是把強(qiáng)化纖維(碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維)浸潰在基體(環(huán)氧樹(shù)脂、聚酯樹(shù)脂、熱可塑性樹(shù)脂等)中制成的預(yù)浸料片材產(chǎn)品，是復(fù)合材料的中間材料。 由于復(fù)合材料具有上述優(yōu)異的性能，故針對(duì)不同的復(fù)合材料構(gòu)件發(fā)展出了不同的成型方法。其中，熱壓罐成型方法在航空航天、汽車制造和石油化工等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。尤其是在航空航天領(lǐng)域已經(jīng)成為最為重要的成型エ藝。但熱壓罐成型技術(shù)存在諸多的問(wèn)題和缺陷(1)熱壓罐固化時(shí)間長(zhǎng)、能耗高及資源利用率低。熱壓罐エ藝主要以對(duì)流換熱的形式從外到里加熱構(gòu)件，溫度差異是引起其內(nèi)部熱傳導(dǎo)發(fā)生的根本原因。復(fù)合材料成型固化時(shí)間長(zhǎng)，并需要保證足夠的溫度均勻性。這種加熱方式效率低，時(shí)間長(zhǎng)，溫度控制具有滯后性，大量的能源被消耗。(2)熱壓罐成型大尺寸和厚度的構(gòu)件會(huì)出現(xiàn)無(wú)法接受的溫度梯度和比較差的壓實(shí)度。大尺寸復(fù)雜復(fù)合材料的成型需要復(fù)雜的模具型面和支撐，熱傳導(dǎo)和表面的對(duì)流換熱困難，構(gòu)件的溫度均勻性差。最終將導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生殘余應(yīng)カ和變形。厚層合板在固化中溫度梯度會(huì)導(dǎo)致粘性和固化度的各向異性，溫度峰值首先出現(xiàn)在層板表面附近，然后向中央擴(kuò)散，且?guī)缀涡螒B(tài)對(duì)固化厚截面層板內(nèi)部微裂紋的發(fā)展和脫膠有顯著影響。同吋，熱壓罐共固化的復(fù)合材料膠結(jié)界面存在一些缺陷，力學(xué)性能不夠理想，影響復(fù)合材料的質(zhì)量和使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述不足提供了一種微波固化纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料加工裝置及加工方法。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明所述的微波固化纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料加工裝置，包括微波源水冷接ロ，微波源電氣接ロ，磁控管，磁控管天線，矩形波導(dǎo)管，多邊形多模諧振腔，罐體，復(fù)合材料，真空管，真空管接頭，真空閥，工作臺(tái)，模具；所述的罐體布置多邊形多模諧振腔，包括微波源水冷接ロ、微波源電氣接ロ與磁控管連接，磁控管布置在罐體的外側(cè)，磁控管通過(guò)磁控管天線與矩形波導(dǎo)管連接，矩形波導(dǎo)管布置在多邊形多模諧振腔的外側(cè)，多邊形多模諧振腔的內(nèi)側(cè)壁上布置真空管接頭，多邊形多模諧振腔內(nèi)放置工作臺(tái)，模具放置在工作臺(tái)上，模具內(nèi)放置復(fù)合材料、且上端布置真空閥，真空閥通過(guò)真空管與真空管接頭連接。本發(fā)明所述的微波固化纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料加工裝置，還包括壓カ表，控制柜，真空泵，空氣壓縮機(jī)；所述的控制柜布置在罐體的外側(cè)，真空泵的氣體輸出端延伸入多邊形多模諧振腔內(nèi)，空氣壓縮機(jī)的氣體輸入端延伸入多邊形多模諧振腔內(nèi)，控制柜內(nèi)控制模塊控制真空泵與空氣壓縮機(jī)，壓カ表與多邊形多模諧振腔連接。本發(fā)明所述的微波固化纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料加工裝置，還包括紅外測(cè)溫探頭，泄壓閥；所述的紅外測(cè)溫探頭布置在多邊形多模諧振腔的外側(cè)的頂端，泄壓閥布置在罐體的外壁上；
本發(fā)明所述的微波固化纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料加工裝置，所述的多邊形多模諧振腔內(nèi)的微波是TEM波或TE波或TM波。本發(fā)明所述的微波固化纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料加工裝置，所述的多邊形多模諧振腔的形狀是六邊形長(zhǎng)方體或矩形長(zhǎng)方體。 本發(fā)明所述的微波固化纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料加工裝置的制備方法，其特征在于步驟如下
1)、制備材料，在模具上涂抹脫模劑，將復(fù)合材料放置在脫模劑上，復(fù)合材料上覆蓋脫模布，脫模布上放置帶孔隔離膜，帶孔隔離膜的上方覆蓋透氣氈；
2)、用真空袋罩蓋整個(gè)復(fù)合材料及脫模布、帶孔隔離膜、透氣氈，使用密封膠帶將真空袋，固定在模具；
3)、在真空袋上端布置真空閥，真空閥上安裝快速接頭，加工材料制備完成；
4)、將上述制備完成的復(fù)合材料放入工作臺(tái)，將裝快速接頭接入真空管；
5)、將其真空袋抽至真空，通過(guò)空氣壓縮機(jī)對(duì)多邊形多模諧振腔(6)內(nèi)填充壓縮空氣或惰性氣體；
6)、啟動(dòng)微波設(shè)備對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行加熱，紅外測(cè)溫探頭實(shí)時(shí)測(cè)量其復(fù)合材料的溫度，保證固化過(guò)程的可控性；
7)、加熱完成后，打開(kāi)泄壓閥釋放罐體內(nèi)壓力，取出復(fù)合材料直至冷卻，制備完成。有益效果
本發(fā)明提供的微波固化纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料加工裝置及加工方法；該方法采用功率線性可調(diào)的微波加熱和抽真空加壓固化成型復(fù)合材料，在短時(shí)間內(nèi)完成纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的成型，提高構(gòu)件的質(zhì)量和性能。該裝置可以成型高性能、尺寸穩(wěn)定性好、內(nèi)應(yīng)カ和變形小的纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料。同時(shí)極大的縮短了生產(chǎn)時(shí)間，提高了能源利用率。實(shí)現(xiàn)了纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的快速固化成型。采用先進(jìn)的多邊形微波多模諧振腔體外加圓柱形罐體的結(jié)構(gòu)方式，實(shí)現(xiàn)裝置內(nèi)電磁場(chǎng)的均勻性和保證壓カ容器的安全性。該方法和裝置可以解決傳統(tǒng)熱壓罐成型方法制造纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)間長(zhǎng)、能耗高、構(gòu)件固化變形嚴(yán)重，內(nèi)應(yīng)カ較大以及模具支撐復(fù)雜的問(wèn)題，提高復(fù)合材料構(gòu)件的質(zhì)量和性能。


圖I是本發(fā)明微波固化纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料加工裝置橫截面示意 圖2是本發(fā)明微波固化纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料加工裝置示意 圖3是本發(fā)明的矩形波導(dǎo)和模式攪拌器；圖4是本發(fā)明的纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料在模具上鋪放的示意 圖中I是微波源水冷接ロ，2是微波源電氣接ロ，3是磁控管，4是磁控管天線，5是矩形波導(dǎo)管，6是多邊形多模諧振腔，7是紅外測(cè)溫探頭，8是罐體，9是復(fù)合材料，11是真空管，12是真空管接頭，13是壓カ表，14是控制柜，15是真空泵，16是空氣壓縮機(jī)，17是流量計(jì)，18是真空閥，19是工作臺(tái)，20是模具，21是泄壓閥，22是諧振腔密封門(mén)，23是罐體密封門(mén)，24是模式攪拌器，25是門(mén)把手，101是密封膠帶，201是脫模劑，301是脫模布，401是真空袋，501是帶孔隔離膜，701是透氣氈，901是快速接 頭。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一歩詳細(xì)說(shuō)明
如圖I圖2所示微波固化纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料加工裝置，包括微波源水冷接ロI，微波源電氣接ロ 2，磁控管3，磁控管天線4，矩形波導(dǎo)管5，多邊形多模諧振腔6，紅外測(cè)溫探頭7，罐體8，復(fù)合材料9，真空管11，真空管接頭12，壓カ表13，控制柜14，真空泵15，空氣壓縮機(jī)16，流量計(jì)17，真空閥18，工作臺(tái)19，模具20，泄壓閥21，諧振腔密封門(mén)22，罐體密封門(mén)23，模式攪拌器24，門(mén)把手25，密封膠帶101，脫模劑201，脫模布301，真空袋401，帶孔隔離膜501，透氣氈701，快速接頭901。罐體8布置多邊形多模諧振腔6，包括微波源水冷接ロ I、微波源電氣接ロ 2與磁控管3連接，磁控管3布置在罐體8的外側(cè)，磁控管3通過(guò)磁控管天線4與矩形波導(dǎo)管5連接，矩形波導(dǎo)管5布置在多邊形多模諧振腔6的外側(cè)，多邊形多模諧振腔6的內(nèi)側(cè)壁上布置真空管接頭12，多邊形多模諧振腔6內(nèi)放置工作臺(tái)19，模具20放置在工作臺(tái)19上，模具20內(nèi)放置復(fù)合材料9、且上端布置真空閥18，真空閥18通過(guò)真空管11與真空管接頭12連接?？刂乒?4布置在罐體8的外側(cè)，真空泵15的氣體輸出端延伸入多邊形多模諧振腔6內(nèi)，空氣壓縮機(jī)16的氣體輸入端延伸入多邊形多模諧振腔6內(nèi)，控制柜14內(nèi)控制模塊控制真空泵15與空氣壓縮機(jī)16，壓カ表13與多邊形多模諧振腔6連接。紅外測(cè)溫探頭7布置在多邊形多模諧振腔6的外側(cè)的頂端，泄壓閥21布置在罐體8的外壁上。功率線性可調(diào)的微波加熱源，其微波的頻率按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為2. 45GHz或915MHz，微波的功率按腔體的大小和加熱介質(zhì)的升溫エ藝要求，可在O至最大功率之間線性調(diào)節(jié)。多模諧振腔體中的微波包括 Μ波，TE波，TM波中的至少ー種模式。微波固化纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料加工裝置的制備方法，步驟如下
I)、制備材料，纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料，由預(yù)浸料一層ー層鋪疊而成，鋪放方向可各不相同。其中的纖維增強(qiáng)體包括常用的碳纖維、玻璃纖維，芳綸纖維等，以及其他各種可以使用在纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料中的纖維。結(jié)合附圖4說(shuō)明復(fù)合材料在模具上的鋪放過(guò)程。首先，準(zhǔn)備好滿足構(gòu)件制造要求的模具后，在模具表面涂刷脫模劑201。脫模劑分三次均勻涂抹在模具表面，毎次相隔15至30分鐘。等待脫模劑完全凝固干燥后，將纖維增強(qiáng)預(yù)浸料一層層按照エ藝要求，鋪放到模具表面。鋪層完畢后，在復(fù)合材料表面按順序鋪設(shè)脫模布301、帶孔隔離膜501、透氣氈701、真空袋401。 2 )、用真空袋401罩蓋整個(gè)復(fù)合材料及脫模布301、帶孔隔離膜501、透氣氈701，真空袋401沿模具周圍用密封膠帶101，在邊緣處安放真空閥18和快速接頭901 ；3)、在真空袋401上端布置真空閥18，真空閥18上安裝快速接頭901，加工材料制備完
成；
4)、將上述制備完成的復(fù)合材料放入工作臺(tái)19，將裝快速接頭901接入真空管11；
5)、將其真空袋401抽至真空，通過(guò)空氣壓縮機(jī)16對(duì)多邊形多模諧振腔6內(nèi)填充壓縮空氣或惰性氣體；
6)、啟動(dòng)微波設(shè)備對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行加熱，微波加熱采用紅外測(cè)溫儀測(cè)量復(fù)合材料構(gòu)件表面多個(gè)點(diǎn)的溫度。測(cè)量的溫度反饋到裝置的控制系統(tǒng)，與エ藝曲線比對(duì)，實(shí)時(shí)調(diào)整微波加熱溫度，實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制，加熱時(shí)間根據(jù)復(fù)合材料樹(shù)脂的固化度及溫度曲線設(shè)定。7)、結(jié)合附圖I和2說(shuō)明復(fù)合材料在裝置內(nèi)的固化過(guò)程。將上述步驟中鋪放好的纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料放置到圖I中的工作臺(tái)上，接通罐內(nèi)真空閥。關(guān)好圖2中的多邊形多模諧振腔密封門(mén)和圓柱形罐體罐門(mén)。啟動(dòng)系統(tǒng)控制柜，選擇手動(dòng)控制或自動(dòng)控制。手動(dòng)控制時(shí)，由人工控制加熱功率、加熱時(shí)間和壓カ大小。自動(dòng)控制吋，由上位機(jī)編程輸入控制面板，PLC控制裝置自動(dòng)運(yùn)行。多邊形多模諧振腔6安裝在密封罐體8內(nèi)，并開(kāi)有エ藝孔保證壓カ均衡。微波通過(guò)磁控管3的天線和波導(dǎo)4傳遞到矩形波導(dǎo)5。微波在多邊形的多模諧振腔6內(nèi)來(lái)回反射，最終被纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料9所吸收。在固化開(kāi)始時(shí)，真空泵15開(kāi)始抽真空，壓縮機(jī)16向圓柱形罐體8內(nèi)打入壓縮空氣，加壓。隨著材料的溫度升高，樹(shù)脂的固化反應(yīng)開(kāi)始進(jìn)行，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的加熱和保溫，復(fù)合材料固化成型。多邊形諧振腔6尺寸由諧振模式數(shù)和功率決定，其后部封閉，前部靠近罐門(mén)處設(shè)置電磁密封門(mén)，密封門(mén)采用通用的扼流密封金屬線圈，保證無(wú)電磁泄漏。按エ藝規(guī)程開(kāi)始抽真空和加壓。完成后，啟動(dòng)磁控管產(chǎn)生微波，微波進(jìn)入諧振腔中后開(kāi)始加熱纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料。系統(tǒng)控制柜實(shí)時(shí)測(cè)量壓力、真空和紅外測(cè)溫探頭的溫度值，顯示到上位機(jī)界面。當(dāng)構(gòu)件溫度達(dá)到固化轉(zhuǎn)變溫度后，保溫一段時(shí)間。停止微波磁控管，打開(kāi)泄壓閥泄壓。泄壓完成后打開(kāi)罐門(mén)和密封門(mén)，將模具和構(gòu)件移至裝置外，自然冷卻降溫。溫度降至室溫后，構(gòu)件固化成型完成。
權(quán)利要求
1.微波固化纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料加工裝置，其特征在于包括微波源水冷接口(I)，微波源電氣接口(2)，磁控管(3)，磁控管天線(4)，矩形波導(dǎo)管(5)，多邊形多模諧振腔(6)，罐體(8)，復(fù)合材料(9)，真空管(11)，真空管接頭(12)，真空閥(18)，工作臺(tái)(19)，模具(20);所述的罐體(8)布置多邊形多模諧振腔(6)，包括微波源水冷接口(I)、微波源電氣接口( 2 )與磁控管(3 )連接，磁控管(3 )布置在罐體(8 )的外側(cè)，磁控管(3 )通過(guò)磁控管天線(4)與矩形波導(dǎo)管(5)連接，矩形波導(dǎo)管(5)布置在多邊形多模諧振腔(6)的外側(cè)，多邊形多模諧振腔(6)的內(nèi)側(cè)壁上布置真空管接頭(12)，多邊形多模諧振腔(6)內(nèi)放置工作臺(tái)(19)，模具(20)放置在工作臺(tái)(19)上，模具(20)內(nèi)放置復(fù)合材料(9)、且上端布置真空閥(18)，真空閥(18)通過(guò)真空管(11)與真空管接頭(12)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微波固化纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料加工裝置，其特征在于還包括壓力表(13)，控制柜(14)，真空泵(15)，空氣壓縮機(jī)(16);所述的控制柜(14)布置在罐體(8)的外側(cè)，真空泵(15)的氣體輸出端延伸入多邊形多模諧振腔(6)內(nèi)，空氣壓縮機(jī)(16)的氣體輸入端延伸入多邊形多模諧振腔(6)內(nèi)，控制柜(14)內(nèi)控制模塊控制真空泵(15)與空氣壓縮機(jī)(16)，壓力表(13)與多邊形多模諧振腔(6)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微波固化纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料加工裝置，其特征在于還包括紅外測(cè)溫探頭(7)，泄壓閥(21);所述的紅外測(cè)溫探頭(7)布置在多邊形多模諧振腔(6)的外側(cè)的頂端，泄壓閥(21)布置在罐體(8)的外壁上。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微波固化纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料加工裝置，其特征在于所述的多邊形多模諧振腔(6)內(nèi)的微波是TCM波或TE波或TM波。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3或4所述的微波固化纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料加工裝置，其特征在于所述的多邊形多模諧振腔(6)的形狀是六邊形長(zhǎng)方體或矩形長(zhǎng)方體。
6.利用權(quán)利要求I至5所述的微波固化纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料加工裝置的制備方法，其特征在于步驟如下 1)、制備材料，在模具上涂抹脫模劑(201)，將復(fù)合材料放置在脫模劑(201)上，復(fù)合材料上覆蓋脫模布(301)，脫模布(301)上放置帶孔隔離膜(501)，帶孔隔離膜(501)的上方覆蓋透氣氈(701)； 2)、用真空袋(401)罩蓋整個(gè)復(fù)合材料及脫模布(301)、帶孔隔離膜(501)、透氣氈(701)，使用密封膠帶(101)將真空袋(401)，固定在模具(20)； 3)、在真空袋(401)上端布置真空閥(18)，真空閥(18)上安裝快速接頭(901)，加工材料制備完成； 4)、將上述制備完成的復(fù)合材料放入工作臺(tái)(19)，將裝快速接頭(901)接入真空管(II)； 5)、將其真空袋(401)抽至真空，通過(guò)空氣壓縮機(jī)(16)對(duì)多邊形多模諧振腔(6)內(nèi)填充壓縮空氣或惰性氣體； 6)、啟動(dòng)微波設(shè)備對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行加熱，紅外測(cè)溫探頭(7)實(shí)時(shí)測(cè)量其復(fù)合材料的溫度，保證固化過(guò)程的可控性； 7)、加熱完成后，打開(kāi)泄壓閥(21)釋放罐體(8)內(nèi)壓力，取出復(fù)合材料直至冷卻，制備完成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料的加工裝置及加工方法，尤其涉及一種微波固化纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料加工裝置及加工方法。罐體布置多邊形多模諧振腔，包括微波源水冷接口、微波源電氣接口與磁控管連接，磁控管布置在罐體的外側(cè)，磁控管通過(guò)磁控管天線與矩形波導(dǎo)管連接，矩形波導(dǎo)管布置在多邊形多模諧振腔的外側(cè)，多邊形多模諧振腔的內(nèi)側(cè)壁上布置真空管接頭，多邊形多模諧振腔內(nèi)放置工作臺(tái)，模具放置在工作臺(tái)上，模具內(nèi)放置復(fù)合材料、且上端布置真空閥，真空閥通過(guò)真空管與真空管接頭連接。
文檔編號(hào)B29C70/54GK102729490SQ20121016731
公開(kāi)日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月28日
發(fā)明者李楠埡, 李迎光, 杭翔 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)