本發(fā)明涉及一種碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料的微波固化成形方法，特別涉及一種碳纖維/環(huán)氧預浸料層合板的真空袋壓微波固化成形方法，以及由此方法獲得的碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料層合板。

背景技術(shù)：

碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料具有比強度高、比剛度高、耐腐蝕、抗疲勞、減振和尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在航空航天、交通運輸、風力發(fā)電、航海造船等工業(yè)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，并得到大規(guī)模應(yīng)用。

一般地，碳纖維/環(huán)氧復合材料(如碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板)的固化采用傳統(tǒng)熱固化方式。然而，這種熱固化成形方法存在著傳熱速度慢、溫度梯度大、固化不均勻和固化速率低等問題。另外，碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料在熱固化過程中通常伴隨著加壓工藝，導致大厚制件和非板材制件不易制備，同時熱固化成形方法也不利于復合材料在使用過程中的現(xiàn)場快速維修。

作為一種替代傳統(tǒng)加熱方式的熱能技術(shù)，微波固化具有傳熱均勻、加熱效率高、固化速度快、易于控制等特點，是近20年發(fā)展起來的一種新型固化技術(shù)，在碳纖維增強樹脂基復合材料固化成形及快速修復方面極具發(fā)展前景。

公開號為CN102275309的專利涉及一種聚合物基碳纖維復合材料的高壓氣罐成形裝置及方法，其側(cè)重點在成形裝置上，且方法原理是通過微波輻射加熱微波吸收液體再把熱量傳遞給聚合物基碳纖維復合材料毛坯來實現(xiàn)固化成形的。公開號為CN102729490的專利、公開號為CN103057013的專利和公開號為CN103192536的專利均涉及微波固化纖維增強樹脂基復合材料的加工裝置和方法，類似于傳統(tǒng)的熱壓罐成形工藝，只是在固化方式上用微波固化替代了傳統(tǒng)的加熱固化，且它們的側(cè)重點在裝置和方法上，都沒有針對具體的復合材料體系，更沒有提及成形過程中的具體工藝參數(shù)，如微波功率、輻射時間等。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本專利提供了一種碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料層合板在真空袋中的微波固化成形方法，特別涉及在至少一個階梯式功率下進行的微波固化成形方法，旨在：通過合理控制微波功率，有效地避免在微波固化過程中真空袋因碳纖維選擇性吸收微波導致的局部過熱而破損，提供一種碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板的真空袋壓微波固化成形方法。目前，有關(guān)采用真空袋法對碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料層合板在至少一個階梯式功率下進行微波固化成形工藝的研究尚未見公開報道。

本發(fā)明提供了一種碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料層合板的微波固化-真空袋成形方法，包括以下步驟：

首先，將鋪疊成的碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板放入真空袋中，所述碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板上/下表面和所述真空袋內(nèi)壁之間各用一個平板模具隔開，把所述真空袋內(nèi)進行抽真空，從而利用外部大氣壓力壓實所述碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板；

然后，在保持所述真空袋內(nèi)真空度的條件下，在至少一個階梯式遞增的功率下進行微波固化成形，其中，微波頻率范圍在2.25-2.65GHz之間，微波功率范圍在40～400W之間，微波輻射時間總計在50分鐘至100分鐘之間，由此獲得微波固化成形的碳纖維/環(huán)氧樹脂層合板。

較優(yōu)選地，所述碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板的上表面和下表面上均覆蓋有隔離膜。

較優(yōu)選地，對于所述的碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板，其中，碳纖維為T800或T700或T300級碳纖維，環(huán)氧樹脂體系為高溫固化環(huán)氧樹脂體系，微波固化成形后的碳纖維/環(huán)氧樹脂層合板的厚度為1mm～10mm。

較優(yōu)選地，所述平板模具是石英玻璃平板或聚四氟乙烯平板，所述平板模具的厚度為3mm～6mm。

較優(yōu)選地，所述真空袋由聚酰亞胺薄膜制成，聚酰亞胺薄膜厚度為50μm～100μm。

較優(yōu)選地，所述隔離膜采用聚酰亞胺薄膜，聚酰亞胺薄膜厚度為50μm～100μm。

較優(yōu)選地，所述至少一個階梯式遞增的功率下進行微波固化成形工藝分為兩個階段：先在60～120W之間固化20～40分鐘，然后在150～230W之間固化40～60分鐘。

較優(yōu)選地，所述至少一個階梯式遞增的功率下進行微波固化成形工藝分為三個階段：先在80～110W之間固化10～20分鐘，然后在120～150W之間固化10～20分鐘，再在170～250W之間固化30～60分鐘。

較優(yōu)選地，所述微波頻率為2.45GHz。

本發(fā)明還提供一種根據(jù)上述碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板的微波固化成形方法獲得的微波固化成形后的碳纖維/環(huán)氧樹脂層合板。

本發(fā)明具有如下特點：本發(fā)明利用微波輻射加熱作用，實現(xiàn)了碳纖維/環(huán)氧復合材料(如碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板)在真空袋中的微波固化成形，不僅降低了設(shè)備投資和能源消耗，操作簡單易實施；而且可以有效地避免在微波固化過程中碳纖維放電擊穿真空袋而導致固化壓力損失，確保在一個大氣壓下進行微波固化成形，獲得的碳纖維/環(huán)氧復合材料層合板表面平整，成形質(zhì)量良好。本發(fā)明的有益效果是，與傳統(tǒng)熱固化相比，在保證均勻、完全固化的同時，微波固化獲得的復合材料層合板固化工藝周期明顯縮短，具有相近或更高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和壓縮強度。

附圖說明

圖1為微波固化-真空袋成形裝置的示意圖。

圖2為碳纖維/環(huán)氧樹脂層合板的微波固化工藝的示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。其中，圖1為微波固化-真空袋成形裝置的示意圖，圖2中雖然只具體顯示了兩個和三個階梯式遞增的功率下進行微波固化成形，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，以下所有實施例均能夠作出圖2中的至少一個階梯式遞增的功率下的碳纖維/環(huán)氧樹脂層合板的微波固化工藝的示意圖。

實施例1：

參照圖1和圖2，使碳纖維沿著長度方向排列，將T800碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料鋪疊成12層的18cm(長)×8cm(寬)單向碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6；在鋪好的碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6上下兩面貼上聚酰亞胺制成的隔離膜5，置于兩塊石英玻璃平板制成的平板模具7之間，再放入用聚酰亞胺薄膜制成的真空袋3中，并用真空袋密封膠帶4把真空袋3完全密封，并放置在隔熱板8上。在頻率為2.45GHz的微波設(shè)備中，先對真空袋3抽真空40分鐘，使真空袋3內(nèi)的碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6在約一個大氣壓下壓實；然后通過硬質(zhì)硅膠管9進行抽真空操作，在抽真空的同時，啟動微波設(shè)備(作為示例，微波設(shè)備可以包括微波設(shè)備腔體1和磁控管及微波饋入口2)進行微波固化：先在60W功率下固化40分鐘，然后在150W功率下固化60分鐘。關(guān)閉微波輻射，停止抽真空，將碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6在真空袋3中冷卻到室溫，拆開真空袋3取出碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6，即制得碳纖維/環(huán)氧樹脂層合板。

實施例2：

參照圖1和圖2，使碳纖維沿著長度方向排列，將T800碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料鋪疊成14層的20cm(長)×8cm(寬)單向碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6；在鋪好的碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6上下兩面貼上聚酰亞胺制成的隔離膜5，置于兩塊石英玻璃平板制成的平板模具7之間，再放入用聚酰亞胺薄膜制成的真空袋3中，并用真空袋密封膠帶4把真空袋3完全密封，并放置在隔熱板8上。在頻率為2.45GHz的微波設(shè)備中，先對真空袋3抽真空50分鐘，使真空袋3內(nèi)的碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6在約一個大氣壓下壓實；然后通過硬質(zhì)硅膠管9進行抽真空操作，在抽真空的同時，啟動微波設(shè)備(作為示例，微波設(shè)備可以包括微波設(shè)備腔體1和磁控管及微波饋入口2)進行微波固化：在100W功率下固化30分鐘，在200W功率下固化50分鐘。關(guān)閉微波輻射，停止抽真空，將碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6在真空袋3中冷卻到室溫，拆開真空袋3取出碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6，即制得碳纖維/環(huán)氧樹脂樹脂層合板。

實施例3：

參照圖1和圖2，使碳纖維沿著長度方向排列，將T700碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料鋪疊成18層的18cm(長)×10cm(寬)單向碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6；在鋪好的碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6上下兩面貼上聚酰亞胺制成的隔離膜5，置于兩塊聚四氟乙烯平板制成的平板模具7之間，再放入用聚酰亞胺薄膜制成的真空袋3中并用真空袋密封膠帶4把真空袋3完全密封，并放置在隔熱板8上。在頻率為2.45GHz的微波設(shè)備中，先對真空袋3抽真空50分鐘，使真空袋3內(nèi)的碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6在約一個大氣壓下壓實；然后通過硬質(zhì)硅膠管9進行抽真空操作，在抽真空的同時，啟動微波設(shè)備(作為示例，微波設(shè)備可以包括微波設(shè)備腔體1和磁控管及微波饋入口2)進行微波固化：在120W功率下固化20分鐘，在230W功率下固化40分鐘。關(guān)閉微波輻射，停止抽真空，將碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6在真空袋3中冷卻到室溫，拆開真空袋3取出碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6，即制得碳纖維/環(huán)氧樹脂層合板。

實施例4：

參照圖1和圖2，使碳纖維沿著長度方向排列，將T700碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料鋪疊成22層的18cm(長)×8cm(寬)單向碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6；在鋪好的碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6上下兩面貼上聚酰亞胺制成的隔離膜5，置于兩塊石英玻璃平板制成的平板模具7之間，再放入用聚酰亞胺薄膜制成的真空袋3中，并用真空袋密封膠帶4把真空袋3完全密封，并放置在隔熱板8上。在頻率為2.45GHz的微波設(shè)備中，先對真空袋3抽真空1h，使真空袋3內(nèi)的碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6在約一個大氣壓下壓實；然后通過硬質(zhì)硅膠管9進行抽真空操作，在抽真空的同時，啟動微波設(shè)備(作為示例，微波設(shè)備可以包括微波設(shè)備腔體1和磁控管及微波饋入口2)進行微波固化：在90W功率下固化40分鐘，在210W功率下固化50分鐘。關(guān)閉微波輻射，停止抽真空，將碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6在真空袋3中冷卻到室溫，拆開真空袋3取出碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6，即制得碳纖維/環(huán)氧樹脂層合板。

實施例5：

參照圖1和圖2，使碳纖維沿著長度方向排列，將T300碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料鋪疊成16層的20cm(長)×10cm(寬)單向碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6；在鋪好的碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6上下兩面貼上聚酰亞胺制成的隔離膜5，置于兩塊石英玻璃平板制成的平板模具7之間，再放入用聚酰亞胺薄膜制成的真空袋3中，并用真空袋密封膠帶4把真空袋3完全密封，并放置在隔熱板8上。在頻率為2.45GHz的微波設(shè)備中，先對真空袋3抽真空50分鐘，使真空袋3內(nèi)的碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6在約一個大氣壓下壓實；然后通過硬質(zhì)硅膠管9進行抽真空操作，在抽真空的同時，啟動微波設(shè)備(作為示例，微波設(shè)備可以包括微波設(shè)備腔體1和磁控管及微波饋入口2)進行微波固化：在110W功率下固化30分鐘，在180W功率下固化60分鐘。關(guān)閉微波輻射，停止抽真空，將碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6在真空袋3中冷卻到室溫，拆開真空袋3取出碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6，即制得碳纖維/環(huán)氧樹脂層合板。

實施例6：

參照圖1和圖2，使碳纖維沿著長度方向排列，將T800碳纖維/環(huán)氧樹脂樹脂預浸料鋪疊成16層的18cm(長)×8cm(寬)單向碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6；在鋪好的碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6上下兩面貼上聚酰亞胺制成的隔離膜5，置于兩塊聚四氟乙烯平板制成的平板模具7之間，再放入用聚酰亞胺薄膜制成的真空袋3中，并用真空袋密封膠帶4把真空袋3完全密封，并放置在隔熱板8上。在頻率為2.45GHz的微波設(shè)備中，先對真空袋3抽真空50分鐘，使真空袋3內(nèi)的碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6在約一個大氣壓下壓實；然后通過硬質(zhì)硅膠管9進行抽真空操作，在抽真空的同時，啟動微波設(shè)備(作為示例，微波設(shè)備可以包括微波設(shè)備腔體1和磁控管及微波饋入口2)進行微波固化：在80W功率下固化20分鐘，在120W功率下固化20分鐘，在170W功率下固化60分鐘。關(guān)閉微波輻射，停止抽真空，將碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6在真空袋3中冷卻到室溫，拆開真空袋3取出碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6，即制得碳纖維/環(huán)氧樹脂層合板。

實施例7：

參照圖1和圖2，使碳纖維沿著長度方向排列，將T700碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料鋪疊成14層的18cm(長)×10cm(寬)單向碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6；在鋪好的層合板碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6上下兩面貼上聚酰亞胺制成的隔離膜5，置于兩塊聚四氟乙烯平板制成的平板模具7之間，再放入用聚酰亞胺薄膜制成的真空袋3中，并用真空袋密封膠帶4把真空袋3完全密封，并放置在隔熱板8上。在頻率為2.45GHz的微波設(shè)備中，先對真空袋3抽真空40分鐘，使真空袋3內(nèi)的碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6在約一個大氣壓下壓實；然后通過硬質(zhì)硅膠管9進行抽真空操作，在抽真空的同時，啟動微波設(shè)備(作為示例，微波設(shè)備可以包括微波設(shè)備腔體1和磁控管及微波饋入口2)進行微波固化：在100W功率下固化15分鐘，在140W功率下固化15分鐘，在200W功率下固化50分鐘。關(guān)閉微波輻射，停止抽真空，將碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6在真空袋3中冷卻到室溫，拆開真空袋3取出碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6，即制得碳纖維/環(huán)氧樹脂層合板。

實施例8：

參照圖1和圖2，使碳纖維沿著長度方向排列，將T300碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料鋪疊成18層的18cm(長)×8cm(寬)單向碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6；在鋪好的碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6上下兩面貼上聚酰亞胺制成的隔離膜5，置于兩塊聚四氟乙烯平板制成的平板模具7之間，再放入用聚酰亞胺薄膜制成的真空袋3中，并用真空袋密封膠帶4把真空袋3完全密封，并放置在隔熱板8上。在頻率為2.45GHz的微波設(shè)備中，先對真空袋3抽真空1h，使真空袋3內(nèi)的碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6在約一個大氣壓下壓實；然后通過硬質(zhì)硅膠管9進行抽真空操作，在抽真空的同時，啟動微波設(shè)備(作為示例，微波設(shè)備可以包括微波設(shè)備腔體1和磁控管及微波饋入口2)進行微波固化：在110W功率下固化10分鐘，在150W功率下固化10分鐘，在250W功率下固化30分鐘。關(guān)閉微波輻射，停止抽真空，將碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6在真空袋3中冷卻到室溫，拆開真空袋3取出碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6，即制得碳纖維/環(huán)氧樹脂層合板。

實施例9：

參照圖1和圖2，使碳纖維沿著長度方向排列，將T300碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料鋪疊成14層的20cm(長)×8cm(寬)單向碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6；在鋪好的碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6上下兩面貼上聚酰亞胺制成的隔離膜5，置于兩塊石英玻璃平板制成的平板模具7之間，再放入用聚酰亞胺薄膜制成的真空袋3中，并用真空袋密封膠帶4把真空袋3完全密封，并放置在隔熱板8上。在頻率為2.45GHz的微波設(shè)備中，先對真空袋3抽真空50分鐘，使真空袋3內(nèi)的碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6在約一個大氣壓下壓實；然后通過硬質(zhì)硅膠管9進行抽真空操作，在抽真空的同時，啟動微波設(shè)備(作為示例，微波設(shè)備可以包括微波設(shè)備腔體1和磁控管及微波饋入口2)進行微波固化：在100W功率下固化20分鐘，在140W功率下固化15分鐘，在220W功率下固化40分鐘。關(guān)閉微波輻射，停止抽真空，將碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6在真空袋3中冷卻到室溫，拆開真空袋3取出碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料層合板6，即制得碳纖維/環(huán)氧樹脂層合板。

對實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其他實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的實施例，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。綜上所述僅為發(fā)明的較佳實施例而已，并非用來限定本發(fā)明的實施范圍。即凡依本發(fā)明申請專利范圍的內(nèi)容所作的等效變化與修飾，都應(yīng)為本發(fā)明的技術(shù)范疇。