專利名稱：微波固化纖維增強樹脂基復合材料加工裝置及加工方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種復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樹脂基復合材料加工裝置及加工方法。
背景技術：
纖維增強樹脂基復合材料具有高比強度和比剛度、質量輕、耐熱、耐腐蝕、抗疲勞、減震性能好等優(yōu)點，廣泛用于航空航天領域、交通運輸、風カ發(fā)電、電子電カ等領域。預浸料則是把強化纖維(碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維)浸潰在基體(環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂、熱可塑性樹脂等)中制成的預浸料片材產品，是復合材料的中間材料。 由于復合材料具有上述優(yōu)異的性能，故針對不同的復合材料構件發(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域有著非常廣泛的應用。尤其是在航空航天領域已經成為最為重要的成型エ藝。但熱壓罐成型技術存在諸多的問題和缺陷(1)熱壓罐固化時間長、能耗高及資源利用率低。熱壓罐エ藝主要以對流換熱的形式從外到里加熱構件，溫度差異是引起其內部熱傳導發(fā)生的根本原因。復合材料成型固化時間長，并需要保證足夠的溫度均勻性。這種加熱方式效率低，時間長，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件會出現無法接受的溫度梯度和比較差的壓實度。大尺寸復雜復合材料的成型需要復雜的模具型面和支撐，熱傳導和表面的對流換熱困難，構件的溫度均勻性差。最終將導致構件產生殘余應カ和變形。厚層合板在固化中溫度梯度會導致粘性和固化度的各向異性，溫度峰值首先出現在層板表面附近，然后向中央擴散，且?guī)缀涡螒B(tài)對固化厚截面層板內部微裂紋的發(fā)展和脫膠有顯著影響。同吋，熱壓罐共固化的復合材料膠結界面存在一些缺陷，力學性能不夠理想，影響復合材料的質量和使用壽命。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對上述不足提供了一種微波固化纖維增強樹脂基復合材料加工裝置及加工方法。本發(fā)明采用如下技術方案
本發(fā)明所述的微波固化纖維增強樹脂基復合材料加工裝置，包括微波源水冷接ロ，微波源電氣接ロ，磁控管，磁控管天線，矩形波導管，多邊形多模諧振腔，罐體，復合材料，真空管，真空管接頭，真空閥，工作臺，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，磁控管通過磁控管天線與矩形波導管連接，矩形波導管布置在多邊形多模諧振腔的外側，多邊形多模諧振腔的內側壁上布置真空管接頭，多邊形多模諧振腔內放置工作臺，模具放置在工作臺上，模具內放置復合材料、且上端布置真空閥，真空閥通過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樹脂基復合材料加工裝置，還包括壓カ表，控制柜，真空泵，空氣壓縮機；所述的控制柜布置在罐體的外側，真空泵的氣體輸出端延伸入多邊形多模諧振腔內，空氣壓縮機的氣體輸入端延伸入多邊形多模諧振腔內，控制柜內控制模塊控制真空泵與空氣壓縮機，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樹脂基復合材料加工裝置，還包括紅外測溫探頭，泄壓閥；所述的紅外測溫探頭布置在多邊形多模諧振腔的外側的頂端，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樹脂基復合材料加工裝置，所述的多邊形多模諧振腔內的微波是TEM波或TE波或TM波。本發(fā)明所述的微波固化纖維增強樹脂基復合材料加工裝置，所述的多邊形多模諧振腔的形狀是六邊形長方體或矩形長方體。 本發(fā)明所述的微波固化纖維增強樹脂基復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，將復合材料放置在脫模劑上，復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)、用真空袋罩蓋整個復合材料及脫模布、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合材料放入工作臺，將裝快速接頭接入真空管；
5)、將其真空袋抽至真空，通過空氣壓縮機對多邊形多模諧振腔(6)內填充壓縮空氣或惰性氣體；
6)、啟動微波設備對復合材料進行加熱，紅外測溫探頭實時測量其復合材料的溫度，保證固化過程的可控性；
7)、加熱完成后，打開泄壓閥釋放罐體內壓力，取出復合材料直至冷卻，制備完成。有益效果
本發(fā)明提供的微波固化纖維增強樹脂基復合材料加工裝置及加工方法；該方法采用功率線性可調的微波加熱和抽真空加壓固化成型復合材料，在短時間內完成纖維增強樹脂基復合材料的成型，提高構件的質量和性能。該裝置可以成型高性能、尺寸穩(wěn)定性好、內應カ和變形小的纖維增強樹脂基復合材料。同時極大的縮短了生產時間，提高了能源利用率。實現了纖維增強樹脂基復合材料的快速固化成型。采用先進的多邊形微波多模諧振腔體外加圓柱形罐體的結構方式，實現裝置內電磁場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復合材料時間長、能耗高、構件固化變形嚴重，內應カ較大以及模具支撐復雜的問題，提高復合材料構件的質量和性能。


圖I是本發(fā)明微波固化纖維增強樹脂基復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樹脂基復合材料加工裝置示意 圖3是本發(fā)明的矩形波導和模式攪拌器；圖4是本發(fā)明的纖維增強樹脂基復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是矩形波導管，6是多邊形多模諧振腔，7是紅外測溫探頭，8是罐體，9是復合材料，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，17是流量計，18是真空閥，19是工作臺，20是模具，21是泄壓閥，22是諧振腔密封門，23是罐體密封門，24是模式攪拌器，25是門把手，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。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明進一歩詳細說明
如圖I圖2所示微波固化纖維增強樹脂基復合材料加工裝置，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，矩形波導管5，多邊形多模諧振腔6，紅外測溫探頭7，罐體8，復合材料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16，流量計17，真空閥18，工作臺19，模具20，泄壓閥21，諧振腔密封門22，罐體密封門23，模式攪拌器24，門把手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，磁控管3通過磁控管天線4與矩形波導管5連接，矩形波導管5布置在多邊形多模諧振腔6的外側，多邊形多模諧振腔6的內側壁上布置真空管接頭12，多邊形多模諧振腔6內放置工作臺19，模具20放置在工作臺19上，模具20內放置復合材料9、且上端布置真空閥18，真空閥18通過真空管11與真空管接頭12連接?？刂乒?4布置在罐體8的外側，真空泵15的氣體輸出端延伸入多邊形多模諧振腔6內，空氣壓縮機16的氣體輸入端延伸入多邊形多模諧振腔6內，控制柜14內控制模塊控制真空泵15與空氣壓縮機16，壓カ表13與多邊形多模諧振腔6連接。紅外測溫探頭7布置在多邊形多模諧振腔6的外側的頂端，泄壓閥21布置在罐體8的外壁上。功率線性可調的微波加熱源，其微波的頻率按國家標準為2. 45GHz或915MHz，微波的功率按腔體的大小和加熱介質的升溫エ藝要求，可在O至最大功率之間線性調節(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。微波固化纖維增強樹脂基復合材料加工裝置的制備方法，步驟如下
I)、制備材料，纖維增強樹脂基復合材料，由預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樹脂基復合材料中的纖維。結合附圖4說明復合材料在模具上的鋪放過程。首先，準備好滿足構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，將纖維增強預浸料一層層按照エ藝要求，鋪放到模具表面。鋪層完畢后，在復合材料表面按順序鋪設脫模布301、帶孔隔離膜501、透氣氈701、真空袋401。 2 )、用真空袋401罩蓋整個復合材料及脫模布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合材料放入工作臺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，通過空氣壓縮機16對多邊形多模諧振腔6內填充壓縮空氣或惰性氣體；
6)、啟動微波設備對復合材料進行加熱，微波加熱采用紅外測溫儀測量復合材料構件表面多個點的溫度。測量的溫度反饋到裝置的控制系統(tǒng)，與エ藝曲線比對，實時調整微波加熱溫度，實現高精度的溫度控制，加熱時間根據復合材料樹脂的固化度及溫度曲線設定。7)、結合附圖I和2說明復合材料在裝置內的固化過程。將上述步驟中鋪放好的纖維增強樹脂基復合材料放置到圖I中的工作臺上，接通罐內真空閥。關好圖2中的多邊形多模諧振腔密封門和圓柱形罐體罐門。啟動系統(tǒng)控制柜，選擇手動控制或自動控制。手動控制時，由人工控制加熱功率、加熱時間和壓カ大小。自動控制吋，由上位機編程輸入控制面板，PLC控制裝置自動運行。多邊形多模諧振腔6安裝在密封罐體8內，并開有エ藝孔保證壓カ均衡。微波通過磁控管3的天線和波導4傳遞到矩形波導5。微波在多邊形的多模諧振腔6內來回反射，最終被纖維增強樹脂基復合材料9所吸收。在固化開始時，真空泵15開始抽真空，壓縮機16向圓柱形罐體8內打入壓縮空氣，加壓。隨著材料的溫度升高，樹脂的固化反應開始進行，經過一段時間的加熱和保溫，復合材料固化成型。多邊形諧振腔6尺寸由諧振模式數和功率決定，其后部封閉，前部靠近罐門處設置電磁密封門，密封門采用通用的扼流密封金屬線圈，保證無電磁泄漏。按エ藝規(guī)程開始抽真空和加壓。完成后，啟動磁控管產生微波，微波進入諧振腔中后開始加熱纖維增強樹脂基復合材料。系統(tǒng)控制柜實時測量壓力、真空和紅外測溫探頭的溫度值，顯示到上位機界面。當構件溫度達到固化轉變溫度后，保溫一段時間。停止微波磁控管，打開泄壓閥泄壓。泄壓完成后打開罐門和密封門，將模具和構件移至裝置外，自然冷卻降溫。溫度降至室溫后，構件固化成型完成。
權利要求
1.微波固化纖維增強樹脂基復合材料加工裝置，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)，矩形波導管(5)，多邊形多模諧振腔(6)，罐體(8)，復合材料(9)，真空管(11)，真空管接頭(12)，真空閥(18)，工作臺(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，磁控管(3 )通過磁控管天線(4)與矩形波導管(5)連接，矩形波導管(5)布置在多邊形多模諧振腔(6)的外側，多邊形多模諧振腔(6)的內側壁上布置真空管接頭(12)，多邊形多模諧振腔(6)內放置工作臺(19)，模具(20)放置在工作臺(19)上，模具(20)內放置復合材料(9)、且上端布置真空閥(18)，真空閥(18)通過真空管(11)與真空管接頭(12)連接。
2.根據權利要求I所述的微波固化纖維增強樹脂基復合材料加工裝置，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(16);所述的控制柜(14)布置在罐體(8)的外側，真空泵(15)的氣體輸出端延伸入多邊形多模諧振腔(6)內，空氣壓縮機(16)的氣體輸入端延伸入多邊形多模諧振腔(6)內，控制柜(14)內控制模塊控制真空泵(15)與空氣壓縮機(16)，壓力表(13)與多邊形多模諧振腔(6)連接。
3.根據權利要求I所述的微波固化纖維增強樹脂基復合材料加工裝置，其特征在于還包括紅外測溫探頭(7)，泄壓閥(21);所述的紅外測溫探頭(7)布置在多邊形多模諧振腔(6)的外側的頂端，泄壓閥(21)布置在罐體(8)的外壁上。
4.根據權利要求I所述的微波固化纖維增強樹脂基復合材料加工裝置，其特征在于所述的多邊形多模諧振腔(6)內的微波是TCM波或TE波或TM波。
5.根據權利要求I或2或3或4所述的微波固化纖維增強樹脂基復合材料加工裝置，其特征在于所述的多邊形多模諧振腔(6)的形狀是六邊形長方體或矩形長方體。
6.利用權利要求I至5所述的微波固化纖維增強樹脂基復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)，將復合材料放置在脫模劑(201)上，復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)罩蓋整個復合材料及脫模布(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合材料放入工作臺(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，通過空氣壓縮機(16)對多邊形多模諧振腔(6)內填充壓縮空氣或惰性氣體； 6)、啟動微波設備對復合材料進行加熱，紅外測溫探頭(7)實時測量其復合材料的溫度，保證固化過程的可控性； 7)、加熱完成后，打開泄壓閥(21)釋放罐體(8)內壓力，取出復合材料直至冷卻，制備完成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種復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樹脂基復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，磁控管通過磁控管天線與矩形波導管連接，矩形波導管布置在多邊形多模諧振腔的外側，多邊形多模諧振腔的內側壁上布置真空管接頭，多邊形多模諧振腔內放置工作臺，模具放置在工作臺上，模具內放置復合材料、且上端布置真空閥，真空閥通過真空管與真空管接頭連接。
文檔編號B29C70/54GK102729490SQ20121016731
公開日2012年10月17日 申請日期2012年5月28日 優(yōu)先權日2012年5月28日
發(fā)明者李楠埡, 李迎光, 杭翔 申請人:南京航空航天大學