專利名稱：一種采用微波超聲固化纖維增強復合材料構件的方法及其專用裝置的制作方法
一種采用微波超聲固化纖維增強復合材料構件的方法及其 專用裝置
技術領域
本發(fā)明屬于復合材料成型及加工領域，具體是指采用微波超聲固化纖維增強復合 材料構件的方法及其專用裝置。
背景技術：
纖維增強樹脂基復合材料具有較高的比強度和比剛度，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、風力發(fā)電、電子電力等領域。 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，是纖維增強樹脂基復合材料的中間材料。
由于纖維增強樹脂基復合材料具有上述優(yōu)異的性能，在應用過程中針對不同的復 合材料構件發(fā)展出了不同的成型方法。其中，樹脂傳遞模塑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 工藝。但傳統(tǒng)的樹脂傳遞模塑成型工藝存在許多的問題和缺陷(1)復合材料固化時間長、 能耗高及資源利用率低。(2)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。(3)樹脂浸潤不充分，局部區(qū)域無法滲透。由于采用壓力注膠或者真空注膠，注射壓 力低，充模過程緩慢，對厚層合板纖維增強體的浸潤性不夠，導致在固化中粘性和固化度的 各向異性，極大的影響了復合材料零件的質量和性能。并且較差的纖維增強體幾何形態(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。同時，傳統(tǒng)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)明提供了一種采用微波超聲固化纖維增強復合材料構件的方法及其專用裝 置，可以解決傳統(tǒng)復合材料成型方法制造纖維增強復合材料時時間長、能耗高、纖維浸潤不 充分和局部區(qū)域無法充模的問題，提高復合材料零件的質量和性能。
本發(fā)明所述的一種采用微波超聲固化纖維增強復合材料構件的方法，其包括以下 步驟首先將纖維增強體預制件鋪放在涂有脫模劑的上下模具中，合模后注入樹脂進行充 模，在注入樹脂過程中，使用超聲波對模具進行照射，加快樹脂滲透入纖維增強體預制件的 過程，同時增加浸潤性；當充模完成后，使用微波加熱模具中的纖維增強體預制件直至樹脂 完全固化；之后將模具及其中的纖維增強體預制件自然冷卻至室溫，構件固化完成。
此外，本發(fā)明還提供了一種采用微波超聲固化纖維增強復合材料構件的專用裝 置，包括控制器、注膠系統(tǒng)、儲存罐、配膠槽和RTM (Resin Transfer Molding，樹脂傳遞模 塑成型)模具，所述配膠槽經注膠管道依次連接注膠系統(tǒng)、儲存罐至RTM模具，控制器電連接 注膠系統(tǒng)實現(xiàn)注膠控制，所述TM模具安裝在一個微波諧振腔中，微波諧振腔外接微波發(fā)生器，在微波諧振腔內還設有超聲換能器，該超聲換能器外接超聲發(fā)生器，微波發(fā)生器和超聲 發(fā)生器的控制端同樣設置在控制器上。
作為改進，所述RTM模具安裝在工作臺上，超聲換能器安裝在工作臺下方并朝向 RTM模具。
本發(fā)明的有益效果1、本發(fā)明可以成型高性能、層間剪切強度高，尺寸穩(wěn)定性好、內應力和變形小的纖維增 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(xiàn)了纖維增強樹脂 基復合材料的快速固化成型。
2、本發(fā)明采用功率線性可調的微波加熱技術和高頻超聲波技術，提高了樹脂的浸 潤性和滲透性，在短時間內完成纖維增強樹脂基復合材料的成型過程，提高了零件的質量 和性能。同時，微波加熱中消耗的功率幾乎都使被加熱物升溫，加熱室內的空氣與相應的容 器都不會發(fā)熱，所以具有極高的生產效率和能源利用率，生產環(huán)境也明顯改善。
圖1是本發(fā)明專用裝置的結構示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明所采用的專用裝置，主要包括控制器1、注膠系統(tǒng)2、儲存罐4、 微波諧振腔7、RTM模具8、配膠槽14、超聲換能器11、微波發(fā)生器和超聲發(fā)生器13，所述的 控制器I通過線路管道與注膠系統(tǒng)2相連，注膠系統(tǒng)2中設有注膠泵3，配膠槽14經注膠 管依次連接注膠泵3、儲存罐4連接RTM模具8，注膠管上還設有閥門及壓力表5。RTM模具 8安裝在工作臺10上并位于一個微波諧振腔7中。RTM模具8兩側分別具有出膠口 6和注 膠口 12，微波諧振腔7外接微波發(fā)生器，在微波諧振腔7內還設有超聲換能器11，該超聲換 能器11安裝在工作臺10下方并朝向RTM模具8，該超聲換能器11外接超聲發(fā)生器13，微 波發(fā)生器和超聲發(fā)生器13的控制端同樣設置在控制器I上。RTM模具8內放有復合材料 零件9。
本發(fā)明的方法采用樹脂傳遞模塑技術對樹脂進行充模，并通過功率線性可調的微 波對放置于多模諧振腔體中的纖維增強樹脂基復合材料零件和模具進行加熱；纖維增強體 預制件鋪放在涂有脫模劑的上下模具中，合模后，按工藝規(guī)程注入未固化的樹脂，樹脂基體 在高頻超聲波的作用下，加快完成滲透纖維增強體的過程；充模完成后，微波穿透模具和纖 維增強體，加熱樹脂，完成復合材料零件的固化過程；同時，裝置內的溫度、壓力和流量控制 器實時測量構件的溫度，復合材料零件成型后，直接取出模具和復合材料，在諧振腔外部冷 卻至室溫后脫模。
具體步驟為1、將預先鋪放好的纖維增強體預成型件放置到RTM模具8中，上下模具合模，在模具邊 緣加密封條和螺栓固定，并留出注膠口和出膠口。
2、待裝置上電，啟動帶有控制溫度、壓力和流量的控制器1，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、加熱時間和注I父壓力大?。蛔詣涌刂茣r，由上位 機編程輸入控制面板，PLC控制裝置自動運行，按工藝規(guī)程開始加壓和注膠，樹脂在配膠槽14中完成與固化劑的混合，并由注膠泵3開始向RTM模具8中注膠，注膠后，啟動超聲波加 工系統(tǒng)，將超聲波傳遞到樹脂內部。
3、當充模完成時，出膠口關閉；啟動微波加熱系統(tǒng)，將微波饋入多模型微波諧振腔 7中后，開始加熱纖維增強樹脂基復合材料，控制系統(tǒng)實時測量壓力、真空和溫度值，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。
4、停止微波加熱，將RTM模具8和復合材料零件9移至裝置外，自然冷卻降溫，溫 度降至室溫后，零件固化成型完成。
對于所述的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工藝要求，可在O至最大功率之間線 性調節(jié)。
微波加熱技術是以電磁波穿透材料，將微波能轉變成熱能，對材料里外進行均勻 加熱的技術。超聲加工技術是將高頻電流輸入磁致伸縮超聲換能器，產生超聲波，并將超聲 波作用于被加工材料，其運行過程平穩(wěn)有效。微波加熱固化時間短、溫度易于控制、能耗低， 適于成型大尺寸的樹脂傳遞模塑復材零件。且超聲波通過固體介質傳遞到復合材料樹脂 中，能夠提高復合材料零件性能。同時，微波加熱中消耗的功率幾乎都使被加熱物升溫，力口 熱室內的空氣與相應的容器都不會發(fā)熱，所以具有極高的生產效率和能源利用率，生產環(huán) 境也明顯改善。
本發(fā)明提供了一種采用微波超聲固化纖維增強復合材料構件的方法及其專用裝 置形式和實施方法，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方法，應當指出，對于本技術領域的普 通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進，這些改進也應視為 本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種采用微波超聲固化纖維增強復合材料構件的方法，其特征在于包括以下步驟首先將纖維增強體預制件鋪放在涂有脫模劑的上下模具中，合模后注入樹脂進行充模，在注入樹脂過程中，使用超聲波對模具進行照射，加快樹脂滲透入纖維增強體預制件的過程，同時增加浸潤性；當充模完成后，使用微波加熱模具中的纖維增強體預制件直至樹脂完全固化；之后將模具及其中的纖維增強體預制件自然冷卻至室溫，構件固化完成。
2.一種采用微波超聲固化纖維增強復合材料構件的專用裝置，包括控制器(I)、注膠系統(tǒng)(2)、儲存罐(4)、配膠槽(14)和RTM模具(8)，所述配膠槽(14)經注膠管道依次連接注膠系統(tǒng)(2)、儲存罐(4)至RTM模具(8)，控制器(I)電連接注膠系統(tǒng)(2)實現(xiàn)注膠控制，其特征在于，所述RTM模具(8)安裝在一個微波諧振腔(7)中，微波諧振腔(7)外接微波發(fā)生器，在微波諧振腔(7)內還設有超聲換能器(11)，該超聲換能器(11)外接超聲發(fā)生器(13)，微波發(fā)生器和超聲發(fā)生器(13)的控制端同樣設置在控制器(I)上。
3.根據權利要求2所述的采用微波超聲固化纖維增強復合材料構件的專用裝置，其特征在于，所述RTM模具(8)安裝在工作臺(10)上，超聲換能器(11)安裝在工作臺(10)下方并朝向RTM模具(8)。
全文摘要
本發(fā)明公開了采用微波超聲固化纖維增強復合材料構件的方法及其專用裝置，該方法是首先將預制件放入模具并充模，充模同時使用超聲波加快樹脂滲透并增加浸潤性；完成后使用微波加熱模直至樹脂完全固化。該專用裝置是將模具安裝在一個微波諧振腔中，微波諧振腔外接微波發(fā)生器，在微波諧振腔內還設有超聲換能器，并外接超聲發(fā)生器。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)復合材料成型方法制造纖維增強復合材料時時間長、能耗高、纖維浸潤不充分和局部區(qū)域無法充模的問題，提高了復合材料零件的質量和性能。
文檔編號B29C70/48GK102990946SQ20121047121
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月20日 優(yōu)先權日2012年11月20日
發(fā)明者李迎光, 李楠埡, 杭翔, 傅承陽 申請人:南京航空航天大學