專利名稱：纖維增強樹脂基復合材料的微波高壓間歇固化法及模具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及纖維增強復合材料構(gòu)件的加工方法及相配套的模具，本發(fā)明應用于加工大厚度或大型纖維增強復合材料構(gòu)件。
背景技術(shù)：
纖維增強樹脂基復合材料具有比強度高、比模量高、導熱、隔熱、隔音、減振、耐高(低)溫耐疲勞性能和尺寸穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點。復合材料構(gòu)件朝著集成化、整體化、大型化的方向發(fā)展，通過采用集成化的整體機身構(gòu)件結(jié)構(gòu)，顯著減少了零件數(shù)目和飛機重量，且使生產(chǎn)方式更簡單、產(chǎn)品更可靠。隨著復合材料應用部位由次承力結(jié)構(gòu)向主承力結(jié)構(gòu)發(fā)展，大厚度構(gòu)件也越來越多。熱壓罐成型是航空航天復合材料構(gòu)件傳統(tǒng)的制造工藝，它有產(chǎn)品重復性好、纖維體積含量高、孔隙率低或無孔隙、力學性能可靠等優(yōu)點。但常規(guī)的熱壓罐工藝只適合厚度均勻且較薄的復合材料構(gòu)件。常規(guī)的熱壓罐工藝加工大厚度復合材料構(gòu)件(厚度大于2cm)固化時復合材料構(gòu)件內(nèi)部可能產(chǎn)生大量的固化熱量，導致熱失控、樹脂惡化等問題，也可能因存在大的溫度梯度產(chǎn)生內(nèi)外固化不均勻、固化不完全、固化變形大的問題。微波加熱從復合材料構(gòu)件內(nèi)外同時加熱使得復合材料構(gòu)件有可能均勻固化，但現(xiàn)有微波固化工藝存在不少缺陷:1)主要是以連續(xù)加熱的方式來加熱，微波加熱的快速、對材料的選擇性特點及諧振腔內(nèi)場強不均勻的特點容易造成構(gòu)件內(nèi)部局部溫度失控從而無法保證復合材料構(gòu)件固化的均勻性；2)現(xiàn)有微波固化工藝要么是在常壓、要么是在較低的壓力環(huán)境下，不能保證最終復合材料構(gòu)件的密實度和強度；3)現(xiàn)有微波固化用模具要么是導熱不好導致構(gòu)件與模具接觸表面溫度不均勻，要么熱膨脹系數(shù)大無法保證復合材料構(gòu)件尺寸和形狀精度，要么是模具很重不方便運輸安裝且價格很昂貴無法適應固化大型復合材料構(gòu)件的要求。4)現(xiàn)有微波固化用模具一副模具往往要么適合容易吸收微波且容易讓微波穿透的復合材料要么適合對微波不敏感的微波不能較好穿透進去的復合材料，不能同時滿足這兩種復合材料的固化需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述不足提供了 一種用于制造復合材料構(gòu)件的方法及模具。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
1、一種纖維增強樹脂基復合材料的微波高壓間歇固化法，所述的制作方法如下:
I)、準備材料，在模具上分別涂抹脫模劑，在復合材料上方覆蓋脫模布，在脫模布上方覆蓋隔離膜，隔離膜的上方覆蓋均壓板，均壓板的上方覆蓋透氣氈；
2)、用真空袋覆蓋整個復合材料構(gòu)件、脫模劑、脫模布、隔離膜、均壓板與透氣氈；使用密封帶將真空袋固定在模具上；在真空袋上安裝真空閥門，并抽真空進行預壓實；
3)、移除真空袋、透氣氈與密封帶，然后將前述復合材料構(gòu)件及模具送入正多邊形諧振腔的工作臺上；往正多邊形諧振腔內(nèi)通入惰性氣體； 4)啟動微波設(shè)備進行加熱，保證固化的均勻性；
5)加熱完成后，打開泄壓閥釋放罐體內(nèi)壓力，將模具及復合材料構(gòu)件移出罐體外冷卻，制備完成；
所述的步驟2)中進行多次抽真空預壓實，每鋪2-3層復合材料構(gòu)件預壓實一次，預壓實時間為3-5min ；
所述步驟3)中正多邊形諧振腔內(nèi)的氣壓大于等于1.5MPA;
所述步驟4)中啟動微波設(shè)備進行加熱，通過傳感器及控制系統(tǒng)保證磁控管按照設(shè)定的溫度時間曲線間歇地工作，溫度時間曲線包括在升溫加熱階段至少采用兩種不同升溫速率進行加熱，初始階段以較高的速率進行加熱，再第二階段以較低的升溫速率加熱；
所述步驟4)中微波設(shè)備進行加熱進行加熱時，模具在正多邊形諧振腔進行相應運動；比如邊旋轉(zhuǎn)邊上升下降等，目的都是一個保證構(gòu)件內(nèi)部吸收的微波能量比較均勻從而保證構(gòu)件的內(nèi)部溫度盡量均勻。所述步驟5)中復合材料構(gòu)件(6)采用材料構(gòu)件上下同時冷卻方式進行冷卻。本發(fā)明所述用于制造纖維增強樹脂基復合材料的模具，所述的模具包括底層模具，中層模具，上層模具，底層模具內(nèi)布置上層模具，底層模具與上層模具內(nèi)活動布置中層模具。本發(fā)明所述的用于制造纖維增強樹脂基復合材料的模具，上層模具由高透波高導熱性低膨脹系數(shù)的輕質(zhì)材料制成，中層模具由吸收微波發(fā)熱的輕質(zhì)材料制成；底層模具由泡沫或中空結(jié)構(gòu)的高透波、高絕熱性、高比強輕質(zhì)材料制成。本發(fā)明所述的用于制造纖維增強樹脂基復合材料的模具，上層模具的高透波高導熱性低膨脹系數(shù)的輕質(zhì)材料是氧化鈹陶瓷或氮化鋁陶瓷或纖維增強氧化鈹陶瓷或纖維增強氮化鋁陶瓷。本發(fā)明所述的用于制造纖維增強樹脂基復合材料的模具，中層模具的吸收微波發(fā)熱的輕質(zhì)材料是短切石墨纖維氈或短切石墨纖維增強氮化鋁陶瓷或纖維增強碳化硅陶瓷。本發(fā)明所述的用于制造纖維增強樹脂基復合材料的模具，底層模具的泡沫或中空結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)材料是泡沫玻璃或泡沫陶瓷或泡沫塑料或三維中空纖維增強復合材料。有益效果
本發(fā)明提供微波高壓間歇固化纖維增強樹脂基復合材料構(gòu)件的方法及模具；該方法在高壓惰性氣體環(huán)境下采用功率線形可調(diào)的微波磁控管以間歇、多個升溫速率方式加熱固化放在處于運動狀態(tài)的輕質(zhì)模具上的復合材料預制件，提高了構(gòu)件的質(zhì)量和性能。本發(fā)明可以成型高性能、尺寸穩(wěn)定性好、幾何精度高的纖維增強樹脂基復合材料構(gòu)件，與傳統(tǒng)的熱壓罐固化復合材料構(gòu)件工藝相比縮短了時間，減少了能量消耗。本發(fā)明采用了輕質(zhì)材料制作的模具，方便了大型復合材料構(gòu)件的固化，降低在固化過程中模具安裝和運輸?shù)碾y度，降低了模具的制造成本。該發(fā)明采用三層不同材料結(jié)構(gòu)的模具，提高了微波能量利用的有效性，減少能量損失，減少模具與復合材料構(gòu)件接觸面的溫度梯度，減少了構(gòu)件的幾何變形和殘余應力，解決了大厚度復合材料構(gòu)件以傳統(tǒng)方式固化時遇到的問題，中間層的可抽拔特點方便生產(chǎn)者根據(jù)生產(chǎn)需要進行組合，使得模具不僅可以高質(zhì)量固化不容易直接與微波作用產(chǎn)生熱量的復合材料構(gòu)件，也適用于添加了易于吸收微波能量的添加劑(碳黑，短切碳纖維等)的纖維增強復合材料構(gòu)件的加工，增加了模具的通用性。本發(fā)明的模具結(jié)構(gòu)使得復合材料構(gòu)件的上下可以同時進行冷卻，改善了冷卻效果，從而提高了復合材料構(gòu)件的質(zhì)量。本發(fā)明同時采用正多邊形截面、保持復合材料構(gòu)件運動、磁控管間歇加熱、多種升溫速率、高導熱性模具表面層材料這五種措施來協(xié)同控制復合材料構(gòu)件內(nèi)部的溫度均勻性，保證構(gòu)件的均勻固化。本發(fā)明采用高壓，保持了熱壓罐固化復合材料構(gòu)件所具有的高密實性和高力學性能，解決了常壓環(huán)境下微波固化復合材料構(gòu)件容易產(chǎn)生大量氣孔而影響力學性能的問題。


圖1是本發(fā)明的正多邊形諧振腔結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明的本發(fā)明模具在固化設(shè)備外進行真空輔助預壓實的示意圖 圖3是本發(fā)明另一種模具預壓實示意 圖4是本發(fā)明的壓力容器結(jié)構(gòu)示意 圖中I是真空袋，2是透氣氈，3是均壓板，4是隔離膜，5是脫模布，6是復合材料構(gòu)件，7是脫模劑，8是電機，9是罐體，I 0是轉(zhuǎn)動支撐軸，I I是工作臺，I 2是底層模具，I 3是中層模具，14是上層模具，I 5是密封帶，I 6是裂縫天線式波導管，I 7是正多邊形諧振腔，2 I是觀察窗，2 2是測壓裝置，2 3是測溫控制裝置，2 4是照明裝置，2 5是安全閥，2 6是饋入接口，2 7是備用接口。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步詳細說明:
如圖所示:如圖1圖2圖3圖4所示:纖維增強樹脂基復合材料構(gòu)件的微波高壓間歇固化法及模具，涉及到真空袋I，透氣氈2，均壓板3，隔離膜4，脫模布5，復合材料構(gòu)件6，脫模劑7，電機8，罐體9，轉(zhuǎn)動支撐軸10，底層模具12，中層模具13，上層模具14，密封帶15，裂縫天線式波導管16，正多邊形諧振腔17，觀察窗21，測壓裝置22，測溫控制裝置23，照明裝置24，安全閥25，饋入接口 26，備用接口 27。微波加熱源能夠功率線性可調(diào)，頻率為符合國家標準的2.45GHZ或915MHZ，微波的多個磁控管以同一方式同時調(diào)節(jié)功率，盡可能保證正多邊形爐腔內(nèi)微波場的均勻，爐腔內(nèi)的微波包括TEM波，TE波，TM波中的至少一種模式。纖維增強樹脂基復合材料構(gòu)件的微波高壓間歇固化方法，步驟如下:
I )制備材料，纖維增強樹脂基復合材料構(gòu)件，由預浸料層層鋪疊而成，可以有多個鋪放角度。復合材料的纖維增強體包括常用的碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維等先進高性能纖維以及其它各種可以在纖維增強樹脂基復合材料中使用的纖維。結(jié)合附圖2說明復合材料構(gòu)件在模具上的鋪放過程:首先將三層結(jié)構(gòu)的模具裝配好并清理干凈后，在模具表面涂刷脫模劑7，脫模劑分三次均勻涂抹在模具表面，每次間隔
20分鐘左右。等待脫模劑完全凝固干燥后，將纖維增強預浸料按照工藝要求逐層鋪放在模具表面上。鋪放工作完成后，在復合材料表面依次鋪設(shè)脫模布5，隔離膜4，均壓板3，透氣氈2。2)用真空袋I覆蓋整個復合材料構(gòu)件及脫模布5、隔離膜4、均壓板3、透氣氈2，使用密封帶15將真空袋I固定在模具(12，13，14)上。在真空袋上安裝真空閥門，并抽真空進行預壓實。構(gòu)件較厚時，需要進行多次抽真空預壓實，通常每鋪2-3層預壓實一次，預壓實時間為3-5min ；
3)去掉真空袋1、透氣氈2、密封帶15，然后將前述復合材料構(gòu)件6及模具(12，13，14)送入正多邊形諧振腔17內(nèi)的可運動的工作臺11，關(guān)閉微波設(shè)備的門后，向溫度檢測控制系統(tǒng)輸入設(shè)定好的溫度時間固化曲線，向正多邊形爐腔內(nèi)通入惰性氣體，壓力保持在1.5MPA，啟動保持工作臺以2r/min的速度進行適當旋轉(zhuǎn)運動，通過觀察窗21觀察工作臺11是否正常工作，檢查壓力儀表是否正常工作；
4)啟動微波磁控管進行工作，通過光纖及紅外多種傳感器檢測復合材料構(gòu)件的溫度，控制磁控管以設(shè)定的帶有2個升溫速率組合的溫度時間曲線間歇地工作，初始階段以較高的速率進行加熱，再第二階段以較低的升溫速率加熱，保證固化的均勻性。5)微波加熱完成后，打開泄壓閥2 8釋放罐體內(nèi)壓力，取出復合材料構(gòu)件6及模具(I 2，I 3，I 4 )至罐體9外面，取出模具的中間層I 3，對復合材料構(gòu)件表面和模具同時吹入冷氣或液體進行冷卻，制備完成。在具體實施中應保持工作臺進行適當運動使得工作臺上的模具(12/13/14)及復合材料構(gòu)件6也進行相應的運動。在具體實施中模具為三明治結(jié)構(gòu)，包括由透波高導熱性低膨脹系數(shù)的氧化鈹陶瓷制成的最靠近復合材料構(gòu)件6的一層14 ;由能吸收微波發(fā)熱的短切石墨纖維氈制成的模具的中間層13 ;由透波、絕熱、能承受高壓、輕質(zhì)高強的三維了立體中空玻纖環(huán)氧復合材料制成的最底層12。透波高導熱性低膨脹系數(shù)的輕質(zhì)材料是氧化鈹陶瓷或氮化鋁陶瓷或纖維增強氧化鈹陶瓷或纖維增強氮化鋁陶瓷。中層模具13的吸收微波發(fā)熱的輕質(zhì)材料是短切石墨纖維氈或短切石墨纖維增強氮化鋁陶瓷或纖維增強碳化硅陶瓷。底層模具12的泡沫或中空結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)材料制是泡沫玻璃或泡沫陶瓷或泡沫塑料或三維中空纖維增強復合材料。在具體實施中模具(12/13/14)為多層結(jié)構(gòu)，且模具的中間層13可取出，便于冷卻時連接冷卻系統(tǒng)通過氣體或液體實現(xiàn)加速均勻冷卻。模具的中間層是可抽拔移動的，當復合材料構(gòu)件本身能夠良好地吸收微波進行加熱時，就可以抽去中間層，當復合材料構(gòu)件固化后和模具一起移出諧振腔，需要加速、均勻地冷卻復合材料構(gòu)件時，也可抽去模具的中間層，形成可通過氣體或液體冷卻介質(zhì)的通道。
權(quán)利要求
1.一種纖維增強樹脂基復合材料的微波高壓間歇固化法，所述的制作方法如下: 1)、準備材料，在模具上分別涂抹脫模劑(7)，在復合材料(6)上方覆蓋脫模布(5)，在脫模布(5)上方覆蓋隔離膜(4)，隔離膜的上方覆蓋均壓板(3)，均壓板(3)的上方覆蓋透氣氈⑵； 2)、用真空袋(I)覆蓋整個復合材料構(gòu)件(6)、脫模劑(7)、脫模布(5)、隔離膜(4)、均壓板(3)與透氣氈(2);使用密封帶(15)將真空袋(I)固定在模具上；在真空袋(I)上安裝真空閥門，并抽真空進行預壓實； 3)、移除真空袋(I)、透氣氈(2)與密封帶(15)，然后將前述復合材料構(gòu)件(6)及模具送入正多邊形諧振腔的工作臺(11)上；往正多邊形諧振腔(17)內(nèi)通入高壓惰性氣體； 4)啟動微波設(shè)備進行加熱，保證固化的均勻性； 5)加熱完成后，打開泄壓閥釋放罐體內(nèi)壓力，將模具及復合材料構(gòu)件(6)移出罐體(9)外冷卻，制備完成； 其特征在于:所述的步驟2)中進行多次抽真空預壓實，每鋪2-3層復合材料構(gòu)件(6)預壓實一次，預壓實時間為3-5min ； 所述步驟3)中正多邊形諧振腔(17)內(nèi)的氣壓大于等于1.5MPA; 所述步驟4)中啟動微波設(shè)備進行加熱，通過傳感器及控制系統(tǒng)保證磁控管按照設(shè)定的溫度時間曲線間歇地工作，溫度時間曲線包括在升溫加熱階段至少采用兩種不同升溫速率進行加熱，初始階段以較高的速率進行加熱，再第二階段以較低的升溫速率加熱； 所述步驟4)中微波設(shè)備進行加熱進行加熱時，模具在正多邊形諧振腔(17)相應運動； 所述步驟5)中復合材料構(gòu)件(6)采用材料構(gòu)件上下同時冷卻方式進行冷卻。
2.權(quán)利要求1的用于制造纖維增強樹脂基復合材料的模具，其特征在于:所述的模具包括底層模具(12)，中層模具(13)，上層模具(14)，底層模具(12)內(nèi)布置上層模具(14)，底層模具(12)與上層模具(14)內(nèi)活動布置中層模具(13)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于制造纖維增強樹脂基復合材料的模具，其特征在于:上層模具(14)由高透波高導熱性低膨脹系數(shù)的輕質(zhì)材料制成，中層模具(13)由吸收微波發(fā)熱的輕質(zhì)材料制成；底層模具(12)由泡沫或中空結(jié)構(gòu)的高透波、高絕熱性、高比強輕質(zhì)材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于制造纖維增強樹脂基復合材料的模具，其特征在于:上層模具(14)的高透波高導熱性低膨脹系數(shù)的輕質(zhì)材料是氧化鈹陶瓷或氮化鋁陶瓷或纖維增強氧化鈹陶瓷或纖維增強氮化鋁陶瓷。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于制造纖維增強樹脂基復合材料的模具，其特征在于:中層模具(13)的吸收微波發(fā)熱的輕質(zhì)材料是短切石墨纖維氈或短切石墨纖維增強氮化鋁陶瓷或纖維增強碳化硅陶瓷。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于制造纖維增強樹脂基復合材料的模具，其特征在于:底層模具(12)的泡沫或中空結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)材料是泡沫玻璃或泡沫陶瓷或泡沫塑料或三維中空纖維增強復合材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及纖維增強復合材料構(gòu)件的加工方法及相配套的模具,本發(fā)明應用于加工大厚度或大型纖維增強復合材料構(gòu)件。該方法在高壓惰性氣體環(huán)境下采用功率線形可調(diào)的微波磁控管以間歇、多個升溫速率方式加熱固化放在處于運動狀態(tài)的輕質(zhì)模具上的復合材料預制件，提高了構(gòu)件的質(zhì)量和性能。本發(fā)明可以成型高性能、尺寸穩(wěn)定性好、幾何精度高的纖維增強樹脂基復合材料構(gòu)件，與傳統(tǒng)的熱壓罐固化復合材料構(gòu)件工藝相比縮短了時間，減少了能量消耗。
文檔編號B29C70/54GK103192536SQ201310098120
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月26日
發(fā)明者袁鐵軍, 周來水, 譚昌柏 申請人:南京航空航天大學