一種復合能場加熱方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及加熱領(lǐng)域，具體涉及一種復合能場加熱裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]復合材料(如包含碳纖維織物和樹脂的復合材料)的固化過程是一個復雜的熱、化學和機械性能急劇變化的過程。特別對于大尺寸制件，由于其結(jié)構(gòu)的復雜性，如變厚度、多界面、變結(jié)構(gòu)(C型、工型、J型、T型)，以及制造工藝環(huán)境的不均勻性，制件在固化過程中不同部位處的溫度和壓力分布難以保持一致，從而導致樹脂流動的不均勻和固化效應(yīng)的不同步，容易產(chǎn)生分層、孔隙和纖維宏觀滑移等缺陷，降低制件性能；同時，由于材料的力學性能各向異性、固化收縮非均勻性以及模具的約束作用，導致制件內(nèi)應(yīng)力分布不均，極易出現(xiàn)翹曲變形，制件成形的確定性差。
[0003]盡管熱壓罐內(nèi)的空氣溫度和固化壓力分布均勻，但目前大范圍使用的熱壓罐成型工藝用來加熱和固化復合材料厚件或者變厚度的制件時，因為復合材料是熱的不良導體，當制件厚度比較厚或厚度不均勻時，在熱壓罐內(nèi)加熱、固化的過程中，制件表面與內(nèi)部存在較大的溫差，制件內(nèi)部升溫速度明顯滯后，制件整體溫度場極不均勻，制件表面與內(nèi)部的固化不同步，增大了復合材料基體的固化收縮非均勻性，從而導致固化后的制件發(fā)生分層、變形、開裂、殘余應(yīng)力等各種缺陷。嚴重時，甚至使整個制件報廢。這些情況的存在，使得生產(chǎn)對質(zhì)量要求苛刻的航空航天制件時，保證產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效益難度十分大。
[0004]微波具有對某些材料進行選擇性加熱、加熱速度快、加熱均勻、穿透性強、熱慣性小等優(yōu)點，將微波技術(shù)應(yīng)用于復合材料固化領(lǐng)域，能顯著減少固化時間，降低生產(chǎn)成本，獲得優(yōu)異的制品性能，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?br>[0005]國內(nèi)外已在復合材料固化領(lǐng)域展開了大量研究，并取得了豐碩的成果。如中國專利申請CN201410295387提供一種微波-壓力固化復合材料的溫度均勻分布方法及成套固化裝置，所述方法是在壓力容器罐體中采用多邊形腔體使得微波在腔體中發(fā)生多次反射，提高微波入射到復合材料的均勻性。同時在腔體的前后設(shè)置波導窗，氣體介質(zhì)可流動到腔體中，與復合材料發(fā)生對流換熱，進一步提高材料的溫度均勻性，并可實現(xiàn)壓力容器內(nèi)的氣體在復合材料加熱固化時施加壓力。所述的裝置主要包括多邊形腔體和電磁屏蔽窗。該發(fā)明可提高復合材料構(gòu)件的溫度均勻性，降低微波固化復合材料構(gòu)件的翹曲變形。
[0006]專利申請CN201410471231、CN201410471234 和 CN201510109343 等文件中也公開了使用熱壓罐與微波結(jié)合用于加熱固化復合材料的技術(shù)。
[0007]但使用這些上述裝置或方法對復合材料進行復合能場加熱固化時，即同時使用微波方式和傳統(tǒng)方式(熱壓罐)對復合材料進行加熱固化，都會使得加熱固化情況并不能良好的受控，使得復合材料進行復合能場加熱固化的實際結(jié)果與理想值和設(shè)計值相距甚遠。如何讓大型厚制件和大型變厚度制件內(nèi)部溫度場均勻，目前還沒有一個既能很快實現(xiàn)厚制件升溫，又能保證制件中各點的溫度差異非常小的辦法。因此，本領(lǐng)域需要針對這種情況而開發(fā)一種特別的復合能場加熱裝置及復合能場加熱方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]因此，本發(fā)明提供一種復合能場加熱方法，包括使用微波加熱裝置對吸波材料進行定點或定向加熱以及使用熱壓罐對吸波材料進行整體加熱，所述方法采用一種復合能場加熱裝置完成;所述復合能場加熱裝置包括微波加熱裝置和熱壓罐，所述微波加熱裝置包括微波發(fā)生器、微波腔和微波局部屏蔽件，所述微波發(fā)生器向微波腔內(nèi)發(fā)送微波，微波腔內(nèi)用于放置吸波材料，所述微波局部屏蔽件位于微波腔內(nèi)且用于覆蓋在吸波材料的外表面，所述微波局部屏蔽件由屏蔽微波區(qū)和透過微波區(qū)組成，所述透過微波區(qū)包含一條或多條縫隙使得微波腔內(nèi)的微波能從縫隙處進入吸波材料中而被其吸收;所述微波腔整體設(shè)置在熱壓罐內(nèi)且在二者間留有氣流通道，所述微波腔上含有一個或多個由金屬蜂窩板構(gòu)成的通風窗或通風墻，用于在屏蔽微波的同時可使得熱壓罐內(nèi)的微波腔內(nèi)外側(cè)氣流暢通。
[0009]本發(fā)明中，復合材料不再直接暴露于微波場中完成固化。本發(fā)明中，所述熱壓罐為本領(lǐng)域技術(shù)人員可知的普通熱壓罐，其可為吸波材料提供傳統(tǒng)的電加熱和氣體增壓。
[0010]本領(lǐng)域技術(shù)人員知曉地，微波通常呈現(xiàn)穿透、反射和吸收三個基本特性。對于玻璃、部分塑料和陶瓷，微波幾乎是穿越而不被吸收;對于水和食物等吸波材料就會吸收微波而使其自身發(fā)熱；而對金屬類物質(zhì)，則會反射微波。自然界中到處都有微波，但存在于自然界的微波，因為分散不集中，故不能用于加熱物品。微波爐是利用其內(nèi)部的磁控管，將電能轉(zhuǎn)變成微波，例如以2450MHZ的振蕩頻率穿透食物，當微波被吸波材料吸收時，吸波材料內(nèi)的極性分子(如水、脂肪、蛋白質(zhì)、糖等)即被吸引以每秒24億5千萬次的速度快速振蕩，這種震蕩的宏觀表現(xiàn)就是吸波材料被加熱了；這就是微波加熱的大致原理。
[0011]本發(fā)明中，所述吸波材料是指該材料中至少有一種組分能吸收一定頻率的微波。本領(lǐng)域技術(shù)人員能理解的，本發(fā)明中，微波能從縫隙處進入吸波材料中而被吸波材料定點吸收，所述定點吸收的概念是宏觀的定點概念，也就是使用本發(fā)明中提供的裝置對吸波材料加熱時，并不會只對某個點進行加熱，而是對某個指定的區(qū)域進行加熱。
[0012]在一種具體的實施方式中，所述微波加熱裝置中還包括測溫裝置，所述測溫裝置包含測溫頭和測溫傳輸線，所述測溫頭設(shè)置在微波局部屏蔽件內(nèi)側(cè)的吸波材料中，所述測溫傳輸線一端與測溫頭連接，另一端引出至所述微波腔外側(cè)。
[0013]本發(fā)明方案中，在對吸波材料的加熱性能以及本發(fā)明所述微波加熱裝置(微波局部屏蔽件)的性能熟悉之前，均需要使用測溫裝置4來研究和探求一個合適的吸波材料的加熱或固化方法。而在研發(fā)人員對上述性能均掌握清楚后，則無需再在吸波材料中設(shè)置測溫頭，此時通過及時調(diào)節(jié)微波功率即可實現(xiàn)對吸波材料的可控的定點加熱和固化。本發(fā)明中，在所述吸波材料(如碳纖維與樹脂的復合材料)加熱固化后，因測溫頭無法再取出而會在產(chǎn)品中形成一個小的瑕疵點。因而在實驗室探究出各測溫點與本發(fā)明中微波加熱裝置的對應(yīng)關(guān)系后形成經(jīng)驗參數(shù);工業(yè)生產(chǎn)過程中，均通過所述經(jīng)驗參數(shù)調(diào)控微波頻率即可，而不再需要在所述復合材料中設(shè)置測溫頭，從而避免在產(chǎn)品中形成小的瑕疵點。
[0014]本發(fā)明中，所述測溫裝置包括熱電偶、熱敏電阻、紅外傳感器、光纖熒光傳感器和光纖光柵傳感器中的一種或多種。若測溫裝置中包括金屬電線，則需要對該金屬電線進行微波屏蔽處理。而若采用光纖線，則無需對測溫裝置進行微波屏蔽。
[0015]在一種具體的實施方式中，有測溫頭設(shè)置在吸波材料中的定點吸波處，且所述測溫頭與微波局部屏蔽件上縫隙間的距離為I 2mm。
[0016]本發(fā)明中，所述微波腔接受來自微波發(fā)生器中的微波且在工作過程中將微波能全部屏蔽在微波腔中。所述微波腔包括爐門，所述爐門設(shè)置在微波腔的側(cè)壁、底板或頂板上，這在本發(fā)明中均不受限制。
[0017]因此，本發(fā)明提供的復合能場加熱裝置和方法使得微波可以針對復合材料制件的局部進行特別加熱和固化，在將某種具體(形狀、材質(zhì)和尺寸)的復合材料工件的加熱參數(shù)研究清楚后，結(jié)合使用熱壓罐對工件進行整體加熱，可使得加熱固化過程整體均勻可控，從而得到高性能的制件產(chǎn)品。
[0018]在一種具體的實施方式中，所述微波發(fā)生器設(shè)置在所述熱壓罐外且微波發(fā)生器發(fā)出的微波通過包括透波耐壓板和裂縫天線的微波傳導部件導入所述微波腔內(nèi)。所述微波傳導部件均具體可以使用現(xiàn)有技術(shù)中的部件，如專利申請CN201410471231、CN201410471234和CN201510109343等文件中公開的任意方式。
[0019]在一種具體的實施方式中，所述微波發(fā)生器的功率可調(diào)節(jié)，優(yōu)選其功率線性可調(diào)，例如在100?600w間均線性可調(diào)。所述微波發(fā)生器的功率例如可以在1500w以內(nèi)均可調(diào)節(jié)，在一種具體的實施方式中，所述微波發(fā)生器的功率在100?500w間為更常用的功率。
[0020]在一種具體的實施方式中，所述復合能場加熱方法中包括微波加熱裝置對吸波材料進行定點或定向加熱的同時熱壓罐對吸波材料進行整體加熱。本發(fā)明中，可以先對吸波材料中的局部位置進行定點或定向加熱固化，再使用熱壓罐對吸波材料進行整體加熱固化;或者是相反的過程。但本發(fā)明中更優(yōu)選的是這兩個過程同時進行，以使得所得固化產(chǎn)品中溫度場的分布最為均勾，產(chǎn)品質(zhì)量最高。
[0021]在一種具體的實施方式中，微波腔內(nèi)還設(shè)置有懸空固定在微波腔的側(cè)壁、底板或頂板上且用于放置吸波材料的透波板，所述縫隙開在所述微波局部屏蔽件的底部，且微波腔內(nèi)的微波入口位于微波腔頂部。如此設(shè)置方式使