[發明專利]一種復合材料微波高壓固化裝置

有效

• 申請號: 201811196943.0
• 申請日: 2018-10-15
• 公開（公告）號: CN109080174B
• 公開（公告）日: 2020-08-04
• 發明（設計）人: 李迎光;周靖;劉舒霆
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B29C70/44
• 分類號: B29C70/44
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司 32218
• 代理人: 瞿網蘭

發明針對熱壓罐固化技術存在的復合材料厚度方向溫度梯度大、層間剪切強度差、固化時間長、能耗高等問題，提供了一種復合材料微波高壓固化裝置，采用電磁波對抽真空和氣體高壓壓實的復合材料進行微波加熱固化成型，為先進復合材料的高質量、短周期、低能耗固化成型提供技術支撐。

技術領域

本發明涉及一種復合材料固化設備，尤其是一種復合材料高壓固化設備，具體地說是一種利用高壓氣體輔助的具有智能監控功能的復合材料微波高壓固化裝置。

背景技術

纖維增強樹脂基復合材料是各類具有較高輕量化需求領域，如航空航天、船舶、汽車、風力發電等領域內，大量運用的核心材料。尤其是在先進航空航天器的制造中，復合材料的使用已經由飛行器雷達罩、安定面等次承力構件發展到包括翼梁、機翼壁板、中央翼盒、長桁、機身筒段等主承力構件。航空航天復材構件具有大尺寸，大厚度的特點，如波音787的整體機翼壁板達到了28.6米，A350的機身筒段直徑達到了5.49米，A380的碳纖維復材中央翼盒的接頭厚度達到了45毫米。大型構件共固化、整體成型技術是下一代纖維復合材料構件的發展趨勢。

熱壓罐成型工藝具有成型質量佳、工藝重復性好、孔隙率低和樹脂含量均勻等優點。目前，超過98%的航空航天纖維增強樹脂基復合材料構件采用熱壓罐工藝成型。然而，熱壓罐工藝主要存在以下四個問題：（1）纖維增強樹脂基復合材料厚度方向熱傳導性能差，導致纖維復材構件厚度方向的溫度不均勻；（2）空氣傳導加熱過程熱慣性大，溫度控制靈敏性差；（3）熱壓罐工藝必須通過降低升溫速率和延長保溫時間來保證材料溫度均勻性，故熱壓罐工藝固化時間長。（4）熱壓罐工藝需加熱罐內空氣、模具和輔助設施，加之固化時間長，因此能耗極大。

為解決上述難題，一種微波加熱固化技術被提出以用于纖維增強樹脂基復合材料的固化過程[CN201310480686.4]。微波是一種介于30MHz-300GHz之間的電磁波，復合材料對該波段內的電磁波具有較強的吸收作用。微波加熱固化具有固化周期短、能耗低、溫度響應迅速等特點，已經在學術界和企業界展開了廣泛的研究工作。然而，現階段所報道的微波加熱固化技術主要面向處于一個真空袋壓環境下的復合材料[CN201310006755.8]。高性能復合材料具有較高的質量要求，如孔隙率需降至1%以內，厚度超差不超過0.01mm。這類高性能構件的固化過程要求在一個真空袋壓的基礎上額外施加0.6MPa以上的均布壓力，使得復合材料內部的氣體可以順利排出，以減少材料的孔隙率，提高壓實度。

為了實現樹脂基復合材料在高壓輔助下的微波加熱固化，不同的機構先后提出了微波-壓力固化成型裝置。德國航空航天中心在美國專利[US8008608B2]中保護了一種微波熱壓罐，采用多路同軸電纜和輻射天線將微波饋入至圓形截面熱壓罐內加熱復合材料。然而，圓形截面微波腔體存在電磁能量集聚于圓心且難以調整等問題，使得復合材料極易發生高溫燒蝕而報廢。為解決上述問題，南京航空航天大學[CN201310480701.5]保護了一種微波-壓力固化裝置。該裝置由外部圓柱形承壓罐體和內部多邊形微波諧振腔組成，同樣采用同軸電纜和輻射天線作為微波傳輸線，實現了相對均勻的電磁場分布。上述兩種方案均采用了同軸電纜作為微波傳輸線，雖然同軸電纜線在氣體密封及承壓方面具有較大的優勢，但同軸電纜本身屬于低功率電磁信號傳輸線，無法應用于大功率微波能加熱領域。采用同軸電纜傳輸大功率微波能量會導致大量傳輸損耗，微波能量無法有效饋入微波腔體中，同時同軸電纜急劇發熱軟化、燒蝕，造成微波泄漏、罐體壓力密封失效等嚴重安全事故。專利[CN104690986B]提出了一種微波混合加熱加壓裝置，該裝置直接將矩形耐壓波導焊接在熱壓罐壁面上實現大功率微波能量傳輸，但罐體上開設的矩形微波饋口處極易產生應力集中，從而造成壓力罐體失效破壞，同時上述饋能方式使得熱壓罐內部空間利用率極低，難以實現大型零件的加熱固化。此外，為配合空氣傳導加熱過程，該微波腔體全部由金屬網孔板制作，微波諧振性能差、電磁泄漏嚴重。