[發(fā)明專利]一種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料微波多頻分區(qū)加熱方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011327123.8
• 申請(qǐng)日: 2020-11-24
• 公開（公告）號(hào): CN112793057B
• 公開（公告）日: 2022-09-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周靖;李迎光;張藝澄;劉舒霆;郝小忠
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): B29C35/08
• 分類號(hào): B29C35/08;B29C70/54
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責(zé)任公司 32218
• 代理人: 瞿網(wǎng)蘭

一種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料微波多頻分區(qū)加熱方法，其特征是在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料表面放置不同頻率的人工電磁超表面，再施加對(duì)應(yīng)頻率的微波實(shí)現(xiàn)對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的精確分區(qū)加熱。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的精確分區(qū)加熱。人工電磁超表面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于組合，可以適用于不同構(gòu)件或同一構(gòu)件的不同分區(qū)方案。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種微波加熱技術(shù)，尤其是一種復(fù)合材料微波分區(qū)加熱技術(shù)，具體地說是一種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料微波多頻分區(qū)加熱方法。

背景技術(shù)

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料輕質(zhì)、高強(qiáng)，已成為航空航天高端裝備減重增效的優(yōu)選材料。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料構(gòu)件的制造主要包括賦形、固化、加工等步驟。其中，固化是碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料構(gòu)件制造過程中實(shí)現(xiàn)材料和結(jié)構(gòu)一起成型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。相比于現(xiàn)有整體升溫的方式，根據(jù)構(gòu)件的鋪層、幾何、結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行分區(qū)加熱固化是實(shí)現(xiàn)構(gòu)件更高性能的有效方法。為此，近年來部分科研機(jī)構(gòu)和學(xué)者紛紛提出對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行分區(qū)固化的思路和方法。

在編號(hào)為US 005158132A的美國(guó)專利和編號(hào)為EP 2490875B1的歐盟專利中，提出了基于分區(qū)加熱模具的分區(qū)固化方法，但分區(qū)加熱模具需要引入大量的電路或油路，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般只能對(duì)復(fù)合材料的靠模面進(jìn)行分區(qū)加熱，而且模具一旦制造完成，其結(jié)構(gòu)就被固定，難以再進(jìn)行調(diào)整。此外，受模具型面?zhèn)鳠釘U(kuò)散的滯后影響，該方法從本質(zhì)上難以對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行精確的分區(qū)加熱。公開號(hào)為CN 111031620A、CN 111031621A與CN 111050429A的中國(guó)專利提出了基于相控陣思想實(shí)現(xiàn)對(duì)被加熱對(duì)象進(jìn)行分區(qū)微波加熱的方法。然而，基于惠更斯原理的相控陣技術(shù)，在形成沿某一方向的波束的過程中，沿其他方向的微波同樣會(huì)被復(fù)合材料吸收，分區(qū)精度較低。在形成了沿某一方向的波束后，復(fù)合材料也無法一次性吸收該方向的微波能量，在材料表面反射和底面透射的微波會(huì)在腔體內(nèi)諧振，不再具有方向性。更重要的是，如果將該方法用于加熱碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，還面臨導(dǎo)電碳纖維網(wǎng)絡(luò)屏蔽微波、構(gòu)件無法被加熱的突出難題。

將檢索范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，在授權(quán)號(hào)為CN 103001002B的中國(guó)專利中公開了一種非均勻電磁超材料，其通過在不同區(qū)域放置不同的人造微結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同入射角度、軸比值、相位值或電場(chǎng)入射角度的電磁波產(chǎn)生預(yù)設(shè)的響應(yīng)。然而，該專利僅聚焦于超材料本身的設(shè)計(jì)且主要針對(duì)高頻、小功率吸波問題，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)“超材料+碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料”吸波性能的調(diào)控，從而無法在低頻、大功率的微波場(chǎng)中產(chǎn)生吸波和加熱效果。

發(fā)明人經(jīng)過大量理論分析、仿真設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn)，利用大功率微波輻射由碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、介質(zhì)層、人工微結(jié)構(gòu)組成且經(jīng)過適當(dāng)設(shè)計(jì)后的層疊結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)接近100％的吸波效果，且吸收的電磁能量會(huì)在復(fù)合材料內(nèi)部的碳纖維軸向激勵(lì)出極強(qiáng)的感應(yīng)電流，從而利用焦耳加熱效應(yīng)高效地加熱碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。例如，采用僅300W的微波功率輻照由碳纖維復(fù)合材料、介質(zhì)層(聚酰亞胺)、人工微結(jié)構(gòu)(銅)組成的層疊結(jié)構(gòu)時(shí)，可以在碳纖維軸向產(chǎn)生高達(dá)900A的感應(yīng)電流，完全達(dá)到甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其高效加熱所需的電流(可參考The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2019；103:3479-3493)。而且，通過調(diào)整人工電磁超表面(由附著人工微結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層構(gòu)成)的材料、幾何、結(jié)構(gòu)等參數(shù)可以靈活調(diào)節(jié)“人工電磁超表面+碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料”各區(qū)域的微波吸收頻帶，據(jù)此提出了利用多頻微波對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行精確分區(qū)加熱的方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有分區(qū)加熱技術(shù)需要引入大量的電路或油路，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般只能對(duì)復(fù)合材料的靠模面進(jìn)行分區(qū)加熱，而且模具一旦制造完成，其結(jié)構(gòu)就被固定，難以再進(jìn)行調(diào)整，本質(zhì)上難以對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行精確的分區(qū)加熱的問題，發(fā)明一種基于人工電磁超表面的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料微波多頻分區(qū)加熱方法，它可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的精確分區(qū)加熱。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：