一种复合能场加热方法技术

本发明专利技术提供一种复合能场加热方法，包括使用微波加热装置对吸波材料进行定点或定向加热以及使用热压罐对吸波材料进行整体加热，所述方法采用一种复合能场加热装置完成；所述复合能场加热装置包括微波加热装置和热压罐，所述微波加热装置包括微波发生器、微波腔和微波局部屏蔽件，所述微波发生器向微波腔内发送微波，微波腔内用于放置吸波材料，所述微波局部屏蔽件位于微波腔内且用于覆盖在吸波材料的外表面，所述微波局部屏蔽件由屏蔽微波区和透过微波区组成，所述透过微波区包含一条或多条缝隙使得微波腔内的微波能从缝隙处进入吸波材料中而被其吸收。本发明专利技术能真正做到吸波材料中各处温度一致，为航空航天领域提供高质量的固化产品。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及加热领域，具体涉及一种复合能场加热装置及方法。
技术介绍
复合材料(如包含碳纤维织物和树脂的复合材料)的固化过程是一个复杂的热、化学和机械性能急剧变化的过程。特别对于大尺寸制件，由于其结构的复杂性，如变厚度、多界面、变结构(C型、工型、J型、T型)，以及制造工艺环境的不均匀性，制件在固化过程中不同部位处的温度和压力分布难以保持一致，从而导致树脂流动的不均匀和固化效应的不同步，容易产生分层、孔隙和纤维宏观滑移等缺陷，降低制件性能；同时，由于材料的力学性能各向异性、固化收缩非均匀性以及模具的约束作用，导致制件内应力分布不均，极易出现翘曲变形，制件成形的确定性差。尽管热压罐内的空气温度和固化压力分布均匀，但目前大范围使用的热压罐成型工艺用来加热和固化复合材料厚件或者变厚度的制件时，因为复合材料是热的不良导体，当制件厚度比较厚或厚度不均匀时，在热压罐内加热、固化的过程中，制件表面与内部存在较大的温差，制件内部升温速度明显滞后，制件整体温度场极不均匀，制件表面与内部的固化不同步，增大了复合材料基体的固化收缩非均匀性，从而导致固化后的制件发生分层、变形、开裂、残余应力等各种缺陷。严重时，甚至使整个制件报废。这些情况的存在，使得生产对质量要求苛刻的航空航天制件时，保证产品的生产质量和生产效益难度十分大。微波具有对某些材料进行选择性加热、加热速度快、加热均匀、穿透性强、热惯性小等优点，将微波技术应用于复合材料固化领域，能显著减少固化时间，降低生产成本，获得优异的制品性能，具有巨大的发展潜力。国内外已在复合材料固化领域展开了大量研究，并取得了丰硕的成果。如中国专利申请CN201410295387提供一种微波-压力固化复合材料的温度均匀分布方法及成套固化装置，所述方法是在压力容器罐体中采用多边形腔体使得微波在腔体中发生多次反射，提高微波入射到复合材料的均匀性。同时在腔体的前后设置波导窗，气体介质可流动到腔体中，与复合材料发生对流换热，进一步提高材料的温度均匀性，并可实现压力容器内的气体在复合材料加热固化时施加压力。所述的装置主要包括多边形腔体和电磁屏蔽窗。该专利技术可提高复合材料构件的温度均匀性，降低微波固化复合材料构件的翘曲变形。专利申请CN201410471231、CN201410471234和CN201510109343等文件中也公开了使用热压罐与微波结合用于加热固化复合材料的技术。但使用这些上述装置或方法对复合材料进行复合能场加热固化时，即同时使用微波方式和传统方式(热压罐)对复合材料进行加热固化，都会使得加热固化情况并不能良好的受控，使得复合材料进行复合能场加热固化的实际结果与理想值和设计值相距甚远。如何让大型厚制件和大型变厚度制件内部温度场均匀，目前还没有一个既能很快实现厚制件升温，又能保证制件中各点的温度差异非常小的办法。因此，本领域需要针对这种情况而开发一种特别的复合能场加热装置及复合能场加热方法。
技术实现思路
因此，本专利技术提供一种复合能场加热方法，包括使用微波加热装置对吸波材料进行定点或定向加热以及使用热压罐对吸波材料进行整体加热，所述方法采用一种复合能场加热装置完成；所述复合能场加热装置包括微波加热装置和热压罐，所述微波加热装置包括微波发生器、微波腔和微波局部屏蔽件，所述微波发生器向微波腔内发送微波，微波腔内用于放置吸波材料，所述微波局部屏蔽件位于微波腔内且用于覆盖在吸波材料的外表面，所述微波局部屏蔽件由屏蔽微波区和透过微波区组成，所述透过微波区包含一条或多条缝隙使得微波腔内的微波能从缝隙处进入吸波材料中而被其吸收；所述微波腔整体设置在热压罐内且在二者间留有气流通道，所述微波腔上含有一个或多个由金属蜂窝板构成的通风窗或通风墙，用于在屏蔽微波的同时可使得热压罐内的微波腔内外侧气流畅通。本专利技术中，复合材料不再直接暴露于微波场中完成固化。本专利技术中，所述热压罐为本领域技术人员可知的普通热压罐，其可为吸波材料提供传统的电加热和气体增压。本领域技术人员知晓地，微波通常呈现穿透、反射和吸收三个基本特性。对于玻璃、部分塑料和陶瓷，微波几乎是穿越而不被吸收；对于水和食物等吸波材料就会吸收微波而使其自身发热；而对金属类物质，则会反射微波。自然界中到处都有微波，但存在于自然界的微波，因为分散不集中，故不能用于加热物品。微波炉是利用其内部的磁控管，将电能转变成微波，例如以2450MHZ的振荡频率穿透食物，当微波被吸波材料吸收时，吸波材料内的极性分子(如水、脂肪、蛋白质、糖等)即被吸引以每秒24亿5千万次的速度快速振荡，这种震荡的宏观表现就是吸波材料被加热了；这就是微波加热的大致原理。本专利技术中，所述吸波材料是指该材料中至少有一种组分能吸收一定频率的微波。本领域技术人员能理解的，本专利技术中，微波能从缝隙处进入吸波材料中而被吸波材料定点吸收，所述定点吸收的概念是宏观的定点概念，也就是使用本专利技术中提供的装置对吸波材料加热时，并不会只对某个点进行加热，而是对某个指定的区域进行加热。在一种具体的实施方式中，所述微波加热装置中还包括测温装置，所述测温装置包含测温头和测温传输线，所述测温头设置在微波局部屏蔽件内侧的吸波材料中，所述测温传输线一端与测温头连接，另一端引出至所述微波腔外侧。本专利技术方案中，在对吸波材料的加热性能以及本专利技术所述微波加热装置(微波局部屏蔽件)的性能熟悉之前，均需要使用测温装置4来研究和探求一个合适的吸波材料的加热或固化方法。而在研发人员对上述性能均掌握清楚后，则无需再在吸波材料中设置测温头，此时通过及时调节微波功率即可实现对吸波材料的可控的定点加热和固化。本专利技术中，在所述吸波材料(如碳纤维与树脂的复合材料)加热固化后，因测温头无法再取出而会在产品中形成一个小的瑕疵点。因而在实验室探究出各测温点与本专利技术中微波加热装置的对应关系后形成经验参数；工业生产过程中，均通过所述经验参数调控微波频率即可，而不再需要在所述复合材料中设置测温头，从而避免在产品中形成小的瑕疵点。本专利技术中，所述测温装置包括热电偶、热敏电阻、红外传感器、光纤荧光传感器和光纤光栅传感器中的一种或多种。若测温装置中包括金属电线，则需要对该金属电线进行微波屏蔽处理。而若采用光纤线，则无需对测温装置进行微波屏蔽。在一种具体的实施方式中，有测温头设置在吸波材料中的定点吸波处，且所述测温头与微波局部屏蔽件上缝隙间的距离为≥2mm。本专利技术中，所述微波腔接受来自微波发生器中的微波且在工作过程中将微波能全部屏蔽在微波腔中。所述微波腔包括炉门，所述炉门设置在微波腔本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合能场加热方法，包括使用微波加热装置对吸波材料进行定点或定向加热以及使用热压罐(111)对吸波材料进行整体加热，所述方法采用一种复合能场加热装置完成；所述复合能场加热装置包括微波加热装置和热压罐，所述微波加热装置包括微波发生器(1)、微波腔(2)和微波局部屏蔽件(3)，所述微波发生器向微波腔内发送微波，微波腔内用于放置吸波材料(01)，所述微波局部屏蔽件位于微波腔内且用于覆盖在吸波材料的外表面，所述微波局部屏蔽件(3)由屏蔽微波区(31)和透过微波区(32)组成，所述透过微波区(32)包含一条或多条缝隙使得微波腔内的微波能从缝隙处进入吸波材料中而被其吸收；所述微波腔整体设置在热压罐内且在二者间留有气流通道，所述微波腔上含有一个或多个由金属蜂窝板构成的通风窗或通风墙，用于在屏蔽微波的同时可使得热压罐内的微波腔内外侧气流畅通。

【技术特征摘要】
1.一种复合能场加热方法，包括使用微波加热装置对吸波材料进行定点或定向加热
以及使用热压罐(111)对吸波材料进行整体加热，所述方法采用一种复合能场加热装置完
成；所述复合能场加热装置包括微波加热装置和热压罐，所述微波加热装置包括微波发生
器(1)、微波腔(2)和微波局部屏蔽件(3)，所述微波发生器向微波腔内发送微波，微
波腔内用于放置吸波材料(01)，所述微波局部屏蔽件位于微波腔内且用于覆盖在吸波材
料的外表面，所述微波局部屏蔽件(3)由屏蔽微波区(31)和透过微波区(32)组成，
所述透过微波区(32)包含一条或多条缝隙使得微波腔内的微波能从缝隙处进入吸波材料
中而被其吸收；所述微波腔整体设置在热压罐内且在二者间留有气流通道，所述微波腔上
含有一个或多个由金属蜂窝板构成的通风窗或通风墙，用于在屏蔽微波的同时可使得热压
罐内的微波腔内外侧气流畅通。
2.根据权利要求1所述的复合能场加热方法，其特征在于，所述微波加热装置中还
包括测温装置(4)，所述测温装置包含测温头(41)和测温传输线(43)，所述测温头设
置在微波局部屏蔽件内侧的吸波材料中，所述测温传输线一端与测温头连接，另一端引出
至所述微波腔外侧。
3.根据权利要求1所述的复合能场加热方法，其特征在于，所述微波发生器设置在
所述热压罐外且微波发生器发出的微波通过包括透波耐压板(112)和裂缝天线(113)的
微波传导部件导入所述微波腔内。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的复合能场加热方法，其特征在于，所述微波
发生器的功率可调节，优选其功率线性可调；且所述复合能场加热方法中包括微波加热装
置对吸波材料进行定点或定向加热的同时热...

【专利技术属性】
技术研发人员：湛利华，陈效平，韦东才，黄明辉，常腾飞，李树健，李自强，丁星星，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43