一种碳纤维复合材料的自动控制微波加热固化装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术提供一种碳纤维复合材料的自动控制微波加热固化装置，包括电热件、振动台、微波发生器、微波腔、微波局部屏蔽件、微波功率控制模块、控制系统和抽真空部件，所述电热件和振动台均设置在微波腔内；振动台上用于放置复合材料，微波发生器和电热件均用于为所述复合材料供热，所述微波局部屏蔽件位于微波腔内；所述振动台为能向所述复合材料提供5000Hz以下振动频率的振动以及能提供2g以上振动加速度的振动的振动台；设置在微波腔外的控制系统通过自动控制微波功率控制模块而自动调节微波发生器的启闭和/或功率大小。本实用新型专利技术所述装置可以使得复合材料在大气压下固化得到性能优良的制件。

An Automatic Control Microwave Heating Curing Device for Carbon Fiber Composites

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维复合材料的自动控制微波加热固化装置
本技术属于复合材料固化成型领域，具体涉及一种碳纤维复合材料的自动控制微波加热固化装置。
技术介绍
目前航空航天用高性能树脂基复合材料成型主要使用热压罐工艺，因为其固化时一般都需要比较高的温度和固化压力来消除固化过程中树脂基体所产生的气泡，例如T800碳纤维增强环氧树脂预浸料在180℃和0.6MPa的条件下固化，以避免固化后的制件内部疏松多孔和力学性能差。传统热压罐固化工艺中，由于复合材料制件的几何尺寸、材料体系以及固化工艺参数的差异均会不同程度的引起制件内部温度和固化度的不均匀分布，导致制件产生复杂的内应力，严重影响复合材料制件的形性协同制造，尤其是对于固化厚截面制件，制件内部存在较大的温度梯度，因此产生的复杂的内应力会使制件产生分层和基体开裂等缺陷，甚至使制件在成型期间就遭到损坏。因微波具有选择性加热、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。如本申请的专利技术人在先取得的专利权CN201610025303、CN201610027791、CN201610027866、CN201610030557以及CN201710214268等都是采用微波结合热压罐的工艺对复合材料进行热压固化。以使得热压固化的复合材料制件在固化过程中能够获得精准所需的温度场。但是上述复合材料固化过程中都还离不开热压罐的使用。而热压罐成型工艺存在热压罐设备本身价格昂贵，生产效率低、能耗高、设备制造和运行成本高、对成型模具要求高等一些缺点。另外，热压罐中的高压操作结合微波使用时，还存在一定的安全隐患。这已经成为制约复合材料广泛应用的一个瓶颈，低成本的非热压罐成型技术在这种背景下诞生。非热压罐成型技术是一种低成本复合材料制造技术，其与热压罐成型工艺的主要区别是成型时不需要施加外压，抛弃造价昂贵的热压罐，仅仅采用烘箱与抽真空系统，因此复合材料固化的生产成本低廉。这在设备成型和模具成本方面都优于热压罐成型工艺。但是，获得与热压罐成型工艺相同质量的复合材料固化制件，是非热压罐成型技术的主要目标。然而，由于成型压力低，非热压罐成型的复合材料制件孔隙率较高。一般热压罐成型航空航天主承力结构件的孔隙率应低于1％，次承力结构件的孔隙率应低于2％，而传统的复合材料预浸料若采用非热压罐成型技术固化，其制件孔隙率可以高达5％～10％。孔隙是影响复合材料性能的重要因素，因此降低固化得到的复合材料制件的孔隙率并使其达到热压罐固化的复合材料制件的孔隙率水平，已成为非热压罐成型技术研究的首要任务。也就是说，随着树脂材料固化工艺的不断发展，一些受力不大的非承力构件，人们已经开始用热压罐外固化工艺来制作。但是对于航空航天用的如T800碳纤维增强环氧树脂预浸料等复合材料，仅仅靠抽真空的固化压力远远不够，因固化压力不够，固化后制件内部就会产生空隙等缺陷，进而大大降低制件的力学性能。所以，对于航空航天用的先进树脂基碳纤维增强复合材料，使用目前已有的热压罐外固化技术还不能达到要求。因此，为了节约成本和提高安全系数，在不使用热压罐对复合材料进行高压固化时，如果能使得航空航天用的高性能复合材料的孔隙率也能实现类似在热压罐中热压固化的效果，这是本领域技术人员需要解决的问题。因此，本领域技术人员需要开发相应的用于高性能树脂基碳纤维增强复合材料制件固化的装置和方法。
技术实现思路
本技术提供一种碳纤维复合材料的自动控制微波加热固化装置，包括电热件、振动台、微波发生器、微波腔、微波局部屏蔽件、微波功率控制模块、控制系统和抽真空部件，所述电热件和振动台均设置在微波腔内；振动台上用于放置复合材料，所述微波发生器向微波腔内发送微波用于为所述复合材料供热，所述电热件也用于为所述复合材料供热，所述微波局部屏蔽件位于微波腔内且用于覆盖在复合材料的外表面，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复合材料中而被其吸收；所述抽真空部件包括真空袋和真空管，且用于将复合材料固化过程中产生的气体及时抽出；所述振动台为能向所述复合材料提供5000Hz以下振动频率的振动以及能提供2g以上振动加速度的振动的振动台；设置在微波腔外的控制系统通过自动控制微波功率控制模块而自动调节微波发生器的启闭和/或功率大小。在一种具体的实施方式中，所述振动台为能向所述复合材料提供2000Hz以下振动频率的振动以及能提供3g以上振动加速度的振动的振动台。在一种具体的实施方式中，所述振动台为能向所述复合材料提供10Hz以上振动频率的振动以及能提供50g以下振动加速度的振动的振动台，优选所述振动台为能向所述复合材料提供20Hz以上振动频率的振动以及能提供30g以下振动加速度的振动的振动台。在一种具体的实施方式中，所述振动台为能向所述复合材料提供30～1000Hz中至少部分振动频率的振动以及能提供5～20g中至少部分振动加速度的振动的振动台。在一种具体的实施方式中，所述控制系统(11)还与所述电热件(222)电连接控制用于自动调节电热件的启闭和/或升温速率。在一种具体的实施方式中，所述振动台(7)下方连接有多个振动锤，且每个振动锤均与振动用液压油管或气管(71)连接以共同用于为振动台和设置在振动台上的复合材料提供加速度竖直方向的随机不间断的振动，优选所述振动锤均匀分布在振动台下方。在一种具体的实施方式中，所述装置还包括测温部件，且所述测温部件包含测温头(41)、数据采集仪(42)和测温传输线，所述测温头设置在微波局部屏蔽件内侧的复合材料中，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与所述数据采集仪连接，所述数据采集仪用于及时显示所述测温头测得的温度且数据采集仪将采集的数据传输至控制系统(11)，控制系统通过自动控制微波功率控制模块而自动调节微波发生器的启闭和/或功率大小。在一种具体的实施方式中，所述透过微波区的面积占整个微波局部屏蔽件面积的30％以下，优选在15％以下，更优选在5％以下；所述缝隙的长宽比为≥2：1，优选≥5：1，更优选≥10：1；所述缝隙的长度为≥20mm，优选≥40mm，更优选≥80mm，且缝隙的宽度为1～30mm。在一种具体的实施方式中，所述微波发生器的功率可调节，优选其功率线性可调，微波发生器位于微波腔顶部，所述微波发生器包括透波耐温板和裂缝天线。在一种具体的实施方式中，所述真空袋设置在微波局部屏蔽件的外侧，且在所述真空袋和微波局部屏蔽件之间还设置有透气毡(6)用于抽真空时气体的导流，所述抽真空部件还包括快接接头(9)和密封胶带(10)。使用本技术提供的装置和方法，至少能带来如下有益效果：1)本技术提供一种电热能场、微波能场和竖直方向的振动加速度场等多场耦合的复合能场，使得加热固化复合材料时其内部的温度场和固化度均匀。2)本技术提供的装置中采用电热件作为主要加热源对复合材料进行整体加热，而使用微波定点或定向加热辅助提供能量，使得复合材料的加热固化能真正做到各处均匀一致。本技术能实现复合材料制件的内部温度均匀分布和制件的内外固化同步，从而大大减少本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维复合材料的自动控制微波加热固化装置，包括电热件(222)、振动台(7)、微波发生器(1)、微波腔(2)、微波局部屏蔽件(3)、微波功率控制模块(12)、控制系统(11)和抽真空部件，所述电热件(222)和振动台(7)均设置在微波腔(2)内；振动台上用于放置复合材料(01)，所述微波发生器向微波腔内发送微波用于为所述复合材料供热，所述电热件(222)也用于为所述复合材料供热，所述微波局部屏蔽件位于微波腔内且用于覆盖在复合材料的外表面，所述微波局部屏蔽件(3)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复合材料中而被其吸收；所述抽真空部件包括真空袋(5)和真空管(8)，且用于将复合材料固化过程中产生的气体及时抽出；所述振动台为能向所述复合材料提供5000Hz以下振动频率的振动以及能提供2g以上振动加速度的振动的振动台；设置在微波腔外的控制系统(11)通过自动控制微波功率控制模块(12)而自动调节微波发生器(1)的启闭和/或功率大小。

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维复合材料的自动控制微波加热固化装置，包括电热件(222)、振动台(7)、微波发生器(1)、微波腔(2)、微波局部屏蔽件(3)、微波功率控制模块(12)、控制系统(11)和抽真空部件，所述电热件(222)和振动台(7)均设置在微波腔(2)内；振动台上用于放置复合材料(01)，所述微波发生器向微波腔内发送微波用于为所述复合材料供热，所述电热件(222)也用于为所述复合材料供热，所述微波局部屏蔽件位于微波腔内且用于覆盖在复合材料的外表面，所述微波局部屏蔽件(3)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复合材料中而被其吸收；所述抽真空部件包括真空袋(5)和真空管(8)，且用于将复合材料固化过程中产生的气体及时抽出；所述振动台为能向所述复合材料提供5000Hz以下振动频率的振动以及能提供2g以上振动加速度的振动的振动台；设置在微波腔外的控制系统(11)通过自动控制微波功率控制模块(12)而自动调节微波发生器(1)的启闭和/或功率大小。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述复合材料为T800碳纤维增强环氧树脂预浸料，所述振动台为能向所述复合材料提供2000Hz以下振动频率的振动以及能提供3g以上振动加速度的振动的振动台。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述振动台为能向所述复合材料提供20Hz以上振动频率的振动以及能提供30g以下振动加速度的振动的振动台。4.根据权利要求1～3中任意一项所述的装置，其特征在于，所述振动台为能向所述复合材料提供30～1000Hz中至少部分振动频率的振动以及能提供5～20g中至少部分振动加速...

【专利技术属性】
技术研发人员：湛利华，陈效平，黄明辉，杨晓波，关成龙，蒋成标，刘桂铭，贺佳阳，戴光明，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：新型
国别省市：湖南,43