【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于复合材料固化成型，具体为一种结合脉冲电流和振动的复合材料固化装置和固化方法。
技术介绍
1、碳纤维复合材料主要指以树脂为基体、碳纤维作为增强相复合而成的一类新型材料，具有比强度高、比模量大、抗疲劳性能好、耐高温等特性，同时，还具有性能可设计以及材料与结构同步制造等特点，在结构减重、长寿命安全服役等方面优势明显，广泛应用于航天航空等领域。
2、目前，航空用高性能碳纤维复合材料成型主要采用热压罐成型工艺，利用热压罐的高温高压环境进行热压固化成型制造，例如：航空用t800碳纤维复合材料固化温度180℃±5℃、压力0.6mpa±0.05mpa，以期复合材料固化过程中成形和成性能够同步进行，避免因空气或水蒸气在复合材料内部残留引起孔隙和分层缺陷。但热压罐成型工艺通常以罐内电热阻丝作为热源、空气为传热载体并在风机作用下对材料表面进行循环加热。针对大厚度、复杂截面类航空承力构件，这类构件在传统热压罐加热过程中因由外至内的传热，存在不同区域温度不均匀现象，进而导致构件形性演变不同步、能耗高和效率低等问题，同时，对于热压罐高压环境的需求，也带来了较大的安全隐患。这成为制约航空碳纤维复合材料构件成型的瓶颈问题。另外，热压罐内高压气体对复合材料制件施加压力仅由外至内传递，由于制件表里承受压力大小不一，导致制件内部孔隙无法及时消除且分布不均。
3、非热压罐成型技术是一种不使用热压罐成型的复合材料罐外固化成型技术，主要有微波固化和脉冲电流固化等方法。微波固化是通过电磁波直接辐射被加热材料并穿透材料，使材料内部分子往复
技术实现思路
1、针对现有技术存在的上述问题，本专利技术的目的是提供一种结合脉冲电流和振动的复合材料固化装置和固化方法，采用脉冲电流和振动对复合材料进行高效固化，减少因空气或水蒸气滞留产生的孔隙、分层等缺陷，所述装置和方法不依靠高压环境，固化后的复合材料制件性能优异。
2、为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：
3、一种结合脉冲电流和振动的复合材料固化装置，包括脉冲电源、保温箱和安装在保温箱内的振动台、振动驱动组件、复合材料组合单元，复合材料组合单元安装在振动台上，所述振动驱动组件连接并驱动振动台振动，待加工的复合材料铺设在被抽真空的复合材料组合单元内，复合材料通过复合材料组合单元连接外部脉冲电源。
4、作为上述技术方案的进一步改进：
5、优选的，复合材料组合单元包括电极，电极接触复合材料的上表面，电极通过导线连接脉冲电源。
6、优选的，复合材料组合单元还包括刚性模具、第一绝缘膜、第一隔离膜、第二隔离膜、第二绝缘膜、毛毡和真空袋，刚性模具安装在振动台上，刚性模具上从下到上依次支撑有第一绝缘膜、第一隔离膜、复合材料、电极、第二隔离膜、第二绝缘膜、毛毡和真空袋，真空袋的边缘密封在刚性模具上，真空袋将第一绝缘膜、第一隔离膜、第二隔离膜、第二绝缘膜、毛毡和复合材料密封在真空袋内。
7、优选的，复合材料组合单元还包括刚性均压板，刚性均压板压在真空袋上。
8、优选的，刚性均压板通过紧固件固定连接在振动台上。
9、优选的，所述振动驱动组件包括振动锤和螺旋弹簧，螺旋弹簧的上端固定连接在振动台的底部、下端固定连接在工作台上，振动锤连接在振动台的底部。
10、优选的，保温箱内设置有用于监测保温箱内温度的温度探头。
11、一种复合材料固化方法，基于上述固化装置，包括如下步骤：
12、步骤s1：裁剪和铺装复合材料，使复合材料适配复合材料组合单元；
13、步骤s2：将复合材料铺设在复合材料组合单元上，安装和固定复合材料组合单元；
14、步骤s3：进行脉冲电流和振动复合固化；
15、步骤s4：卸载与拆模。
16、优选的，步骤s3中，启动脉冲电源和振动锤，复合材料组合单元在振动锤和螺旋弹簧的共同作用下被施加竖直上下加速度的随机振动，在脉冲电源中设置脉冲电流频率和电流大小，并依据温度探头所探测的温度数据进行电流频率或大小的调节，调节时，优先调整电流频率。
17、优选的，振动台向所述复合材料提供振动频率5000hz以下、振动加速度2g～50g的振动。
18、本专利技术的有益效果是：
19、(1)采用脉冲电流和振动复合固化装置和方法对复合材料进行固化，集成了脉冲电流和随机振动功能，复合材料制件协同进行脉冲电流加热和随机振动处理，固化后的复合材料制件性能优异。
20、(2)固化时，所述复合材料处于包含脉冲电流能场、竖直方向随机振动能场等多物理场协同作用的复合能场，让固化成型中复合材料内部温度场和固化度场分布均匀，并且减少因空气或水蒸气滞留产生的孔隙、分层等缺陷，具体的，采用脉冲电流能够确保复合材料制件加热固化均匀性，协同采用随机振动处理，能够确保复合材料制件各片层在同一时间且同一竖直方向发生上下振幅的均匀运动，保证了片层孔隙的有效消除且均匀分布。
21、(3)施加脉冲电流在复合材料碳纤维表面流动，使碳纤维表面温度升高，进而对复合材料进行整体加热，相比传统热压罐工艺，复合材料整体加热均匀性高、固化周期短、成型效率高。
22、(4)振动方式提高了所述装置的安全性，消除滞留在复合材料内部的空气和水蒸气，从而降低了固化后复合材料内部孔隙、分层和变形缺陷产生的概率，使得复合材料报废率降低，并提高了复合材料生产质量和效率，可进行振动施加时机、起始温度、振动加速度和振动时长的优化，优化后所制备的复合材料制件性能可得到不断优化，且不亚于热压罐成型工艺获得的复合材料制件性能。
23、(5)所述装置和方法不依靠高压环境，大幅度降低了安全隐患，降低了成本，在抽真空和脉冲电流和振动复合固化工艺下，实现了复合材料制件安全、高效且节能的固化制造。
24、(6)所制备的复合材料制件性能能够达到航空复合材料制件性能要求，能实现大厚度、复杂截面类航空碳纤维复合材料构件固化成型中整体温度场的均匀分布，为航空碳纤维复合材料构件形性演变不同步、能耗高和效率低等问题提供解决方案，可用于条件苛刻的航空碳纤维复合材料构件的固化成型，固化效率得到了提高。
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1.一种结合脉冲电流和振动的复合材料固化装置，其特征在于，包括脉冲电源(13)、保温箱(1)和安装在保温箱(1)内的振动台(3)、振动驱动组件、复合材料组合单元(15)，复合材料组合单元(15)安装在振动台(3)上，所述振动驱动组件连接并驱动振动台(3)振动，待加工的复合材料(01)铺设在被抽真空的复合材料组合单元(15)内，复合材料(01)通过复合材料组合单元(15)连接外部脉冲电源(13)。
2.根据权利要求1所述的复合材料固化装置，其特征在于：复合材料组合单元(15)包括电极(9)，电极(9)接触复合材料(01)的上表面，电极(9)通过导线(14)连接脉冲电源(13)。
3.根据权利要求2所述的复合材料固化装置，其特征在于：复合材料组合单元(15)还包括刚性模具(2)、第一绝缘膜(6)、第一隔离膜(11)、第二隔离膜、第二绝缘膜、毛毡(10)和真空袋(8)，刚性模具(2)安装在振动台(3)上，刚性模具(2)上从下到上依次支撑有第一绝缘膜(6)、第一隔离膜(11)、复合材料(01)、电极(9)、第二隔离膜、第二绝缘膜、毛毡(10)和真空袋(8)，真空袋
4.根据权利要求3所述的复合材料固化装置，其特征在于：复合材料组合单元(15)还包括刚性均压板(7)，刚性均压板(7)压在真空袋(8)上。
5.根据权利要求4所述的复合材料固化装置，其特征在于：刚性均压板(7)通过紧固件(16)固定连接在振动台(3)上。
6.根据权利要求1所述的复合材料固化装置，其特征在于：所述振动驱动组件包括振动锤(31)和螺旋弹簧(32)，螺旋弹簧(32)的上端固定连接在振动台(3)的底部、下端固定连接在工作台上，振动锤(31)连接在振动台(3)的底部。
7.根据权利要求1所述的复合材料固化装置，其特征在于：保温箱(1)内设置有用于监测保温箱(1)内温度的温度探头(5)。
8.一种复合材料固化方法，基于权利要求1～7任一所述的固化装置，其特征在于：包括如下步骤：
9.根据权利要求8所述的固化方法，其特征在于：步骤S3中，启动脉冲电源(13)和振动锤(31)，复合材料组合单元(15)在振动锤(31)和螺旋弹簧(32)的共同作用下被施加竖直上下加速度的随机振动，在脉冲电源(13)中设置脉冲电流频率和电流大小，并依据温度探头(5)所探测的温度数据进行电流频率或大小的调节，调节时，优先调整电流频率。
10.根据权利要求8所述的固化方法，其特征在于：振动台(3)向所述复合材料(01)提供振动频率5000Hz以下、振动加速度2g～50g的振动。
...【技术特征摘要】
1.一种结合脉冲电流和振动的复合材料固化装置，其特征在于，包括脉冲电源(13)、保温箱(1)和安装在保温箱(1)内的振动台(3)、振动驱动组件、复合材料组合单元(15)，复合材料组合单元(15)安装在振动台(3)上，所述振动驱动组件连接并驱动振动台(3)振动，待加工的复合材料(01)铺设在被抽真空的复合材料组合单元(15)内，复合材料(01)通过复合材料组合单元(15)连接外部脉冲电源(13)。
2.根据权利要求1所述的复合材料固化装置，其特征在于：复合材料组合单元(15)包括电极(9)，电极(9)接触复合材料(01)的上表面，电极(9)通过导线(14)连接脉冲电源(13)。
3.根据权利要求2所述的复合材料固化装置，其特征在于：复合材料组合单元(15)还包括刚性模具(2)、第一绝缘膜(6)、第一隔离膜(11)、第二隔离膜、第二绝缘膜、毛毡(10)和真空袋(8)，刚性模具(2)安装在振动台(3)上，刚性模具(2)上从下到上依次支撑有第一绝缘膜(6)、第一隔离膜(11)、复合材料(01)、电极(9)、第二隔离膜、第二绝缘膜、毛毡(10)和真空袋(8)，真空袋(8)的边缘密封在刚性模具(2)上，真空袋(8)将第一绝缘膜(6)、第一隔离膜(11)、第二隔离膜、第二绝缘膜、毛毡(10)和复合材料(01)密封在真空袋(8)内。
4.根据权利要求3所述的复合材料固化...
【专利技术属性】
技术研发人员：常腾飞，谢臣，李树健，刘智勇，邹曦，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：
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