本發(fā)明涉及一種復合材料成型技術(shù)，尤其是一種復合材料微波固化技術(shù)，具體地說是一種降低復合材料微波固化應力的方法。

背景技術(shù)：

眾所周知，先進復合材料具有比強度和比模量高、抗疲勞性能好、耐腐蝕性能好和整體成型性好等許多優(yōu)異特性，飛機上大量應用復合材料不僅可以明顯地減輕飛機的結(jié)構(gòu)重量，提高飛機的性能，還可以大大減少零部件數(shù)量，簡化工裝、利于進行大部件組裝，加快制造周期。應用部位由次承力結(jié)構(gòu)向主承力結(jié)構(gòu)過渡，目前復合材料已廣泛用于各種操縱面、機翼和機身等主承力部位。復材在復雜曲面構(gòu)件上的應用越來越多，如進氣道、機身段、壓力隔框等。構(gòu)件向整體成型、共固化方向發(fā)展，可以明顯減少零件、緊固件和模具的數(shù)量，大幅度地減少裝配工序，是復合材料結(jié)構(gòu)減重的重要措施，也是降低成本的一種有效方法。

目前，先進復合材料的主要成型工藝是熱壓罐固化工藝。將復合材料與成型模具封裝后送入熱壓罐中，加溫加壓固化成型。熱壓罐固化工藝以熱傳導方式加熱復合材料，復合材料內(nèi)部的溫差大；罐體內(nèi)所有材料包括氣體介質(zhì)均需加熱至高溫，能耗高，固化周期長、效率低。微波固化復合材料工藝是一種極有潛力替代熱壓罐的工藝技術(shù)，能內(nèi)外同時均勻加熱復合材料，加熱速度快。微波固化過程中，只加熱復合材料，罐內(nèi)其他材料與氣體介質(zhì)均不加熱，能耗低，固化周期短，效率高。但復合材料的微波固化工藝尚不明確，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，仍然直接將熱壓罐的固化工藝應用到微波固化中，未能充分發(fā)揮微波固化的優(yōu)勢。為此，提出一種使復合材料微波固化的加熱速度快、熱慣性小、固化速率快與選擇性加熱等優(yōu)異特性，建立一種優(yōu)化的復合材料微波固化工藝方法，降低復合材料固化應力是加快微波固化方法在復合材料中應用的關(guān)鍵。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對目前采用微波固化復合材料時應缺少相應的減少固化應力的方法而直接將熱壓罐的固化工藝應用到微波固化中造成微波固化難以充分發(fā)揮優(yōu)勢的問題，發(fā)明一種降低復合材料微波固化應力的方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種降低復合材料微波固化應力的方法，其特征在于：在復合材料的微波固化過程中，材料的加熱溫度隨加熱過程循環(huán)升高與降低，直至復合材料完全固化。

復合材料固化溫度循環(huán)升高與降低的過程中，升降溫變化幅度不小于10攝氏度，溫度循環(huán)變化過程中的升溫速率與降溫速率隨固化時間變化，升降溫速率可單獨調(diào)節(jié)。

固化溫度周期變化過程中，循環(huán)變化的形式可以是連續(xù)的升溫后直接降溫或在溫度轉(zhuǎn)折點保溫再降溫或升溫。

第一次降溫的溫度轉(zhuǎn)折點為樹脂凝膠點。

復合材料采用金屬或非金屬材料固化模具。

所述的模具優(yōu)先采用具有電磁波穿透性且散熱能力較好的金屬或非金屬材料固化模具。

復合材料的降溫方式為自然冷卻降溫或外部主動冷卻降溫。

本發(fā)明的方法的關(guān)鍵在復合材料的微波固化過程中，樹脂到達某一時刻進行一段固化溫度隨時間循環(huán)升高與降低，直至復合材料完全固化的周期變化。該周期變化的起始時刻可任意選擇或采用樹脂的凝膠點開始時刻。固化溫度循環(huán)變化的形式可以是連續(xù)的升溫后直接降溫或在溫度轉(zhuǎn)折點保溫再降溫/升溫。循環(huán)升降溫的溫度工藝可以為升降溫速率不相同的鋸齒形、正弦波形與方波形等。復合材料固化溫度周期變化時的升降溫變化幅度不小于10攝氏度，升溫速率與降溫速率隨固化時間變化，且各不相同。固化溫度周期變化過程中，在升溫后直接降溫，然后再升溫，反復循環(huán)，或在溫度轉(zhuǎn)折點保溫再降溫或升溫，保溫的時間在5至30分鐘之間，保溫過程中溫度變化幅度不超過5攝氏度。復合材料采用金屬或非金屬材料固化模具，優(yōu)先采用具有一定的電磁波穿透性且散熱能力較好的模具。復合材料的降溫方式為自然冷卻降溫或外部主動冷卻降溫(如強制對流換熱等)。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明能降低復合材料微波固化過程中產(chǎn)生的應力，提高固化質(zhì)量。

本發(fā)明為微波固化復合材料提供了理想的控溫方法，為微波固化替代傳統(tǒng)的熱壓罐固化奠定了基礎(chǔ)。

本發(fā)明能降低固化應力80％以上，能滿足大型結(jié)構(gòu)件的使用需要。

附圖說明

圖1是本發(fā)明固化溫度變化曲線圖之一。

圖2是本發(fā)明固化溫度變化曲線圖之二。

圖3是本發(fā)明實例的循環(huán)變化的固化溫度曲線示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。

如圖2所示。

一種降低復合材料微波固化應力的方法，在復合材料的微波固化過程中，樹脂到達凝膠點后具有一段固化溫度隨時間升高與降低(即一高一低循環(huán)往復)，并循環(huán)變化直至復合材料完全固化的溫度工藝。升降溫變化幅度在10攝氏度以上，升溫速率與降溫速率可隨固化時間變化，且各不相同，如圖2所示。具體實施時還可在升溫后可直接降溫，然后再升溫，反復循環(huán)，也可在溫度轉(zhuǎn)折點保溫(溫度變化幅度不超過5攝氏度)一段時間再降溫或升溫，保溫的時間可在5至30分鐘之間。在復合材料微波固化過程中，可施加均勻的壓力壓實復合材料。復合材料的固化模具可采用金屬或非金屬材料，且具有較好的散熱能力。復合材料的非貼模具面可封裝真空袋材料，也可不封裝，真空袋中不添加具有保溫功能的材料。

實例如圖1、3所示。

一種碳纖維增強雙馬來酰亞胺樹脂基復合材料的微波固化方法，按照復合材料的微波固化方程、微波固化傳熱方程與熱應力方程確定不同階段的溫度值與變化程度，采用如圖2所示的鋸齒形溫度循環(huán)變化的工藝，溫度的變化值g(t)可表示為：

其中，p(t)為中點溫度，a(t)為變化幅值，為變化頻率，復合材料的固化度變化可表示為：

其中，k為指前因子，e為活化能，r為普適氣體常數(shù)，t為固化溫度，b為與固化過程有關(guān)的常量，m與n為反應級數(shù)。復合材料的微波固化反應動力學可通過非等溫差示掃描量熱法測量得到。碳纖維增強雙馬來酰亞胺樹脂基復合材料的固化反應動力學方程為：

復合材料微波固化過程中的應力σtotal主要包括纖維與樹脂之間的應力σfiber-resin與模具和制件之間的應力σtool-part。

σtotal＝σfiber-resin+σtool-part(4)

纖維與樹脂之間的應力與模具和制件之間的應力可表示為：

σfiber-resin＝δtβfef-σr(τ)(5)

σtool-part＝δt(βtet-βpep(t))(6)

其中，δt為溫度變化量，βf，βt與βp分別表示纖維、模具與復合材料制件的熱膨脹系數(shù)，ef與et表示纖維與模具的彈性模量，σr(τ)表示樹脂固化過程中的松弛應力，ep(t)表示樹脂固化的松弛應力作用下復合材料的粘彈性模量。

松弛應力與粘彈性模量可表示為：

ep(t)＝e'(t)+ie”(t)(8)

其中，βr表示樹脂熱膨脹系數(shù)，κf(τ)為移動因子，ξ(t)為折減因子，t(t)為溫度隨時間的變化量。折減因子的值可由材料在不同溫度下短時間內(nèi)試驗得出的材料主松馳曲線獲得。復合材料的儲能模量e'(t)與損耗模量e”(t)通過熱機械動力學實驗測量得到。移動因子與溫度工藝變化頻率和樹脂本征頻率fref(t)之間的關(guān)系為：

求解循環(huán)變化的微波固化工藝的約束條件如下。g1(x)與g2(x)式表示微波加熱與降溫速度選取微波加熱裝置的最大升溫速率與降溫速率；升溫速率越大，降溫速率越大，材料的固化應力越??；g3(x)表示在降溫開始前復合材料的固化度需達到100％；g4(x)表示加熱過程中的最高溫度不能超過復合材料的焦化溫度；g5(x)表示加熱的中心點溫度需大于材料的凝膠溫度使得材料能發(fā)生固化反應，而小于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，避免材料過快固化造成性能下降。

求解的目標函數(shù)f(x)如下所示，求f(x)的最小值即使得復合材料固化過程中積累的應力最小。

為求解方便，將公式(12)分解為兩部分，一部分為指數(shù)型半經(jīng)驗公式與中心點溫度、降溫速率和保溫時間有關(guān)，另一部分循環(huán)加熱過程的應力相消。

f(x)＝f^s(x)+f^c(x)(13)

由于降溫階段的應力受模具制件相互作用的影響，因此需考慮模具的熱膨脹系數(shù)與材料熱膨脹系數(shù)的關(guān)系。當復合材料的熱膨脹系數(shù)βp大于模具的熱膨脹系數(shù)βt時，降溫速率對應力的影響為正比關(guān)系，當其小于模具熱膨脹系數(shù)時為反比關(guān)系。

忽略應力在復合材料厚度方向的變化，考慮半個循環(huán)變化周期的應力相消，第二部分可表達為下式：

根據(jù)邊界條件求解方程(16)與固化動力學方程(3)，即得到循環(huán)變化的溫度工藝如圖3所示。升溫速率為3℃/min，凝膠點的中心溫度為185℃(保溫15min)，按照5℃/min的降溫速率降至130℃后開始以指數(shù)衰減循環(huán)升溫與降溫。

表1實施例使用材料的熱力學參數(shù)

本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。