一種復(fù)合材料低成本快速固化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種復(fù)合材料低成本快速固化方法，采用中頻電磁感應(yīng)線圈作用金屬模具自發(fā)加熱的方式，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料快速固化成型，屬于復(fù)合材料成型技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]復(fù)合材料在航空航天等領(lǐng)域日益發(fā)揮重要作用，成型工藝的研宄一直是復(fù)合材料學(xué)界的熱點(diǎn)課題之一。從20世紀(jì)40年代至今，復(fù)合材料成型工藝發(fā)生了巨大而深刻的變化，為促進(jìn)整個(gè)復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展起到了決定性的作用。未來，隨著社會(huì)工業(yè)的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，復(fù)合材料構(gòu)件制造技術(shù)的發(fā)展方向?qū)⑹?新型成型技術(shù)的應(yīng)用，特別是發(fā)展快速、優(yōu)良、穩(wěn)定的固化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件生產(chǎn)的批量化，降低復(fù)合材料制造成本，促使復(fù)合材料制造技術(shù)走向智能化、規(guī)?；?br>[0003]現(xiàn)有的復(fù)合材料固化成型工藝，特別是傳統(tǒng)的熱壓罐成型工藝，固化周期長(zhǎng)，耗能大，生產(chǎn)成本高。原因在于，熱壓罐工藝等通過加熱模具周圍環(huán)境溫度以熱傳導(dǎo)的方式給模具升溫來固化成型復(fù)合材料，采用熱傳導(dǎo)的方式熱能傳遞效率低，模具升溫速度慢，且各部位的熱傳導(dǎo)效率不同，模具溫度場(chǎng)均勻性控制較難，由于升溫速率和溫度是影響樹脂黏度變化的關(guān)鍵因素，而樹脂黏度的高低又影響固化加壓時(shí)機(jī)，過慢的升溫速率和不均勻的溫度直接導(dǎo)致固化加壓時(shí)間的滯后和加壓時(shí)機(jī)的偏差。同時(shí)熱傳導(dǎo)方式要求外界介質(zhì)溫度高于模具溫度，而復(fù)合材料的固化工藝溫度范圍較小，當(dāng)模具達(dá)到工藝溫度時(shí)，需要降低外界介質(zhì)溫度，這個(gè)過程較難控制，容易使模具溫度過高，復(fù)合材料固化成型過程發(fā)生異常，影響材料質(zhì)量，上述原因使得當(dāng)前復(fù)合材料構(gòu)件生產(chǎn)效率低，能耗大，質(zhì)量穩(wěn)定性不足，此外該工藝方法對(duì)輔助材料要求較高，造成材料成本增加。
[0004]總之，以熱傳導(dǎo)加熱模具固化成型復(fù)合材料這類的成型工藝均實(shí)現(xiàn)不了復(fù)合材料低成本快速成型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種復(fù)合材料低成本快速固化方法，該方法解決了傳統(tǒng)通過熱傳導(dǎo)加熱模具升溫慢，耗能大，生產(chǎn)成本高的難題，實(shí)現(xiàn)了快速升溫，提高了復(fù)合材料生產(chǎn)效率、并降低了輔助材料性能要求，從而降低制造成本，且能耗低。
[0006]本發(fā)明的上述目的主要是通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的:
[0007]一種復(fù)合材料低成本快速固化方法，包括如下步驟:
[0008](I)、將預(yù)固化成型復(fù)合材料鋪設(shè)在要求形狀的成型模具中，將測(cè)溫元器件與成型模具接觸；
[0009](2)、采用透氣及保溫材料對(duì)預(yù)固化成型復(fù)合材料和成型模具進(jìn)行包覆，使預(yù)固化成型復(fù)合材料和成型模具完全包覆其中，并使測(cè)溫元器件穿過透氣及保溫材料；
[0010](3)、采用真空袋對(duì)透氣及保溫材料進(jìn)行包覆，使透氣及保溫材料完全包覆在真空袋中，并使測(cè)溫元器件穿過真空袋；
[0011](4)、將真空管路一端穿過真空袋與透氣及保溫材料接觸，另外一端連接外部真空泵，檢測(cè)真空袋內(nèi)的真空度，若真空度滿足要求，則進(jìn)入步驟(5);
[0012](5)、將步驟(4)包覆完成的真空袋放入中頻感應(yīng)線圈的有效加熱區(qū)內(nèi)，并使測(cè)溫元器件連接外部控溫裝置；同時(shí)將包覆完成的真空袋和中頻感應(yīng)線圈放置在加壓裝置中，并使中頻感應(yīng)線圈與外部控溫裝置連接；
[0013](6)、啟動(dòng)外部控溫裝置，控制中頻感應(yīng)線圈對(duì)成型模具進(jìn)行加熱，并通過測(cè)溫元器件進(jìn)行溫度測(cè)量，當(dāng)測(cè)量溫度達(dá)到預(yù)固化成型復(fù)合材料的工藝設(shè)定溫度時(shí)，啟動(dòng)加壓裝置，對(duì)真空袋進(jìn)行加壓，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，保持壓力不變，繼續(xù)升溫，完成對(duì)預(yù)固化成型復(fù)合材料的固化成型；
[0014](7)、固化成型完成后，依次除去真空袋及透氣及保溫材料，脫模，得到復(fù)合材料產(chǎn)品O
[0015]在上述復(fù)合材料低成本快速固化方法中，成型模具為組合模具或者單一模具，若為組合模具時(shí)，預(yù)固化成型復(fù)合材料位于組合模具中間，若為單一模具時(shí)，預(yù)固化成型復(fù)合材料位于單一模具表面，所述成型模具為平板結(jié)構(gòu)或曲面結(jié)構(gòu)。
[0016]在上述復(fù)合材料低成本快速固化方法中，成型模具的壁厚大于中頻感應(yīng)線圈的電磁感應(yīng)透熱深度。
[0017]在上述復(fù)合材料低成本快速固化方法中，中頻感應(yīng)線圈包括環(huán)形線圈和平面線圈，所述環(huán)形線圈呈螺旋形狀環(huán)繞在真空袋包覆模具的四周；所述平面線圈內(nèi)部放置真空袋包覆模具，或者平面線圈位于真空袋包覆模具一側(cè)。
[0018]在上述復(fù)合材料低成本快速固化方法中，透氣及保溫材料的材質(zhì)為單層或雙層結(jié)構(gòu)，當(dāng)成型模具的最高加熱溫度為200°C及以下時(shí)，采用單層結(jié)構(gòu)，當(dāng)成型模具的最高加熱溫度超過200 °C時(shí)，采用雙層結(jié)構(gòu)。
[0019]在上述復(fù)合材料低成本快速固化方法中，采用單層結(jié)構(gòu)時(shí)，透氣及保溫材料的材質(zhì)為尼龍或聚酯纖維無紡氈，采用雙層結(jié)構(gòu)時(shí)，靠近成型模具的透氣及保溫材料為玻璃纖維編織物、隔熱無機(jī)纖維氈、隔熱無機(jī)纖維板或隔熱涂層，靠近真空袋的透氣及保溫材料為尼龍或聚酯纖維無紡氈。
[0020]在上述復(fù)合材料低成本快速固化方法中，透氣及保溫材料的厚度保證一定的溫度梯度，使成型模具的溫度傳遞到真空袋后，真空袋的溫度不超過真空袋材料使用溫度；真空袋使用材質(zhì)的耐熱要求低于成型模具的最高加熱溫度，真空袋材料選用PC、PE或尼龍薄膜，且制造真空袋使用的密封膠帶遠(yuǎn)離成型模具，耐熱要求低于真空袋材質(zhì)的耐熱要求。
[0021]在上述復(fù)合材料低成本快速固化方法中，透氣及保溫材料的總厚度為3-10mm。
[0022]在上述復(fù)合材料低成本快速固化方法中，步驟(六)中采用中頻感應(yīng)線圈對(duì)成型模具進(jìn)行加熱的方法如下:
[0023]通過外部控溫裝置控制向中頻感應(yīng)線圈輸出的脈沖強(qiáng)度及脈沖時(shí)間，保證成型模具表面溫度低于透氣及保溫材料的使用溫度，輸入脈沖的間隔區(qū)間，利用成型模具的自身熱傳導(dǎo)達(dá)到設(shè)定的溫度并實(shí)現(xiàn)成型模具的溫度均勻。
[0024]在上述復(fù)合材料低成本快速固化方法中，中頻感應(yīng)線圈的頻率選取范圍為500Hz-3000Hz，對(duì)應(yīng)成型模具的感應(yīng)透熱深度為5-15mm;所述步驟￠)中成型模具的升溫速率為 1-10°C /min。
[0025]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為:
[0026](I)、相比于傳統(tǒng)的通過熱傳導(dǎo)加熱模具固化成型復(fù)合材料的方式，本發(fā)明采用中頻電磁感應(yīng)線圈直接作用金屬模具自發(fā)加熱固化成型復(fù)合材料，中頻加熱升溫速度快，且溫度場(chǎng)均勻性好，控制精確，溫度過沖小，大大提高了生產(chǎn)效率的同時(shí)保證了產(chǎn)品質(zhì)量。
[0027](2)、本發(fā)明針對(duì)復(fù)合材料的工藝特點(diǎn)與現(xiàn)有中頻應(yīng)用于金屬熱處理及冶煉行業(yè)的不同，復(fù)合材料對(duì)模具的升溫速率受到樹脂體系的限制，因此對(duì)模具升溫速率的要求要遠(yuǎn)低于金屬熱處理及冶煉，本發(fā)明對(duì)升溫速率進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)中頻感應(yīng)線圈的形式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了快速升溫及快速成型，縮短了工藝周期；中頻電磁感應(yīng)線圈加熱耗能更低，大幅節(jié)約了生產(chǎn)成本。
[0028](3)、本發(fā)明采用中頻電磁感應(yīng)加熱只能使金屬模具自身加熱，成型復(fù)合材料用的非金屬輔助材料并不被加熱，且成型過程通過特定包覆后周圍環(huán)境溫度很低，這就使得在成型雙馬和聚酰亞胺等耐高溫復(fù)合材料時(shí)，不必使用非常昂貴的耐高溫輔助材料，節(jié)約了制造成本。
[0029](4)、本發(fā)明根據(jù)復(fù)合材料成型特點(diǎn)，通過理論研宄結(jié)合大量試驗(yàn)對(duì)采用的