[发明专利]一种复合能场加热装置

说明书

技术领域

本发明涉及加热领域，具体涉及一种复合能场加热装置及方法。

背景技术

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。该发明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加热方法。

发明内容

因此，本发明提供一种复合能场加热装置，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。

本发明中，复合材料不再直接暴露于微波场中完成固化。本发明中，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。