[发明专利]一种碳纤维增强复合材料电损耗加热温度场主动控制方法

说明书

一种碳纤维增强复合材料电损耗加热温度场主动控制方法，在复合材料的各层边缘，放置众多有序且相互绝缘的阵列电极，独立为各对电极通电实施电损耗加热，以监测到的材料层间和面内温度场分布作为反馈信号，利用各对电极作用区域内不均匀加热状态的相互叠加或补偿，最终实现复合材料整体温度场的主动控制。本发明旨在克服综合电损耗加热过程中，由复合材料体积电阻率和介电常数分布不均匀带来的加热温度场不均匀，以实现碳纤维复合材料构件高质量综合电损耗加热固化。

技术领域

本发明涉及一种碳纤维增强复合材料加热温度场主动控制方法，尤其是一种碳纤维增强树脂基复合材料构件电损耗温度场主动控制方法。

背景技术

碳纤维增强树脂基复合材料已经成为航空航天领域内大量运用的关键材料，其高效节能固化技术是复合材料制造领域的关键技术。截至目前，包括200310113547.4、201410018321.4、201580029111.8、201510817586.5、201611229851.9在内的专利提出了利用碳纤维自身作为阻抗导体，凭借其通电后发生的电导损耗产生热能，加热纤维和树脂，从而整体固化复合材料的方法，上述方法的共同特征均为仅在碳纤维两端放置单一电极，施加低压，形成极高电流密度的直流电流，在欧姆定律和焦耳定律的基础上，凭借直流电流在碳纤维内部发生的电导损耗，固化复合材料。发明人前期申请的专利，申请号201710975475.6 提出一种综合电损耗加热固化技术，利用交变电场施加于碳纤维，在介电损耗、电导损耗等综合电能损耗作用下产生热量，根据材料特性，调控输入频率、波形、电流密度等参数，使得复合材料高效率、高质量固化。

上述方法的共同特征均为只使用单一的传输线连接材料边缘的电极，实际的复合材料构件，由于铺层、几何外形、尺寸变化、纤维含量分布不均等因素，其内部的体积电阻率会呈现出杂乱的分布规律，在各种电损耗及材料内部化学反应放热的共同作用下，材料层间和面内的发热量将分布不规律。例如，对于变厚度碳纤维复合材料接头，其较厚端的体积电阻小，较薄端的体积电阻大，在单一电极作用下，较薄端的电导损耗高，较厚端的电导损耗却小，这直接造成材料的固化温度场不均匀；又比如，对于厚度较大的复合材料构件在综合电损耗固化作用下，材料中心区域由于树脂剧烈反应产生大量的热量，其温度迅速飙升，而材料边缘的温度由于对流换热的作用远较中心区域温度低，故材料在3K/min的升温速率下面内温度差可达30℃以上，因此材料固化不均匀，导致较大的残余应力及翘曲变形，严重时使得材料中心区域出现烧蚀、降解的现象，导致零件报废；再比如，对于局部曲率变化剧烈的复杂零件，由于外部压力在曲率变化处的分布不均，导致材料局部层间接触电阻有差异，且树脂的富集程度也存在差异，这也直接导致该处的综合电损耗的发热量与其他地方存在差异。综上所述，对于碳纤维增强复合材料综合电损耗加热固化工艺，亟需一种在线式主动控制方法，以实现温度分布均匀、固化质量均匀的综合电损耗加热固化方法。

发明内容

本发明的目的在于，针对现碳纤维增强复合材料构件的体积电阻率分布不均匀造成的电损耗加热温度场不均匀问题，提出一种碳纤维增强复合材料电损耗加热温度场主动控制方法，在材料边缘各层沿着轮廓布置众多有序阵列电极，结合在线监测的温度分布数据，调控各对电极间的加热电参数，利用各对电极作用区域内不均匀加热状态的相互叠加或补偿，实现温度分布均匀、固化质量均匀的综合电损耗加热固化。

本发明的技术方案为：

一种碳纤维增强复合材料电损耗加热温度场主动控制方法,其特征在于，根据碳纤维增强树脂基复合材料零件几何外形、尺寸、纤维含量等信息，有序在材料的各层边缘，沿着轮廓布置相互独立且成对的阵列电极，各电极分别连接外部交变电源，独立为每一对电极通电，材料发生各种形式的电损耗而产生热能，以材料层间和面内温度场分布作为反馈信号，控制各对电极回路间的电参数，由各对电极作用区域内不均匀加热状态的相互叠加或补偿，最终实现复合材料整体温度场的主动控制。