[发明专利]一种复合材料用微波固化装置

说明书

本发明提供一种复合材料用微波固化装置，包括电热件、振动台、微波发生器、微波腔、微波局部屏蔽件和抽真空部件，所述电热件和振动台均设置在微波腔内；振动台上用于放置复合材料，所述微波发生器向微波腔内发送微波用于为所述复合材料供热，所述电热件也用于为所述复合材料供热，所述微波局部屏蔽件位于微波腔内且用于覆盖在复合材料的外表面，所述微波局部屏蔽件由屏蔽微波区和透过微波区组成；所述振动台为能向所述复合材料提供5000Hz以下振动频率的振动以及能提供2g以上振动加速度的振动的振动台。本发明所述装置可以使得复合材料在大气压下固化得到性能优良的制件。

技术领域

本发明属于复合材料固化成型领域，具体涉及一种复合材料用微波固化装置。

背景技术

目前航空航天用高性能树脂基复合材料成型主要使用热压罐工艺，因为其固化时一般都需要比较高的温度和固化压力来消除固化过程中树脂基体所产生的气泡，例如T800碳纤维增强环氧树脂预浸料在180℃和0.6MPa的条件下固化，以避免固化后的制件内部疏松多孔和力学性能差。

传统热压罐固化工艺中，由于复合材料制件的几何尺寸、材料体系以及固化工艺参数的差异均会不同程度的引起制件内部温度和固化度的不均匀分布，导致制件产生复杂的内应力，严重影响复合材料制件的形性协同制造，尤其是对于固化厚截面制件，制件内部存在较大的温度梯度，因此产生的复杂的内应力会使制件产生分层和基体开裂等缺陷，甚至使制件在成型期间就遭到损坏。

因微波具有选择性加热、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。如本申请的发明人在先取得的专利权CN201610025303、CN201610027791、CN201610027866、CN201610030557以及CN201710214268等都是采用微波结合热压罐的工艺对复合材料进行热压固化。以使得热压固化的复合材料制件在固化过程中能够获得精准所需的温度场。

但是上述复合材料固化过程中都还离不开热压罐的使用。而热压罐成型工艺存在热压罐设备本身价格昂贵，生产效率低、能耗高、设备制造和运行成本高、对成型模具要求高等一些缺点。另外，热压罐中的高压操作结合微波使用时，还存在一定的安全隐患。这已经成为制约复合材料广泛应用的一个瓶颈，低成本的非热压罐成型技术在这种背景下诞生。

非热压罐成型技术是一种低成本复合材料制造技术，其与热压罐成型工艺的主要区别是成型时不需要施加外压，抛弃造价昂贵的热压罐，仅仅采用烘箱与抽真空系统，因此复合材料固化的生产成本低廉。这在设备成型和模具成本方面都优于热压罐成型工艺。但是，获得与热压罐成型工艺相同质量的复合材料固化制件，是非热压罐成型技术的主要目标。

然而，由于成型压力低，非热压罐成型的复合材料制件孔隙率较高。一般热压罐成型航空航天主承力结构件的孔隙率应低于1％，次承力结构件的孔隙率应低于2％，而传统的复合材料预浸料若采用非热压罐成型技术固化，其制件孔隙率可以高达5％～10％。孔隙是影响复合材料性能的重要因素，因此降低固化得到的复合材料制件的孔隙率并使其达到热压罐固化的复合材料制件的孔隙率水平，已成为非热压罐成型技术研究的首要任务。

也就是说，随着树脂材料固化工艺的不断发展，一些受力不大的非承力构件，人们已经开始用热压罐外固化工艺来制作。但是对于航空航天用的如T800碳纤维增强环氧树脂预浸料等复合材料，仅仅靠抽真空的固化压力远远不够，因固化压力不够，固化后制件内部就会产生空隙等缺陷，进而大大降低制件的力学性能。所以，对于航空航天用的先进树脂基碳纤维增强复合材料，使用目前已有的热压罐外固化技术还不能达到要求。

因此，为了节约成本和提高安全系数，在不使用热压罐对复合材料进行高压固化时，如果能使得航空航天用的高性能复合材料的孔隙率也能实现类似在热压罐中热压固化的效果，这是本领域技术人员需要解决的问题。因此，本领域技术人员需要开发相应的用于高性能树脂基碳纤维增强复合材料制件固化的装置和方法。