[发明专利]一种基于动态热屏障的树脂基复合材料加热固化方法

说明书

一种基于动态热屏障的树脂基复合材料加热固化方法，针对于复材构件自发热固化方法，在复合材料及模具外围，施加传热特性可动态调控的柔性热屏障，结合树脂基复合材料固化过程的化学放热特性，按照温度均匀化策略动态调控热屏障的传热特性，实现复合材料厚度方向或面内温度分布的主动控制。本发明首次提出树脂基复合材料自加热固化技术动态热屏障，旨在保证材料加热过程中温度均匀性的同时，迅速缓解固化反应放热冲击，可大幅改善复合材料构件固化质量，缩短固化周期，降低固化能耗。

技术领域

本发明涉及一种复合材料固化技术，尤其是一种复合材料动态调控热屏障辅助下的自发热固化工艺方法。具体地说是一种基于动态热屏障的树脂基复合材料加热固化方法。

背景技术

树脂基复合材料凭借其高强度、高模量、比重小、热稳定好和可设计性强等优点，已发展成为航空航天等领域的关键材料。复材的固化过程是耗时最长，能耗最高，对零件的最终性能起决定性作用的关键步骤。固化过程中，树脂受热发生化学交联反应，树脂分子团或者链段在键合成分子长链或网络结构的过程中化学能发生转变，最终以热能的形式向周围环境耗散，复合材料在交联反应中放出的热量又进一步催化反应向正向进行，更加剧了温度分布不均。而在复合材料中树脂的热传导性能差，热量主要沿纤维方向传播，造成了复合材料构件固化过程中的温度不均匀，尤其是在厚度方向产生较大的温度梯度。上述问题，造成制件厚度方向固化度的不同，产生热应力，严重影响成型后制件的力学性能和外形精度。

针对材料自身作为热源的加热固化方法，如微波加热，电磁感应加热，电损耗加热，树脂自身化学能前端加热等工艺，若固化系统暴露在低温的空气中，与空气接触的复材表面耗散大量的热，极易造成表面及边缘温度低于中心温度。例如，不施加任何隔热层的复材微波固化保温阶段，构件表面相较于中心温度低40℃，表面无法完全固化。对于该问题，专利CN201610671002.2提出一种夹层结构复合材料快速固化的方法，在感应加热复合材料外围施加透气保温层，用以隔绝材料内部热量；另外，本发明人前期在学术论文中，也公开过向微波加热复合材料构件施加热屏障，以控制复材自身热量耗散。

然而，在达到固化反应温度时，复合材料会急剧放热，形成较强热冲击，造成复合材料的烧蚀、降解甚至报废。再者，为了最大程度的释放残余应力，复材脱模前的降温速率必须可控。因此，上述为自加热固化方法施加热屏障的方法，将使得复材无法在需要迅速耗散热量时，获得较大且可控的降温速率。

目前国内还没有对基于动态热屏障解决复合材料固化过程中温度均匀性和热冲击释放研究的公开资料。经查阅国际文献资料，德国的Reinz Dichtungs GmbH 公司于2008年12月取得了EP1905653B1的授权，该专利发明了一种隔热罩，在隔热罩中有一个穿过内外表面的凹槽，凹槽通过一根据温度自动开启和闭合的装置闭合，通过打开闭孔，形成放热通道从而更好地控制温度。该专利主要面向内燃机等产热机械构件的控温。美国Pittsburgh大学的William等人于2013年公开了US20130081786A1的专利，该专利主要发明了一种可选择性地改变导热性能的绝热系统以适应特定的环境温度。但是该专利主要针对建筑中的供热和制冷问题。波音公司从以上专利中得到启发，先后于2017年5月和2018年4月公开了US14941066、EP16180232.7、US9952007B2三份专利，这三份专利中提及了运用自调节保温材料中一个或多个热制动器随着保温材料周围温度的变化而膨胀和收缩，进而自动改变保温材料的热阻，实现在没有控制系统、电源和人为干预的情况下响应温度变化，提升复合材料固化质量。以上专利都在各自领域内，如内燃机，建筑等领域，一定程度上解决了隔热层控制问题，波音公司所提出的热制动保温材料也只能提供随温度变化实现被动控制方法。针对发生复杂自催化化学反应放热的复合材料固化过程，上述方法无法主动且实时动态的调整复合材料固化过程中温度场和释放热冲击，难以实现整个固化过程温度及固化质量的精确控制。

综上所述，对于树脂基复合材料电损耗加热固化工艺，亟需一种新的实现加热过程温度分布均匀、迅速缓解或消除固化反应热冲击，从而大幅改善复合材料厚度方向温度均匀性，提高复合材料构件固化质量，降低固化能耗的方法。