[发明专利]一种碳纤维增强复合材料微波多频分区加热方法

说明书

一种碳纤维增强复合材料微波多频分区加热方法，其特征是在碳纤维增强复合材料表面放置不同频率的人工电磁超表面，再施加对应频率的微波实现对碳纤维增强复合材料的精确分区加热。本发明可以实现对碳纤维增强复合材料的精确分区加热。人工电磁超表面结构简单、易于组合，可以适用于不同构件或同一构件的不同分区方案。

技术领域

本发明涉及一种微波加热技术，尤其是一种复合材料微波分区加热技术，具体地说是一种碳纤维增强复合材料微波多频分区加热方法。

背景技术

碳纤维增强树脂基复合材料轻质、高强，已成为航空航天高端装备减重增效的优选材料。碳纤维增强树脂基复合材料构件的制造主要包括赋形、固化、加工等步骤。其中，固化是碳纤维增强树脂基复合材料构件制造过程中实现材料和结构一起成型的关键环节。相比于现有整体升温的方式，根据构件的铺层、几何、结构等特点对其进行分区加热固化是实现构件更高性能的有效方法。为此，近年来部分科研机构和学者纷纷提出对复合材料构件进行分区固化的思路和方法。

在编号为US 005158132A的美国专利和编号为EP 2490875B1的欧盟专利中，提出了基于分区加热模具的分区固化方法，但分区加热模具需要引入大量的电路或油路，结构复杂，一般只能对复合材料的靠模面进行分区加热，而且模具一旦制造完成，其结构就被固定，难以再进行调整。此外，受模具型面传热扩散的滞后影响，该方法从本质上难以对复合材料进行精确的分区加热。公开号为CN 111031620A、CN 111031621A与CN 111050429A的中国专利提出了基于相控阵思想实现对被加热对象进行分区微波加热的方法。然而，基于惠更斯原理的相控阵技术，在形成沿某一方向的波束的过程中，沿其他方向的微波同样会被复合材料吸收，分区精度较低。在形成了沿某一方向的波束后，复合材料也无法一次性吸收该方向的微波能量，在材料表面反射和底面透射的微波会在腔体内谐振，不再具有方向性。更重要的是，如果将该方法用于加热碳纤维增强复合材料时，还面临导电碳纤维网络屏蔽微波、构件无法被加热的突出难题。

将检索范围进一步扩大，在授权号为CN 103001002B的中国专利中公开了一种非均匀电磁超材料，其通过在不同区域放置不同的人造微结构以实现对不同入射角度、轴比值、相位值或电场入射角度的电磁波产生预设的响应。然而，该专利仅聚焦于超材料本身的设计且主要针对高频、小功率吸波问题，无法实现对“超材料+碳纤维增强复合材料”吸波性能的调控，从而无法在低频、大功率的微波场中产生吸波和加热效果。

发明人经过大量理论分析、仿真设计和实验研究后发现，利用大功率微波辐射由碳纤维增强复合材料、介质层、人工微结构组成且经过适当设计后的层叠结构，可以实现接近100％的吸波效果，且吸收的电磁能量会在复合材料内部的碳纤维轴向激励出极强的感应电流，从而利用焦耳加热效应高效地加热碳纤维增强复合材料。例如，采用仅300W的微波功率辐照由碳纤维复合材料、介质层(聚酰亚胺)、人工微结构(铜)组成的层叠结构时，可以在碳纤维轴向产生高达900A的感应电流，完全达到甚至远远超过其高效加热所需的电流(可参考The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2019；103:3479-3493)。而且，通过调整人工电磁超表面(由附着人工微结构的介质层构成)的材料、几何、结构等参数可以灵活调节“人工电磁超表面+碳纤维增强复合材料”各区域的微波吸收频带，据此提出了利用多频微波对碳纤维增强复合材料进行精确分区加热的方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有分区加热技术需要引入大量的电路或油路，结构复杂，一般只能对复合材料的靠模面进行分区加热，而且模具一旦制造完成，其结构就被固定，难以再进行调整，本质上难以对复合材料进行精确的分区加热的问题，发明一种基于人工电磁超表面的碳纤维增强复合材料微波多频分区加热方法，它可以实现真正意义上的对碳纤维增强复合材料的精确分区加热。

本发明的技术方案是：