一种电磁加热固化成型装置及使用其制备纤维缠绕复合材料管体的方法

摘要

一种电磁加热固化成型装置及使用其制备纤维缠绕复合材料管体的方法，它涉及一种加热固化装置及使用其制备复合材料管体的方法。本发明的目的是要解决现有用于制备复合材料管体的加热固化装置的内加热固化芯模的热源不易获得、加热效率低、加热精度和加热均匀性均差的问题。装置包括电磁加热线圈、电磁加热电源、温度传感器、热管、导热介质、喷淋器、冷却液防护罩、冷却液槽、水泵、散热器和芯模；芯模的内管外壁与外管内壁之间形成夹层，热管阵列分布在夹层内的导热介质中；电磁加热线圈均匀置于芯模尾端外部。方法：芯模固定在缠绕机的主轴上，先缠绕再加热固化或缠绕的同时进行加热固化，降温。本发明可获得一种电磁加热固化成型装置。

说明书

技术领域

本发明涉及一种加热固化装置及使用其制备复合材料管体的方法。

背景技术

树脂基纤维缠绕热固性复合材料管体，如高压玻璃钢管道、传动轴、复合材料飞轮、 桁架等，具有比强度高、耐腐蚀、可设计等优点，使其在航空航天、能源、建筑、交通等 领域获得广泛应用。采用湿法工艺缠绕复合材料管体，其制造工艺过程为：首先在缠绕机 上进行缠绕成型，其次根据固化制度要求对芯模外缠绕的复合材料层进行加热，使复合材 料发生物理化学反应实现其固化成型，最后进行复合材料降温及后续脱模处理。

目前复合材料管体固化工艺主要采用外加热固化和内加热固化成型两种工艺。所谓外 加热固化即管体缠绕成型后，将其放入固化炉(或热压釜)中对缠绕层按照设定的固化升 温历程进行加热，促使复合材料发生理化反应，实现复合材料固化成型。由于采用外固化 工艺，复合材料由外向内逐层被加热并发生理化反应，导致固化反应产生的热量和气体无 法排出，从而影响复合材料固化质量，外固化工艺从外部加热的特点决定了管体缠绕、固 化二道工序需要在缠绕机、固化炉两台独立的设备上完成，且管体需要在设备间转运输送。 而厚壁管体需要多次缠绕和固化，导致管体生产成本高、效率低。

内加热固化成型工艺是采用加热管体内部芯模的方式，使复合材料从内向外被加热升 温，从而完成固化成型。内固化工艺复合材料由内向外逐层固化，利于气泡和多余树脂排 出，降低管体内应力，因此该工艺可提高复合材料性能。已公布的专利：中国专利《玻璃 钢缠绕管芯模全封闭式内加热固化装置》，公开号：CN201979646U；中国专利《一种用 于缠绕玻璃钢管的加热固化模具》，申请号：200420018782.3；中国专利《缠绕玻璃钢管 的方法及专用胎具》，公开号：1359786；上述专利均描述了从内部对复合材料进行加热固 化的方法，上述装置和方法应用于缠绕管体的内固化成型在实际生产和应用中有如下问 题：

第一、如果采用导热油作为芯模内部循环加热的介质，首先，在生产中导热油通过旋 转接头进入旋转的芯模内部，易发生泄漏污染，且导热油易燃，安全隐患大；其次，管体 加热固化后，需要冷却降温，而导热油通常通过空气热交换降温，降温效率低，且造成能 源浪费。

第二、如果采用蒸汽作为芯模内部循环加热的介质。首先，蒸汽加热应用于管道类大 长径比芯模易导致首尾温差大的问题，而且芯模被加热过程中会形成冷凝水，并聚集在水 平放置管体的底部不易排出，管体在固化过程中需要旋转，使得内衬在转到底部时反复经 历冷凝水的冷却，从而影响复材固化质量；其次蒸汽温度都高于100摄氏度，固化过程中 实现低于100摄氏度的金属模具低温控制难度极大，且温度控制精度非常低，从而不能有 效的执行梯度固化制度，影响复合材料固化质量；最后，高温高压蒸汽不易获得，生产过 程中需要单独建立锅炉并铺设供汽管路提供蒸汽，增加了生产和管理成本。

第三、复合材料管体成型工艺分为：缠绕、固化、冷却、脱模四个工序，其中冷却工 序是使得芯模和复合材料管体迅速降温、便于脱模，并将芯模降到初始缠绕温度(如30-40 摄氏度)，以便进行下一管体的缠绕，上述已公开的专利和方法均只有模具加热功能，没 有快速冷却功能，从而极大地影响复合材料管体连续生产的效率。

已公开的中国发明专利《一种内加热方法及内加热固化装置CN101670633A》，是将 电加热元件置于模具内，加热元件通过导电滑环与供电设施相连，首先，该加热方式通过 电热元件加热模具，导热效率低，加热不均匀且能耗大；其次，导电滑环是周期性耗材， 在实际应用中需定期更换，且可靠性差；最后该装置没有快速冷却功能。

已公开的中国发明专利《一种加热辊的加热方法及加热辊》公开号CN 101407096A 和中国发明专利《内置式电磁加热辊》公开号为CN102802291A均公布了采用电磁加热 的热辊，但加热源均置于辊内部，且沿整个辊进行加热，该方式不适用于直径较小，或长 度较大的用于高压玻璃钢管道生产用的芯模。另外，电磁加热导电滑环是周期性耗材，在 实际应用中需定期更换，且可靠性差；最后该装置也没有快速冷却功能，因此不适合复合 材料管体连续生产用芯模。

发明内容

本发明的目的是要解决现有用于制备复合材料管体的加热固化装置的内加热固化芯 模的热源不易获得、加热效率低、加热精度和加热均匀性均差的问题，而提供一种电磁加 热固化成型装置及使用其制备纤维缠绕复合材料管体的方法。

一种电磁加热固化成型装置，它包括电磁加热线圈、电磁加热电源、热管、喷淋器、 冷却液防护罩、冷却液槽、水泵、散热器、芯模、电磁加热控制器、温度传感器和导热介 质；

所述的芯模为套管式结构，内管外壁与外管内壁之间形成夹层，夹层中填充导热介质， 热管阵列分布在夹层内的导热介质中；热管的长度与芯模的长度比为(0.8～0.9):1；

电磁加热线圈均匀置于在芯模尾端外部且不随模具旋转，电磁加热线圈的两端通过电 磁加热电源与电磁加热控制器相连接，温度传感器的测试头设置在芯模处，温度传感器的 信号输出端连接电磁加热控制器的信号输入端；

所述的喷淋器置于芯模前端上面，冷却液从喷淋器喷出后覆盖到芯模表面进行降温， 然后流入到冷却液槽内，冷却液槽底部的开口连接水泵的进水口，水泵的出水口连接散热 器；

所述的冷却液防护罩包络在喷淋器的外周边上，冷却液防护罩与芯模前端连接，冷却 液防护罩与喷淋器的进水口之间留有空隙；

在冷却液出水口与喷淋器的进水口的管路之间设置散热器。

使用一种电磁加热固化成型装置制备纤维缠绕复合材料管体的方法，具体是按以下步 骤完成的：

首先将芯模固定在缠绕机的主轴上，电磁加热线圈置于芯模尾端外部，喷淋器和冷却 液槽分别置于芯模前端的上下两侧，然后设定缠绕工艺参数；同时启动缠绕机主轴旋转， 在缠绕小车带动下将浸渍树脂的纤维按设定的工艺缠绕到芯模上，得到浸渍树脂的纤维缠 绕复合材料管体；再接通电磁加热线圈，芯模的尾端由于电磁感应生热，热量通过热管传 递到导热介质，对整体芯模进行加热，通过芯模对纤维和树脂进行加热；纤维和树脂形成 的复合材料固化完成后得到纤维缠绕复合材料管体，关闭电磁加热线圈同时开启喷淋器对 模具进行降温处理，模具内的热管和导热介质的传热作用使整个模具温度下降，降温后的 模具对复合材料管体进行降温，冷却液从喷淋器喷出后覆盖到芯模表面，从芯模流下的冷 却液流入冷却液槽，冷却液槽底部的开口连接水泵的进水口，水泵的出水口连接散热器， 经散热器处理过的冷却液运送给喷淋器重新进行循环和降温冷却；待纤维缠绕复合材料管 体的温度降至室温，将电磁加热线圈从芯模端部移出，并将纤维缠绕复合材料管体从芯模 上卸下，即完成了纤维缠绕复合材料管体的制备。

使用一种电磁加热固化成型装置制备纤维缠绕复合材料管体的方法，具体是按以下步 骤完成的：

首先将芯模固定在缠绕机的主轴上，电磁加热线圈置于芯模尾端外部，喷淋器和冷却 液槽分别置于芯模前端的上下两侧，然后设定缠绕工艺参数；在启动缠绕机主轴旋转的同 时接通电磁加热线圈，在缠绕小车带动下将浸渍树脂的纤维按设定的工艺缠绕到芯模上， 得到浸渍树脂的纤维缠绕复合材料管体；芯模的尾端由于电磁感应生热，热量通过热管传 递到导热介质，对整体芯模进行加热，通过芯模对纤维和树脂进行加热；纤维和树脂形成 的复合材料固化完成后得到纤维缠绕复合材料管体，关闭电磁加热线圈同时开启喷淋器对 模具进行降温处理，模具内的热管和导热介质的传热作用使整个模具温度下降，降温后的 模具对复合材料管体进行降温，冷却液从喷淋器喷出后覆盖到芯模表面，从芯模流下的冷 却液流入冷却液槽，冷却液槽底部的开口连接水泵的进水口，水泵的出水口连接散热器， 经散热器处理过的冷却液运送给喷淋器重新进行循环和降温冷却；待纤维缠绕复合材料管 体的温度降至室温，将电磁加热线圈从芯模端部移出，并将纤维缠绕复合材料管体从芯模 上卸下，即完成了纤维缠绕复合材料管体的制备。

本发明的优点及原理：

一、本发明一种电磁加热固化成型装置的芯模采用电磁加热线圈的电磁感应生热，温 度控制精度及加热效率高，电磁加热线圈置于芯模外部，且不随芯模旋转，因此加热可靠 性高；

二、本发明芯模采用一端局部电磁加热，一端冷却的方式实现芯模的加热和冷却工序， 极大地提高了纤维缠绕复合材料管体连续生产效率；

三、本发明芯模内部采用套管式结构，套管内腔采用热管增强的导热介质传热，从而 提高芯模轴向导热能力，提高芯模温度均匀性；

四、本发明中温度传感器测得芯模的温度后反馈给电磁加热控制器进行闭环控制；冷 却液防护罩为双片环形结构；冷却液防护罩与芯模尾部连接，可防止冷却液向外喷溅；冷 却液防护罩与喷淋器的进水口之间留有适当空隙便于冷却液遇芯模后产生蒸汽的排出；散 热器为管路内的冷却液降温，经散热器处理过的冷却液运送给喷淋器进行喷淋操作；由于 电磁加热线圈不能等长缠绕于芯模上，所以产生的热量集中于芯模尾端，利用热管能快速 吸收热量并将热量均匀传递到芯模上；不用热管只靠芯模传热也是可以实现的，但是速度 十分缓慢；由于在热管和芯模之间只要是非真空的均可算充有导热介质，但空气没有液体 导热快，所以选择液体导热介质。

本发明可获得一种电磁加热固化成型装置。

附图说明

图1为具体实施方式所述的一种电磁加热固化成型装置的结构示意图；

图2是图1沿A-A的剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式是一种电磁加热固化成型装置，其特征在于它包括电磁 加热线圈1、电磁加热电源2、热管3、喷淋器5、冷却液防护罩6、冷却液槽7、水泵4、 散热器8、芯模9、电磁加热控制器10、温度传感器11和导热介质12；

所述的芯模9为套管式结构，内管外壁与外管内壁之间形成夹层，夹层中填充导热介 质12，热管3阵列分布在夹层内的导热介质12中；热管3的长度与芯模9的长度比为 (0.8～0.9):1；

电磁加热线圈1均匀置于在芯模9尾端外部且不随模具旋转，电磁加热线圈1的两端 通过电磁加热电源2与电磁加热控制器10相连接，温度传感器11的测试头设置在芯模9 处，温度传感器11的信号输出端连接电磁加热控制器10的信号输入端；

所述喷淋器5置于芯模9前端上面，冷却液从喷淋器5喷出后覆盖到芯模9表面，然 后流入到冷却液槽7内，冷却液槽7底部的开口连接水泵4的进水口，水泵4的出水口连 接散热器8；

所述冷却液防护罩6包络在喷淋器5的外周边上，冷却液防护罩6与芯模9前端连接， 冷却液防护罩6与喷淋器5的进水口之间留有空隙；

在冷却液出水口与喷淋器5的进水口的管路之间设置散热器8。

图1为具体实施方式所述的一种电磁加热固化成型装置的结构示意图；图中1为电磁 加热线圈，2为电磁加热电源，3为热管，4为水泵，5为喷淋器，6为冷却液防护罩，7 为冷却液槽，8为散热器，9为芯模，10为电磁加热控制器，11为温度传感器、12为导 热介质；

图2是图1沿A-A的剖视图；图中3为热管，9为芯模，12为导热介质。

本实施方式的优点及原理：

一、本实施方式一种电磁加热固化成型装置的芯模9采用电磁加热线圈1的电磁感应 生热，温度控制精度及加热效率高，电磁加热线圈1置于芯模9外部，且不随芯模9旋转， 因此加热可靠性高；

二、本实施方式芯模9采用一端局部电磁加热，一端冷却的方式实现芯模9的加热和 冷却工序，极大地提高了纤维缠绕复合材料管体连续生产效率；

三、本实施方式芯模9内部采用套管式结构，套管内腔采用热管3增强的导热介质 12传热，从而提高芯模9轴向导热能力，提高芯模9温度均匀性；

四、本实施方式中温度传感器11测得芯模9的温度后反馈给电磁加热控制器10进行 闭环控制；冷却液防护罩6为双片环形结构；冷却液防护罩6与芯模9尾部连接，可防止 冷却液向外喷溅；冷却液防护罩6与喷淋器5的进水口之间留有适当空隙便于冷却液遇芯 模9后产生蒸汽的排出；散热器8为管路内的冷却液降温，经散热器8处理过的冷却液运 送给喷淋器5进行喷淋操作；由于电磁加热线圈1不能等长缠绕于芯模9上，所以产生的 热量集中于芯模9尾端，利用热管3能快速吸收热量并将热量均匀传递到芯模9上；不用 热管3只靠芯模9传热也是可以实现的，但是速度十分缓慢；由于在热管3和芯模9之间 只要是非真空的均可算充有导热介质，但空气没有液体导热快，所以选择导热介质12。

本实施方式可获得一种电磁加热固化成型装置。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：所述的导热介质12为导 热油。其他步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：所述的两根电磁 加热线圈1之间的距离为40mm～60mm。其他步骤与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：所述的芯模9 的内管与外管的半径比为(0.5～0.7):1。其他步骤与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：所述的热管3 与芯模9的内管半径比为(0.3～0.4):1。其他步骤与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式是使用一种电磁加热固化成型装置制备纤维缠绕复合材 料管体的方法，具体是按以下步骤完成的：

首先将芯模9固定在缠绕机的主轴上，电磁加热线圈1置于芯模9尾端外部，喷淋器 5和冷却液槽7分别置于芯模9前端的上下两侧，然后设定缠绕工艺参数；同时启动缠绕 机主轴旋转，在缠绕小车带动下将浸渍树脂的纤维按设定的工艺缠绕到芯模9上，得到浸 渍树脂的纤维缠绕复合材料管体；再接通电磁加热线圈1，芯模9的尾端由于电磁感应生 热，热量通过热管3传递到导热介质12，对整体芯模9进行加热，通过芯模9对纤维和 树脂进行加热；纤维和树脂形成的复合材料固化完成后得到纤维缠绕复合材料管体，关闭 电磁加热线圈1同时开启喷淋器5对模具进行降温处理，模具内的热管3和导热介质12 的传热作用使整个模具温度下降，降温后的模具对复合材料管体进行降温，冷却液从喷淋 器5喷出后覆盖到芯模9表面，从芯模9流下的冷却液流入冷却液槽7，冷却液槽7底部 的开口连接水泵4的进水口，水泵4的出水口连接散热器8，经散热器8处理过的冷却液 运送给喷淋器5重新进行循环和降温冷却；待纤维缠绕复合材料管体的温度降至室温，将 电磁加热线圈1从芯模9端部移出，并将纤维缠绕复合材料管体从芯模9上卸下，即完成 了纤维缠绕复合材料管体的制备。

本实施方式的优点及原理：

一、本实施方式一种电磁加热固化成型装置的芯模9采用电磁加热线圈1的电磁感应 生热，温度控制精度及加热效率高，电磁加热线圈1置于芯模9外部，且不随芯模9旋转， 因此加热可靠性高；

二、本实施方式芯模9采用一端局部电磁加热，一端冷却的方式实现芯模9的加热和 冷却工序，极大地提高了纤维缠绕复合材料管体连续生产效率；

三、本实施方式芯模9内部采用套管式结构，套管内腔采用热管3增强的导热介质 12传热，从而提高芯模9轴向导热能力，提高芯模9温度均匀性；

四、本实施方式中温度传感器11测得芯模9的温度后反馈给电磁加热控制器10进行 闭环控制；冷却液防护罩6为双片环形结构；冷却液防护罩6与芯模9尾部连接，可防止 冷却液向外喷溅；冷却液防护罩6与喷淋器5的进水口之间留有适当空隙便于冷却液遇芯 模9后产生蒸汽的排出；散热器8为管路内的冷却液降温，经散热器8处理过的冷却液运 送给喷淋器5进行喷淋操作；由于电磁加热线圈1不能等长缠绕于芯模9上，所以产生的 热量集中于芯模9尾端，利用热管3能快速吸收热量并将热量均匀传递到芯模9上；不用 热管3只靠芯模9传热也是可以实现的，但是速度十分缓慢；由于在热管3和芯模9之间 只要是非真空的均可算充有导热介质，但空气没有液体导热快，所以选择导热介质12。

具体实施方式七：本实施方式是使用一种电磁加热固化成型装置制备纤维缠绕复合材 料管体的方法，具体是按以下步骤完成的：

首先将芯模9固定在缠绕机的主轴上，电磁加热线圈1置于芯模9尾端外部，喷淋器 5和冷却液槽7分别置于芯模9前端的上下两侧，然后设定缠绕工艺参数；在启动缠绕机 主轴旋转的同时接通电磁加热线圈1，在缠绕小车带动下将浸渍树脂的纤维按设定的工艺 缠绕到芯模9上，得到浸渍树脂的纤维缠绕复合材料管体；芯模9的尾端由于电磁感应生 热，热量通过热管3传递到导热介质12，对整体芯模9进行加热，通过芯模9对纤维和 树脂进行加热；纤维和树脂形成的复合材料固化完成后得到纤维缠绕复合材料管体，关闭 电磁加热线圈1同时开启喷淋器5对模具进行降温处理，模具内的热管3和导热介质12 的传热作用使整个模具温度下降，降温后的模具对复合材料管体进行降温，冷却液从喷淋 器5喷出后覆盖到芯模9表面，从芯模9流下的冷却液流入冷却液槽7，冷却液槽7底部 的开口连接水泵4的进水口，水泵4的出水口连接散热器8，经散热器8处理过的冷却液 运送给喷淋器5重新进行循环和降温冷却；待纤维缠绕复合材料管体的温度降至室温，将 电磁加热线圈1从芯模9端部移出，并将纤维缠绕复合材料管体从芯模9上卸下，即完成 了纤维缠绕复合材料管体的制备。

本实施方式的优点及原理：

一、本实施方式一种电磁加热固化成型装置的芯模9采用电磁加热线圈1的电磁感应 生热，温度控制精度及加热效率高，电磁加热线圈1置于芯模9外部，且不随芯模9旋转， 因此加热可靠性高；

二、本实施方式芯模9采用一端局部电磁加热，一端冷却的方式实现芯模9的加热和 冷却工序，极大地提高了纤维缠绕复合材料管体连续生产效率；

三、本实施方式芯模9内部采用套管式结构，套管内腔采用热管3增强的导热介质 12传热，从而提高芯模9轴向导热能力，提高芯模9温度均匀性；

四、本实施方式中温度传感器11测得芯模9的温度后反馈给电磁加热控制器10进行 闭环控制；冷却液防护罩6为双片环形结构；冷却液防护罩6与芯模9尾部连接，可防止 冷却液向外喷溅；冷却液防护罩6与喷淋器5的进水口之间留有适当空隙便于冷却液遇芯 模9后产生蒸汽的排出；散热器8为管路内的冷却液降温，经散热器8处理过的冷却液运 送给喷淋器5进行喷淋操作；由于电磁加热线圈1不能等长缠绕于芯模9上，所以产生的 热量集中于芯模9尾端，利用热管3能快速吸收热量并将热量均匀传递到芯模9上；不用 热管3只靠芯模9传热也是可以实现的，但是速度十分缓慢；由于在热管3和芯模9之间 只要是非真空的均可算充有导热介质，但空气没有液体导热快，所以选择导热介质12。