多向碳纤维增强复合材料的直接穿透微波加热固化方法

摘要

一种多向碳纤维增强复合材料的直接穿透微波加热固化方法，其特征在于：通过在多向碳纤维增强复合材料零件的内部激励起垂直穿透微波对其进行直接加热固化。它针对多向铺层碳纤维增强复合材料无法微波加热固化的难题，发明一种采用垂直穿透微波（电场方向沿零件法线方向、传播方向在零件内部的微波）直接加热多向铺层碳纤维增强复合材料的方法。在多向碳纤维增强复合材料零件表面放置金属栅阵。谐振腔体内的微波在金属栅阵的作用下在复合材料零件内部激励起垂直穿透微波，直接穿透加热多向碳纤维增强树脂基复合材料，完成零件固化。本发明解决了多向碳纤维复合材料无法微波加热难题，为复材的微波加热固化技术的工业应用提供了理论基础与技术支撑。

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料加热成型技术，尤其是一种复合材料微波加热固化技术，具体地说是一种多向碳纤维增强复合材料的微波加热固化方法。

背景技术

先进复合材料具有比强度和比模量高、抗疲劳性能好、耐腐蚀性能好和整体成型性好等许多优异特性，飞机上大量应用复合材料不仅可以明显减轻飞机的结构重量，提高飞机性能，还可以大大减少零部件数量，简化装配工序，缩短制造周期。目前复合材料已广泛用于机翼和机身的主承力零件，在进气道等复杂曲面零件上的用量越来越多，并向整体成型、共固化方向发展。

目前，复合材料主要采用热压罐工艺加热加压固化成型。热压罐固化工艺以电阻丝加热空气后在风机作用下循环流动，以对流换热和热传导的方式加热复合材料，复合材料表面先加热，然后传热至内部。复材零件的加热速率缓慢、温差大，成型周期长，且空气和模具均需加热至高温，能耗高。本专利发明人前期提出的复合材料微波加热固化成型工艺以电磁波直接穿透、内外同时均匀加热复合材料，加热速度快，成型周期短。微波只加热复合材料，空气与模具均不加热，能耗低。

虽然复合材料微波加热技术具有上述优势。但目前微波无法直接穿透加热多向铺层连续碳纤维增强树脂基复合材料。该难题严重制约了复合材料微波固化技术的发展与应用，使得飞机上大量应用的多向铺层连续碳纤维增强树脂基复合材料只能采用微波加热吸波材料传热给复合材料，即间接加热固化复合材料（专利：201310143863.X）。针对上述难题，本发明提出一种多向碳纤维增强复合材料的微波固化方法，通过在多向碳纤维增强复合材料零件的内部激励起垂直穿透微波对其进行直接加热固化。本发明突破了多向铺层碳纤维复合材料零件无法微波加热难题，为复合材料微波固化技术的工业应用提供了理论依据与技术支撑。

发明内容

本发明的目的是针对多向碳纤维增强复合材料零件无法微波加热难题，发明一种多向碳纤维增强复合材料的直接穿透微波加热固化方法。实验发现其原因在于：复合材料通过吸收微波腔体中的电场能量实现自身的加热固化。腔体中的电场方向可以分解为平行于复合材料表面和垂直于复合材料表面。平行于复合材料表面的电场会在各个方向的碳纤维上激励起感应电流，从而产生对应的反向电场屏蔽原电场。垂直于复合材料表面的电场（定义为垂直微波）虽然不会被屏蔽，但其能量的传播方向平行于复合材料表面，同样无法实现多向铺层碳纤维增强复合材料零件的直接穿透加热。

本发明保护一种采用垂直穿透微波直接加热多向铺层碳纤维增强复合材料的方法，突破多向铺层碳纤复合材料无法被微波加热的难题，实现航空先进多向碳纤维增强复合材料零件的直接穿透加热固化，

本发明的技术方案是：

一种多向碳纤维增强复合材料的直接穿透微波加热固化方法，其特征在于：通过在多向碳纤维增强复合材料零件的内部激励起垂直穿透微波对其进行直接加热固化。

在多向碳纤维增强复合材料零件表面放置金属栅阵。复合材料与金属栅阵之间绝缘。将带有金属栅阵的复合材料体系置于微波腔体中。腔体内的微波在金属栅阵的作用下在复合材料零件内部激励起垂直穿透微波，直接穿透加热多向碳纤维增强复合材料，完成零件固化。

本发明通过在多向碳纤维增强复合材料零件的内部激励起垂直穿透微波对其进行直接加热固化。将多向铺层碳纤维增强复合材料零件放置在微波加热腔体中，在零件上表面或下表面放置金属栅阵（或在零件上下表面均放置金属栅阵）。零件与金属栅阵之间放置绝缘薄膜，保证复材零件与金属栅阵之间绝缘，相互不导通。腔体内的微波在金属栅条上引起电荷重新分配（某些区域会聚集大量正电荷，某些区域会聚集大量负电荷），在复合材料零件内部激励起垂直穿透微波（电场方向沿零件法线方向、传播方向在零件内部的微波），直接穿透加热多向碳纤维增强树脂基复合材料，完成零件固化。多向铺层碳纤维增强复合材料主要包括连续碳纤维增强的热塑性与热固性树脂基复合材料、陶瓷基复合材料、金属基复合材料等。金属栅为具有一定形状的金属导体（如矩形铜条），多条金属栅之间存在一定间距，相互不导通。

本发明的有益效果：

本发明突破了多向铺层碳纤维增强复合材料零件无法被微波加热的难题，实现了航空先进多向碳纤维复合材料的直接穿透、内外同时均匀加热固化。

附图说明

图1是本发明金属栅与复合材料的横截面示意图；

图2（奇模）和图3（偶模）是由金属栅阵的电荷重新分配激励起垂直穿透微波的电场线示意图；

图中：1金属栅，2多向碳纤维增强复合材料零件，3 绝缘材料，4透波模具。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-3所示。

本实施例的复合材料采用18层连续碳纤维增强的双马来酰亚胺树脂基复合材料，铺层顺序为[0/45/90/-45/0/45/90/0/45]₂。首先在透波陶瓷模具的表面粘贴0.01mm厚金属铜箔带，宽度为12mm，铜箔之间相互平行，间距为15mm。在模具表面铺放复合材料的区域间隔贴满铜箔后，放置无孔脱模布。脱模布的铺放面积大于复合材料与金属栅阵，保证复合材料与金属栅阵之间相互绝缘。其次，在脱模布上方逐层铺放多向铺层的连续碳纤维增强的双马来酰亚胺树脂基复合材料。铺层完毕后在复合材料周围粘贴铝箔胶带，预留流胶孔。上表面金属栅同样为0.01mm厚金属铜箔带，宽度12mm，间距15mm。金属栅粘贴在无孔隔离膜/无孔脱模布表面，将隔离膜放置在复合材料上表面。上下金属栅的覆盖面积大于复材铺放在模具上的面积，且交错放置，如附图1所示。最后，采用真空袋将复材封装在模具表面，抽真空，放入微波固化炉中开启微波固化工艺，腔体内的微波在金属栅条上引起电荷重新分配，在复合材料零件内部激励起垂直穿透微波对其进行加热固化。固化完成后，从模具表面脱模，获得满足使用要求的碳纤维增强的双马来酰亚胺树脂基复合材料零件。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。