一种回转筒体结构碳纤维复合材料微波固化成型方法

摘要

本发明公开了一种回转筒体结构碳纤维复合材料微波固化成型方法，包括以下步骤：步骤1：采用玻璃纤维复合材料制造回转筒体结构透波模具；步骤2：将回转筒体结构的模型导入到铺放软件中，生成正确的轨迹代码并输入到电脑；通过铺放头的送料、切料和止纱三个步骤，选用T300碳纤维高温环氧树脂预浸料，按照预先设定好的轨迹在回转筒体结构透波模具上进行连续铺放；步骤3：采用真空袋压法进行预压实；步骤4：将抽真空预压实的回转筒体碳纤维预制件连同玻璃纤维复合材料透波模具用螺栓紧固起来；步骤5：放入到微波罐中进行微波固化。该方法确保了微波固化工艺参数的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料自动化成形领域，具体涉及一种回转筒体结构碳纤维复合材料微波固化成型方法。

背景技术

碳纤维复合材料具有重量轻、比强度和比模量高、耐疲劳与耐腐蚀性好，已经广泛应用于航空航天领域，其中以壳体为主的产品越来越多的选择是用碳纤维复合材料，可以明显减轻壳体的重量。针对大型复杂碳纤维复合材料构件，传统的成型工艺以自动铺放成型技术和热压罐固化技术为主。由于热压罐工艺制备的复合材料孔隙率低、纤维含量高。但热压罐工艺主要靠罐内空气不断循环流动，加速模具和复合材料换热，利用热传导对复合材料进行加热固化，难以避免地产生热梯度。迎风面罐头升温降温较快，背风面罐尾升温降温较慢，对于大尺寸的复合材料构件会造成头尾极大的温差。这会导致固化不均匀，产生复合材料固化残余变形，这种变形很难预测和控制，致使成品率较低。

微波固化技术是近几年逐渐发展起来的一种新的复合材料成型工艺，传统复合材料成型工艺采用电加热技术固化材料树脂基体，复合材料表面和内部始终存在温度差异。微波固化是将微波能直接辐射到材料表面，并穿透材料，使得材料的内外同时均匀加热，能短时间达到固化复合材料的目的。传统的固化方式依靠温度差异传递热量，而在加热腔体中微波均匀分布，复合材料的各个部位通常都能均匀渗透微波，吸收电磁波产生热量，大大改善的均匀性。微波对复合材料的加热效果由材料的介电常数和损耗正切值决定。碳纤维增强复合材料的介电常数和损耗正切值都较高，微波功率的小幅度变化都会造成复合材料温度的剧烈变化，热惯性极小，特别适宜于加热全过程的工艺自动化控制。微波对不同介电性能的材料作用效果不同，复合材料微波固化过程中，只有复合材料被加热，腔体中的气体和透波模具都不会被加热。由于微波对材料的直接加热、选择性加热以及微博源极高的能量转化效率，使得微波固化的能源利用率远高于热压罐工艺，生产环境也明显改善。

因此，采用微波固化技术代替热压罐固化技术，由于其温度响应快，固化能耗低，周期短，成本低等一系列优点，被认为是下一代复合材料高效节能固化关键技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种回转筒体结构碳纤维复合材料微波固化成型方法，该方法解决了金属模具对微波的反射，确保了微波固化工艺参数的可靠性，并实现碳纤维预浸料的快速固化成型。

实现本发明目的的技术方案是：一种回转筒体结构碳纤维复合材料微波固化成型方法，包括以下步骤：

步骤1：采用玻璃纤维复合材料制造回转筒体结构透波模具；

步骤2：将回转筒体结构的模型导入到铺放软件中，生成正确的铺放轨迹代码并输入到控制系统；设置自动铺放工艺参数，控制系统控制铺放头进行送料、切料和止纱三个步骤，将预浸料按照预先设定好的铺放轨迹在回转筒体结构透波模具上连续铺放，铺放完成后得到碳纤维复合材料预制件；

步骤3：采用真空袋压法进行预压实：依次用脱模布、带孔隔离膜和透气毡包裹整个碳纤维复合材料预制件，并用压敏胶带贴合，最后裹上真空袋，采用密封胶带进行密封，打开真空袋上的真空阀，用快速接头连接真空系统进行抽真空预压实；

步骤4：将抽真空预压实的回转筒体碳纤维预制件连同玻璃纤维复合材料透波模具紧固起来；

步骤5：将回转筒体碳纤维预制件连同玻璃纤维复合材料透波模具一起放入到微波罐中，设置微波固化工艺参数进行微波固化，微波罐中有测温装置，可根据频率调节微波固化温度。

优选地，所述预浸料选用T300碳纤维高温环氧树脂预浸料。

优选地，所述自动铺放工艺参数为：铺放温度T为30℃，铺放压力F为12N/mm，铺放速率v为85mm/s。

优选地，所述预压实真空度不低于920mbr，时间不少于1h。

优选地，所述步骤4中将回转筒体碳纤维预制件连同玻璃纤维复合材料透波模具用螺栓紧固起来。

优选地，所述微波固化工艺参数为：升温速率β＝2℃/min，固化温度Tc＝190℃，固化保温时间T＝150min。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明针对回转筒体碳纤维复合材料的成型技术，采用微波固化成型技术和玻璃纤维复合材料透波模具，解决了金属模具对微波的反射，确保了微波固化工艺参数的可靠性；通过利用微波加热将热量传递到预浸料中的树脂基体与碳纤维，进而对纤维周边的基体产生加热效应，实现碳纤维复合材料预制件的固化成型，缩短了制造周期，降低了制造成本，确保了回转筒体碳纤维复合材料构件的质量。

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明回转筒体结构透波模具装置示意图。

图2为本发明微波固化装置示意图。

图中：1芯模，2回转筒体碳纤维预制件，3玻璃纤维复合材料透波模具，4模具固化工装，5载物玻璃板，6真空管接口，7扼流槽，8裂缝天线，9炉体，10温度传感器接头。

具体实施方式

为了解决回转筒体结构复合材料在成型过程中的周期长、固化变形度大以及成本高等一些问题，本发明采用了微波固化技术对回转筒体结构复合材料进行固化成型，一种回转筒体结构碳纤维复合材料微波固化成型方法，包括以下步骤：

步骤1：从技术要求、经济性等方面进行考虑，采用玻璃纤维复合材料制造回转筒体结构透波模具；

步骤2：选用T300碳纤维高温环氧树脂预浸料进行铺层，将已知回转筒体结构的模型导入到铺放软件中，生成正确的轨迹代码并输入到电脑；T300碳纤维高温环氧树脂预浸料通过铺放头的送料、切料和止纱三个步骤，按照预先设定好的铺放轨迹沿着回转筒体模具进行连续铺放，得到碳纤维复合材料预制件；所选用的自动铺放工艺参数：铺放温度T为30℃、铺放压力F为12N/mm、铺放速率v为85mm/s；

步骤3：采用真空袋压法进行预压实，依次用脱模布、带孔隔离膜和透气毡包裹整个碳纤维复合材料预制件，并用压敏胶带贴合，最后裹上真空袋，采用密封胶带进行密封，打开真空阀用快速接头连接真空系统进行抽真空，预压实真空度不低于920mbr，时间不少于1h；

步骤4：如图1所示，模具固化工装4上安装有芯模1，抽真空预压实的回转筒体碳纤维预制件2套在芯模1上，并连同玻璃纤维复合材料透波模具3用螺栓紧固起来。

步骤5：就步骤4紧固起来的回转筒体结构透波模具装置一起放入到微波固化装置中进行微波固化，微波固化装置为微波罐，如图2所示，微波罐包括炉体9，炉体9中置有截面呈正八边形的棱柱形微波腔体，微波腔体外表面安装有裂缝天线8和扼流槽7，微波腔体内表面安装有真空管接口6和温度传感器接头10，载物玻璃板5连接于微波腔体两侧，可在微波腔体内移动，用于放置回转筒体结构透波模具装置，可以根据频率调节微波固化温度，固化时将回转筒体结构透波模具装置置于载物玻璃板5上，再缓缓将载物玻璃板推进微波腔体，连接好真空管接口6，关闭微波罐门，输入固化工艺参数，进行微波固化；所选用的微波固化工艺参数：升温速率β＝2℃/min，固化温度Tc＝190℃，固化保温时间T＝150min。