[发明专利]一种复合材料微波高压固化装置

说明书

发明针对热压罐固化技术存在的复合材料厚度方向温度梯度大、层间剪切强度差、固化时间长、能耗高等问题，提供了一种复合材料微波高压固化装置，采用电磁波对抽真空和气体高压压实的复合材料进行微波加热固化成型，为先进复合材料的高质量、短周期、低能耗固化成型提供技术支撑。

技术领域

本发明涉及一种复合材料固化设备，尤其是一种复合材料高压固化设备，具体地说是一种利用高压气体辅助的具有智能监控功能的复合材料微波高压固化装置。

背景技术

纤维增强树脂基复合材料是各类具有较高轻量化需求领域，如航空航天、船舶、汽车、风力发电等领域内，大量运用的核心材料。尤其是在先进航空航天器的制造中，复合材料的使用已经由飞行器雷达罩、安定面等次承力构件发展到包括翼梁、机翼壁板、中央翼盒、长桁、机身筒段等主承力构件。航空航天复材构件具有大尺寸，大厚度的特点，如波音787的整体机翼壁板达到了28.6米，A350的机身筒段直径达到了5.49米，A380的碳纤维复材中央翼盒的接头厚度达到了45毫米。大型构件共固化、整体成型技术是下一代纤维复合材料构件的发展趋势。

热压罐成型工艺具有成型质量佳、工艺重复性好、孔隙率低和树脂含量均匀等优点。目前，超过98%的航空航天纤维增强树脂基复合材料构件采用热压罐工艺成型。然而，热压罐工艺主要存在以下四个问题：（1）纤维增强树脂基复合材料厚度方向热传导性能差，导致纤维复材构件厚度方向的温度不均匀；（2）空气传导加热过程热惯性大，温度控制灵敏性差；（3）热压罐工艺必须通过降低升温速率和延长保温时间来保证材料温度均匀性，故热压罐工艺固化时间长。（4）热压罐工艺需加热罐内空气、模具和辅助设施，加之固化时间长，因此能耗极大。

为解决上述难题，一种微波加热固化技术被提出以用于纤维增强树脂基复合材料的固化过程[CN201310480686.4]。微波是一种介于30MHz-300GHz之间的电磁波，复合材料对该波段内的电磁波具有较强的吸收作用。微波加热固化具有固化周期短、能耗低、温度响应迅速等特点，已经在学术界和企业界展开了广泛的研究工作。然而，现阶段所报道的微波加热固化技术主要面向处于一个真空袋压环境下的复合材料[CN201310006755.8]。高性能复合材料具有较高的质量要求，如孔隙率需降至1%以内，厚度超差不超过0.01mm。这类高性能构件的固化过程要求在一个真空袋压的基础上额外施加0.6MPa以上的均布压力，使得复合材料内部的气体可以顺利排出，以减少材料的孔隙率，提高压实度。

为了实现树脂基复合材料在高压辅助下的微波加热固化，不同的机构先后提出了微波-压力固化成型装置。德国航空航天中心在美国专利[US8008608B2]中保护了一种微波热压罐，采用多路同轴电缆和辐射天线将微波馈入至圆形截面热压罐内加热复合材料。然而，圆形截面微波腔体存在电磁能量集聚于圆心且难以调整等问题，使得复合材料极易发生高温烧蚀而报废。为解决上述问题，南京航空航天大学[CN201310480701.5]保护了一种微波-压力固化装置。该装置由外部圆柱形承压罐体和内部多边形微波谐振腔组成，同样采用同轴电缆和辐射天线作为微波传输线，实现了相对均匀的电磁场分布。上述两种方案均采用了同轴电缆作为微波传输线，虽然同轴电缆线在气体密封及承压方面具有较大的优势，但同轴电缆本身属于低功率电磁信号传输线，无法应用于大功率微波能加热领域。采用同轴电缆传输大功率微波能量会导致大量传输损耗，微波能量无法有效馈入微波腔体中，同时同轴电缆急剧发热软化、烧蚀，造成微波泄漏、罐体压力密封失效等严重安全事故。专利[CN104690986B]提出了一种微波混合加热加压装置，该装置直接将矩形耐压波导焊接在热压罐壁面上实现大功率微波能量传输，但罐体上开设的矩形微波馈口处极易产生应力集中，从而造成压力罐体失效破坏，同时上述馈能方式使得热压罐内部空间利用率极低，难以实现大型零件的加热固化。此外，为配合空气传导加热过程，该微波腔体全部由金属网孔板制作，微波谐振性能差、电磁泄漏严重。