[发明专利]用于使复合制品固化的方法及设备

说明书

公开了一种使复合制品固化的方法和相关的固化设备。提供热源以加热复合制品。检测紧邻热源的温度相关特性，并且将热输出调节至预定的温度相对于时间的曲线。获取热输出相对于时间的数据并对其进行函数化，并且基于函数化的热输出相对于时间的数据来确定固化完成时间。该方法提供加热复合制品以遵循预定的温度相对于时间的曲线(即固化曲线)并避免过高的温度。还已经发现所需的热输出相对于时间是可广泛再现的，并且可以例如通过识别函数化数据的可再现特征而从函数化的热输出相对于时间的数据中更容易地确定固化完成时间。

技术领域

本发明涉及用于固化由复合材料(例如，碳纤维)形成的制品，特别是用于航空航天应用的制品，的方法和加热工具。

背景技术

复合材料由于其高的强度重量比而被广泛用于诸如航空航天、汽车、土木工程和体育用品之类的许多行业。

碳纤维复合材料(也称为碳纤维增强聚合物，或简称为“碳纤维”)是由通过聚合物组分或树脂组分增强的织物组分或纤维组分形成的复合材料的实例。

碳纤维复合材料由浸渍有聚合物基体并增强聚合物基体的层状碳纤维织物形成。该织物通过使合成聚合物织物材料碳化而形成，并且可以以织造物、非织造物提供，或者可以由单向纤维组成。碳纤维织物提供了复合材料的大部分强度，而树脂则提供了额外的强度和刚度，并且还保护并保留了碳纤维的机械性能。

聚合物基体通常是由树脂(通常是环氧树脂)形成的热固性聚合物。尽管由树脂前体形成热固性聚合物通常是放热反应，但用于大规模工业应用的环氧树脂体系通常需要输入热能来引发固化(即，树脂内聚合物链之间的交联)，从而形成三维聚合物基体。

常规地，在织物叠置和树脂浸渍之后，碳纤维制品在高压釜中在高温(约100℃至300℃)和压力(高达7巴)下固化。尽管这种固化方法是有效的，但是它伴随着高资本支出和高操作成本。

特别是对于航空航天业，已经越来越多地采用所谓的“无高压釜”(out ofautoclave，OOA)固化方法，在该方法中将碳纤维制品保持在减压下(在真空袋中)并在加热的工具上或在加热工具之间固化。

虽然OOA制造的初始成本和操作成本已大大降低，但是在控制固化反应时可能会遇到问题；涉及确保整个大型物品完全固化和/或防止局部过热，这可能会对复合制品的最终结构性能产生不利影响。

对于每种复合制品，固化工具表面的相关条件有所不同，因此，通常，OOA固化条件是基于差示扫描量热法或破坏性试验通过实验确定的。然而，在制造期间，不能有效地监测固化。由于零件之间的固有差异，因此在环境条件下，成批的碳纤维和/或树脂等中，必须保守地设置固化条件(缓慢的斜坡率，较长的停留时间)，以确保避免过热或固化不完全。这增加了制造时间和能耗。

在US 8,473,093中，Gershenfeld等人描述了如何将“节点”网络嵌入到OOA固化工具中并通过处理器进行闭环控制，其中每个节点包括热敏电阻或热电偶以及加热元件。处理器基于检测到的温度来控制加热输入，以遵循预定的固化温度曲线。

已经提出将用于检测温度的工具嵌入在复合制品本身内，以更精确地监测复合结构内的深处的温度。然而，这增加了制造的成本和复杂性，并且对于许多应用而言，在最终的复合制品中不希望存在热电偶/热敏电阻。

在其概念验证工作中，Gershenfeld等人证明，原则上，基于已固化样品的比较测试，可以基于所需热量输入与预期值之间的偏差来跟踪在环氧树脂杯内发生的放热固化反应的特征。然而，在使用单个节点对块状树脂样品进行的测试中可以看到该特征，并且并未对其中信号要低得多的固化工具中的复合材料测试该原理。

因此，需要在OOA复合物制造过程中改进对固化的监测和控制。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种使复合制品固化的方法，所述方法包括：