一种复合材料低成本快速固化方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种复合材料低成本快速固化方法，采用中频电磁感应线圈作用金属模具自发加热的方式，实现复合材料快速固化成型，属于复合材料成型技术领域。
【背景技术】
[0002]复合材料在航空航天等领域日益发挥重要作用，成型工艺的研宄一直是复合材料学界的热点课题之一。从20世纪40年代至今，复合材料成型工艺发生了巨大而深刻的变化，为促进整个复合材料工业的发展起到了决定性的作用。未来，随着社会工业的进步，科学技术的快速发展，复合材料构件制造技术的发展方向将是:新型成型技术的应用，特别是发展快速、优良、稳定的固化技术，实现复合材料构件生产的批量化，降低复合材料制造成本，促使复合材料制造技术走向智能化、规模化。
[0003]现有的复合材料固化成型工艺，特别是传统的热压罐成型工艺，固化周期长，耗能大，生产成本高。原因在于，热压罐工艺等通过加热模具周围环境温度以热传导的方式给模具升温来固化成型复合材料，采用热传导的方式热能传递效率低，模具升温速度慢，且各部位的热传导效率不同，模具温度场均匀性控制较难，由于升温速率和温度是影响树脂黏度变化的关键因素，而树脂黏度的高低又影响固化加压时机，过慢的升温速率和不均匀的温度直接导致固化加压时间的滞后和加压时机的偏差。同时热传导方式要求外界介质温度高于模具温度，而复合材料的固化工艺温度范围较小，当模具达到工艺温度时，需要降低外界介质温度，这个过程较难控制，容易使模具温度过高，复合材料固化成型过程发生异常，影响材料质量，上述原因使得当前复合材料构件生产效率低，能耗大，质量稳定性不足，此外该工艺方法对辅助材料要求较高，造成材料成本增加。
[0004]总之，以热传导加热模具固化成型复合材料这类的成型工艺均实现不了复合材料低成本快速成型。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种复合材料低成本快速固化方法，该方法解决了传统通过热传导加热模具升温慢，耗能大，生产成本高的难题，实现了快速升温，提高了复合材料生产效率、并降低了辅助材料性能要求，从而降低制造成本，且能耗低。
[0006]本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的:
[0007]一种复合材料低成本快速固化方法，包括如下步骤:
[0008](I)、将预固化成型复合材料铺设在要求形状的成型模具中，将测温元器件与成型模具接触；
[0009](2)、采用透气及保温材料对预固化成型复合材料和成型模具进行包覆，使预固化成型复合材料和成型模具完全包覆其中，并使测温元器件穿过透气及保温材料；
[0010](3)、采用真空袋对透气及保温材料进行包覆，使透气及保温材料完全包覆在真空袋中，并使测温元器件穿过真空袋；
[0011](4)、将真空管路一端穿过真空袋与透气及保温材料接触，另外一端连接外部真空泵，检测真空袋内的真空度，若真空度满足要求，则进入步骤(5);
[0012](5)、将步骤(4)包覆完成的真空袋放入中频感应线圈的有效加热区内，并使测温元器件连接外部控温装置；同时将包覆完成的真空袋和中频感应线圈放置在加压装置中，并使中频感应线圈与外部控温装置连接；
[0013](6)、启动外部控温装置，控制中频感应线圈对成型模具进行加热，并通过测温元器件进行温度测量，当测量温度达到预固化成型复合材料的工艺设定温度时，启动加压装置，对真空袋进行加压，当压力达到设定值时，保持压力不变，继续升温，完成对预固化成型复合材料的固化成型；
[0014](7)、固化成型完成后，依次除去真空袋及透气及保温材料，脱模，得到复合材料产品O
[0015]在上述复合材料低成本快速固化方法中，成型模具为组合模具或者单一模具，若为组合模具时，预固化成型复合材料位于组合模具中间，若为单一模具时，预固化成型复合材料位于单一模具表面，所述成型模具为平板结构或曲面结构。
[0016]在上述复合材料低成本快速固化方法中，成型模具的壁厚大于中频感应线圈的电磁感应透热深度。
[0017]在上述复合材料低成本快速固化方法中，中频感应线圈包括环形线圈和平面线圈，所述环形线圈呈螺旋形状环绕在真空袋包覆模具的四周；所述平面线圈内部放置真空袋包覆模具，或者平面线圈位于真空袋包覆模具一侧。
[0018]在上述复合材料低成本快速固化方法中，透气及保温材料的材质为单层或双层结构，当成型模具的最高加热温度为200°C及以下时，采用单层结构，当成型模具的最高加热温度超过200 °C时，采用双层结构。
[0019]在上述复合材料低成本快速固化方法中，采用单层结构时，透气及保温材料的材质为尼龙或聚酯纤维无纺毡，采用双层结构时，靠近成型模具的透气及保温材料为玻璃纤维编织物、隔热无机纤维毡、隔热无机纤维板或隔热涂层，靠近真空袋的透气及保温材料为尼龙或聚酯纤维无纺毡。
[0020]在上述复合材料低成本快速固化方法中，透气及保温材料的厚度保证一定的温度梯度，使成型模具的温度传递到真空袋后，真空袋的温度不超过真空袋材料使用温度；真空袋使用材质的耐热要求低于成型模具的最高加热温度，真空袋材料选用PC、PE或尼龙薄膜，且制造真空袋使用的密封胶带远离成型模具，耐热要求低于真空袋材质的耐热要求。
[0021]在上述复合材料低成本快速固化方法中，透气及保温材料的总厚度为3-10mm。
[0022]在上述复合材料低成本快速固化方法中，步骤(六)中采用中频感应线圈对成型模具进行加热的方法如下:
[0023]通过外部控温装置控制向中频感应线圈输出的脉冲强度及脉冲时间，保证成型模具表面温度低于透气及保温材料的使用温度，输入脉冲的间隔区间，利用成型模具的自身热传导达到设定的温度并实现成型模具的温度均匀。
[0024]在上述复合材料低成本快速固化方法中，中频感应线圈的频率选取范围为500Hz-3000Hz，对应成型模具的感应透热深度为5-15mm;所述步骤￠)中成型模具的升温速率为 1-10°C /min。
[0025]本发明与现有技术相比有益效果为:
[0026](I)、相比于传统的通过热传导加热模具固化成型复合材料的方式，本发明采用中频电磁感应线圈直接作用金属模具自发加热固化成型复合材料，中频加热升温速度快，且温度场均匀性好，控制精确，温度过冲小，大大提高了生产效率的同时保证了产品质量。
[0027](2)、本发明针对复合材料的工艺特点与现有中频应用于金属热处理及冶炼行业的不同，复合材料对模具的升温速率受到树脂体系的限制，因此对模具升温速率的要求要远低于金属热处理及冶炼，本发明对升温速率进行了优化设计，同时对中频感应线圈的形式进行了优化设计，实现了快速升温及快速成型，缩短了工艺周期；中频电磁感应线圈加热耗能更低，大幅节约了生产成本。
[0028](3)、本发明采用中频电磁感应加热只能使金属模具自身加热，成型复合材料用的非金属辅助材料并不被加热，且成型过程通过特定包覆后周围环境温度很低，这就使得在成型双马和聚酰亚胺等耐高温复合材料时，不必使用非常昂贵的耐高温辅助材料，节约了制造成本。
[0029](4)、本发明根据复合材料成型特点，通过理论研宄结合大量试验对采用的