一种复合材料微波间接加热模具及固化方法，采用微波间接加热模具的吸波型面吸收微波，将微波能转化为热能用于加热固化复合材料零件。本发明可以实现多向铺层碳纤维增强树脂基复合材料和玻璃纤维增强树脂基复合材料的有效加热固化，具有固化时间短、能耗低等一系列优点，大大提高了这类复合材料零件的微波固化效率，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。
1.一种复合材料微波间接加热模具，其特征在于：模具由支撑桁架、透波面板、隔热层和吸波型面组成；支撑桁架与透波面板间采用机械连接，用于支撑透波面板；透波面板的表面设有放置隔热层和吸波型面的凹槽，隔热层位于凹槽的底部，待加热固化的复合材料放置在所述的吸波型面；支撑桁架为圆滑过渡的金属结构件，该金属结构件与微波腔体的金属壁面接触良好并共地，以避免强电磁环境下放电打火和拉弧现象；所述的透波面板由透波性能良好且具有一定刚度和硬度的材料组成，透波面板表面的凹槽四周采用直径不小于
5mm的圆弧过渡，不存在过渡尖角；所述吸波型面由短切碳纤维毡增强树脂基复合材料组成，短切碳纤维的长度为4mm 6mm，短切碳纤维的体积分数为48.5% 52.5%，吸波型面的厚度~ ~为8mm 12mm；当使用温度在150℃以下时，吸波型面的树脂基体采用环氧树脂或双马树脂，~
当使用温度在150℃以上时，吸波型面的树脂基体采用聚酰亚胺树脂；吸波型面四周采用半径不小于5mm的圆弧过渡，不存在过渡尖角；吸波型面四周边缘应至少大于待固化复合材料零件四周边缘50mm；
当待固化复合材料零件的厚度不大于5mm时，直接在所述的微波间接加热模具上依次放置脱模布、待固化复合材料零件、脱模布、吸胶布、无孔隔离膜、透气毡、真空袋；当待固化复合材料零件的厚度大于5mm时，在所述的微波间接加热模具上依次放置脱模布、待固化复合材料零件、脱模布、吸胶布、无孔隔离膜、吸波层、透气毡、真空袋；真空袋采用密封胶带密封进行抽真空；对于待固化复合材料零件为零吸胶复合材料体系时，无需设置吸胶布；当待固化复合材料零件为平板或单曲率层合板结构时，所述的吸波层与模具吸波型面的材料、形状、厚度一致，当待固化复合材料零件为双曲率或多曲率层合板结构时，所述的吸波层采用与模具吸波型面吸波性能相当的柔性吸波隔膜组成；所述的微波间接加热模具放置在微波腔体内；固化时，实时测量复合材料零件和吸波型面的温度，采用吸波型面的测量温度与设定固化温度间的差值实时调节微波腔体内的功率，直至复合材料零件完全固化。
2.根据权利要求1所述的复合材料微波间接加热模具，其特征在于：所述的金属结构件为不锈钢圆管，其表面及连接处无尖角和毛刺。
3.根据权利要求1所述的复合材料微波间接加热模具，其特征在于：所述的透波面板材料为玻璃纤维增强树脂基复合材料、陶瓷、聚四氟乙烯或玻璃。
4.根据权利要求1所述的复合材料微波间接加热模具，其特征在于：所述的隔热层由隔热性能良好的材料组成，用于降低吸波型面向透波面板和周围环境的热量损耗。
5.根据权利要求4所述的复合材料微波间接加热模具，其特征在于：所述的隔热层材料为玻璃纤维布、石棉布。
6.根据权利要求1所述的复合材料微波间接加热模具，其特征是所述的柔性吸波隔膜为碳黑硅胶隔膜。
复合材料微波间接加热模具及固化方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种复合材料加热模具及固化方法，尤其是一种复合材料微波加热模具及固化方法，具体地说是一种复合材料微波间接加热模具及固化方法。
背景技术
[0002] 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。
[0003] 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、零件厚度方向温差大，成型周期长，且空气和模具均需加热至高温，能耗高。申请人前期提出的微波固化方法以电磁波直接穿透、内外同时均匀加热复合材料，加热速度快，成型周期短，微波选择性加热复合材料，空气与模具均不加热，能耗低。
[0004] 然而，通过大量研究，申请人发现微波难以穿透加热多向铺层碳纤维增强树脂基复合材料，以及微波固化玻璃纤维增强树脂基复合材料加热效率低等问题。针对上述问题，本发明提出一种复合材料微波间接加热模具及固化方法，采用微波间接加热模具的吸波型面吸收微波，将微波能转化为热能用于加热固化复合材料零件。本发明可以实现多向铺层碳纤维增强树脂基复合材料和玻璃纤维增强树脂基复合材料的有效加热固化，具有固化时间短、能耗低等一系列优点，大大提高了这类复合材料零件的微波固化效率，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
[0005] 本发明的目的是针对微波难以穿透加热多向铺层碳纤维增强树脂基复合材料，以及微波固化玻璃纤维增强树脂基复合材料加热效率低等问题，发明一种复合材料微波间接加热模具及固化方法。
[0006] 本发明的技术方案之一是：
[0007] 一种复合材料微波间接加热模具，其特征在于：模具由支撑桁架、透波面板、隔热层和吸波型面组成；支撑桁架与透波面板间采用机械连接，用于支撑透波面板；透波面板的表面设有放置隔热层和吸波型面的凹槽，隔热层位于凹槽的底部，待加热固化的复合材料放置在所述的吸波型面上。吸波型面的高度与透波面板四周的高度保持一致，即吸波型面的上表面与透波面板的上表面齐平。
[0008] 所述的支撑桁架由圆滑过渡的金属结构组成，如不锈钢圆管，支撑桁架表面及连接处不存在任何尖角和毛刺。
[0009] 所述的透波面板由透波性能良好且具有一定刚度和硬度的材料组成，如玻璃纤维增强树脂基复合材料、陶瓷、聚四氟乙烯等；透波面板表面的凹槽四周采用直径不小于5mm的圆弧过渡，不存在过渡尖角。
[0010] 所述的隔热层由隔热性能良好的材料组成（如玻璃纤维布、石棉布等），用于降低吸波型面向透波面板和周围环境的热量损耗。
[0011] 所述的吸波型面由短切碳纤维毡增强树脂基复合材料组成，短切碳纤维的长度为3mm 20mm（优选4mm 6mm），短切碳纤维的体积分数为42% 58%（优选48.5% 52.5%），吸波型面~ ~ ~ ~
的厚度为5mm 15mm（优选8mm 12mm）；当使用温度在150℃以下时，吸波型面的树脂基体采用~ ~
环氧树脂或双马树脂等低温树脂体系，当使用温度在150℃以上时，吸波型面的树脂基体采用聚酰亚胺树脂等高温树脂体系；吸波型面四周采用半径不小于5mm的圆弧过渡，不存在过渡尖角；吸波型面四周边缘应至少大于待固化复合材料零件四周边缘50mm。
[0012] 本发明的技术方案之二是：
[0013] 一种复合材料微波间接固化方法，其特征在于：当待固化复合材料零件的厚度不大于5mm时，直接在所述的微波间接加热模具上依次放置脱模布、待固化复合材料零件、脱模布、吸胶布、无孔隔离膜、透气毡、真空袋等；当待固化复合材料零件的厚度大于5mm时，在所述的微波间接加热模具上依次放置脱模布、待固化复合材料零件、脱模布、吸胶布、无孔隔离膜、吸波层、透气毡、真空袋等；真空袋采用密封胶带密封进行抽真空；对于待固化复合材料零件为零吸胶复合材料体系时，无需设置吸胶布等辅助材料；当待固化复合材料零件为平板或单曲率层合板等简单结构时，所述的吸波层与模具吸波型面的材料、形状、厚度一致，当待固化复合材料零件为双曲率或多曲率层合板等复杂结构时，所述的吸波层采用与模具吸波型面吸波性能相当的柔性吸波隔膜组成（如碳黑硅胶隔膜等）；所述的微波间接加热模具放置在微波腔体内，模具上的金属结构与微波腔体的金属壁面接触良好（共地），避免强电磁环境下放电打火和拉弧现象；固化时，实时测量复合材料零件和吸波型面的温度，采用吸波型面的测量温度与设定固化温度间的差值实时调节微波腔体内的功率，直至复合材料零件完全固化。
[0014] 本发明的有益效果：
[0015] 本发明可以实现多向铺层碳纤维增强树脂基复合材料和玻璃纤维增强树脂基复合材料的有效加热固化，具有固化时间短、能耗低等一系列优点，大大提高了这类复合材料零件的微波固化效率，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。
附图说明
[0016] 图1是本发明的复合材料微波间接加热模具及真空封装系统；
[0017] 图中：1为支撑桁架，2为透波面板，3为隔热层，4为吸波型面，5为脱模布、6为复合材料零件、7为吸胶布、8为无孔隔离膜，9为吸波层，10为透气毡，11为真空袋、12为密封胶带。
具体实施方式
[0018] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0019] 实施例一。
[0020] 本实施例采用24层碳纤维增强的双马树脂复合材料层合板作为待固化的复合材料零件（6），铺层顺序为[0/+45/-45/90]5，零件尺寸为300mm×300mm×3mm，固化温度为200℃。微波间接加热模具由支撑桁架（1）、透波面板（2）、隔热层（3）和吸波型面（4）组成。其中，支撑桁架（1）由外径为40mm，内径为36mm的不锈钢管焊接制成；透波面板（2）采用透波陶瓷制作，尺寸为500mm×500mm×30mm，凹槽尺寸为400mm×400mm×12mm，凹槽四周的转角为半径为8mm的四分之一圆弧；支撑桁架（1）与陶瓷透波面板（2）间采用螺纹机械连接，连接处表面打磨光滑，不存在尖角和毛刺；隔热层（3）由16层玻璃纤维布组成，厚度为2mm；吸波型面（4）采用短切碳纤维毡增强聚酰亚胺树脂复合材料制成，短切碳纤维的长度为5mm，碳纤维的体积分数为50%，吸波型面尺寸为399mm×399mm×10mm，四周转角为半径为7.8mm的四分之一圆弧，最高使用温度为350℃。
[0021] 铺层完毕后，在复合材料零件（6）周围粘贴铝箔胶带，预留流胶孔，并将复合材料零件（6）和一系列真空辅助材料放置在微波间接加热模具上。放置顺序依次为脱模布（5）、待固化复合材料零件（6）、脱模布（5）、无孔隔离膜（8）、透气毡（10）、真空袋（11）等；真空袋（11）采用密封胶带（12）密封进行抽真空，真空度为-0.098MPa。将准备好的微波间接加热模具放置在微波腔体内，不锈钢支撑桁架（1）与微波腔体的金属壁面接触良好；固化时，实时测量复合材料零件（6）和吸波型面（4）的温度，采用吸波型面（4）的测量温度与设定固化温度间的差值实时调节微波腔体内的功率，直至复合材料零件（6）完全固化。
[0022] 实施例二。
[0023] 本实施例采用200层玻璃纤维增强的环氧树脂复合材料层合板作为待固化的复合材料零件（6），铺层顺序为[0/90]100，零件尺寸为300mm×300mm×20mm，固化温度为120℃。微波间接加热模具由支撑桁架（1）、透波面板（2）、隔热层（3）和吸波型面（4）组成。其中，支撑桁架（1）由外径为40mm，内径为36mm的不锈钢管焊接制成；透波面板（2）采用玻璃纤维增强环氧树脂复合材料制成，尺寸为500mm×500mm×30mm，凹槽尺寸为400mm×400mm×12mm，凹槽四周的转角为半径为8mm的四分之一圆弧；支撑桁架（1）与玻璃纤维增强环氧树脂复合材料透波面板（2）间采用螺纹机械连接，连接处表面打磨光滑，不存在尖角和毛刺；隔热层（3）由厚度为2mm的石棉布组成；吸波型面（4）采用短切碳纤维毡增强双马树脂复合材料制成，短切碳纤维的长度为5mm，碳纤维的体积分数为50%，吸波型面尺寸为399mm×399mm×
10mm，四周转角为半径为7.8mm的四分之一圆弧，最高使用温度为180℃。
[0024] 铺层完毕后，将复合材料零件（6）和一系列真空辅助材料放置在微波间接加热模具上。放置顺序依次为脱模布（5）、待固化复合材料零件（6）、脱模布（5）、吸胶布（7）、无孔隔离膜（8）、吸波层（9）、透气毡（10）、真空袋（11）等；真空袋（11）采用密封胶带（12）密封进行抽真空，真空度为-0.098MPa。吸波层（9）采用碳黑含量为45%的硅胶隔膜制成，尺寸为300mm×300mm×8mm。将准备好的微波间接加热模具放置在微波腔体内，不锈钢支撑桁架（1）与微波腔体的金属壁面接触良好；固化时，实时测量复合材料零件（6）和吸波型面（4）的温度，采用吸波型面（4）的测量温度与设定固化温度间的差值实时调节微波腔体内的功率，直至复合材料零件（6）完全固化。
[0025] 以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
[0026] 本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
