復(fù)合材料柔性電熱膜固化方法與溫度分布

李金良，顧軼卓，李敏，王紹凱，金超，張佐光

(1.北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊050081)

碳纖維復(fù)合材料具有質(zhì)輕、高比強(qiáng)、高比模、尺寸穩(wěn)定、耐腐蝕、可整體成型等優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用于航空、航天、電子、船舶、汽車、體育用品等工業(yè)領(lǐng)域［1］.隨著對(duì)大型化復(fù)雜化復(fù)合材料構(gòu)件需求的不斷增加，其整體成型的制造優(yōu)勢(shì)越發(fā)引起重視［2］.

大中型天線反射器面板是天線反射器的關(guān)鍵部件，具有典型的小曲率、大直徑弧面結(jié)構(gòu)，通常由幾十塊、甚至上千塊單塊面板構(gòu)成［3］.這種天線一般在條件惡劣的野外環(huán)境中使用，安裝、維護(hù)困難，需要其具有較高的使用可靠性和較長(zhǎng)的服役壽命，而復(fù)合材料輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕的特性正好契合這種部件的使用需求，并且整體成型復(fù)合材料天線面板可有效減少裝配工作量，降低制造成本，因此正在建設(shè)準(zhǔn)備階段的平方公里陣(Square Kilometer Array，SKA)射電望遠(yuǎn)鏡，提出了15 m口徑天線反射器采用整體化碳纖維復(fù)合材料天線面板的設(shè)計(jì)理念［4-5］.設(shè)計(jì)要求碳纖維復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到80℃，天線反射器的精度達(dá)到0.7 mm(r.m.s.).對(duì)于這種結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的大尺寸部件，如何實(shí)現(xiàn)均勻固化是控制其成型質(zhì)量的關(guān)鍵，因?yàn)楣袒^(guò)程直接影響構(gòu)件的變形、表面精度等關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)，而均勻加熱是實(shí)現(xiàn)均勻固化的前提［6-7］.

傳統(tǒng)的復(fù)合材料加熱設(shè)備包括熱壓罐、模壓機(jī)、烘箱等，為了滿足大型部件的制造需求，往往需要制造大型加熱設(shè)備，這也是復(fù)合材料部件制造成本高的主要原因之一［8］.因此，低成本的固化方法成為復(fù)合材料制造工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，尤其是不受制件尺寸限制的方法，如電子束固化、紅外加熱固化、微波固化、碳纖維自電阻加熱固化等［9-12］.對(duì)于大型的整體化碳纖維復(fù)合材料天線面板，現(xiàn)采用低成本的真空灌注(Vacuum Assisted Resin Infusion，VARI)工藝成型，若采用熱壓罐、模壓機(jī)、烘箱等方法加熱固化，設(shè)備尺寸要求過(guò)大;而采用上述低成本固化方法，由于技術(shù)成熟度的問(wèn)題，尚難以應(yīng)用于該制件;若采用模具自加熱則模具成本較高，而采用傳統(tǒng)的電熱毯，則因?yàn)樘炀€面板的復(fù)雜型面而難以保證電熱毯與復(fù)合材料表面充分貼合，影響傳熱效率和加熱均勻性.

柔性電熱膜屬于一種復(fù)合性高分子電熱膜，表面散熱面積大，溫度均勻，具有良好的柔韌性，可緊貼載體，熱轉(zhuǎn)化效率較高，其通用外形為條帶式結(jié)構(gòu)，可根據(jù)溫度需求設(shè)計(jì)鋪覆量及條帶間間距，能夠?qū)崿F(xiàn)分時(shí)分區(qū)溫度控制.目前，柔性電熱膜加熱多應(yīng)用于供暖領(lǐng)域［13-14］，在復(fù)合材料領(lǐng)域，除關(guān)于對(duì)風(fēng)電葉片復(fù)合材料的電熱除冰的報(bào)道［15］外，在復(fù)合材料構(gòu)件固化成型中的應(yīng)用尚未見文獻(xiàn)報(bào)道.根據(jù)大型的整體化復(fù)合材料天線面板的結(jié)構(gòu)和成型特點(diǎn)，采用柔性電熱膜加熱有望實(shí)現(xiàn)制件的低成本固化.

本文采用真空灌注成型工藝制備碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料層合板，研究柔性電熱膜作為加熱介質(zhì)的工藝適用性，考察電熱膜的鋪放方式、溫度制度對(duì)復(fù)合材料固化過(guò)程溫度分布均勻性和固化程度的影響，進(jìn)而采用電加熱膜加熱固化方法，驗(yàn)證其在制備大型碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料天線反射器蒙皮的可行性，研究結(jié)果為大型整體化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的低成本制造提供新的技術(shù)途徑和實(shí)驗(yàn)依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

原材料:雙酚A型改性環(huán)氧樹脂，惠柏新材料科技(上海)有限公司;改性脂肪胺固化劑，惠柏新材料科技(上海)有限公司;碳纖維織物(2×2斜紋，面密度200 g/m2)，威海光威復(fù)合材料有限公司.

實(shí)驗(yàn)用電熱膜尺寸為0.5 m×100 m，幅寬為500mm，厚度為0.338mm，功率為400W/m2，韓國(guó)Korea Heating公司;溫控器E-31，曼瑞德自控系統(tǒng)(樂清)有限公司;差式掃描量熱儀DSC 1型，瑞士Metter Toledo公司.

電熱膜由導(dǎo)電油墨經(jīng)印刷工藝，與金屬載流條復(fù)合熱壓在兩層絕緣的PET薄膜之間構(gòu)成，屬于電阻發(fā)熱，印刷油墨條相當(dāng)于電阻，金屬載流條相當(dāng)于導(dǎo)線，把若干電阻并聯(lián)起來(lái)，通電時(shí)產(chǎn)生熱能，其外形及結(jié)構(gòu)如圖1所示，其加熱單元間裁剪邊的寬度為25 mm，封裝邊的寬度為15 mm.

圖1 柔性電熱膜外形及結(jié)構(gòu)Fig.1 Shape and structure of flexible electric heating film

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料制備

VARI的封裝如圖2所示，復(fù)合材料層合板厚度為2 mm，長(zhǎng)度為700 mm，寬度為600 mm，纖維預(yù)成型體為8層碳纖維織物(2×2斜紋)，鋪層角度為［0°/30°/60°/90°］s，上面依次鋪放剝離層、導(dǎo)流網(wǎng)、真空袋、電熱膜、保溫層，在導(dǎo)流網(wǎng)上部放置K型熱電偶，記錄固化過(guò)程中層合板內(nèi)部溫度的變化.

圖2 VARI封裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of VARI assembly

檢查氣密性后，通過(guò)抽真空(真空度≥98 kPa)預(yù)壓實(shí)纖維預(yù)成型體.室溫下將樹脂從進(jìn)膠口灌入預(yù)成型體，樹脂沿高滲透層流動(dòng)，從上表面向下表面浸潤(rùn)，灌注完畢后關(guān)閉注膠口，保持真空袋內(nèi)真空壓力(真空度≥98 kPa)，根據(jù)工藝曲線啟動(dòng)電熱膜加熱固化.固化結(jié)束后，關(guān)閉電熱膜，自然冷卻至室溫.

1.2.2 電熱膜的鋪覆方式

電熱膜為條帶式結(jié)構(gòu)，同型號(hào)電熱膜幅寬固定，長(zhǎng)度可裁剪.天線反射面通過(guò)某拋物線(母線)旋轉(zhuǎn)一定角度得出，在天線反射面模具上鋪覆時(shí)，沿對(duì)稱軸從中間向兩側(cè)逐條鋪覆，電熱膜的寬度線作為母線上某點(diǎn)的切線時(shí)貼合性最佳，母線上等間距點(diǎn)的切線角度是變化的、不平行的，導(dǎo)致等寬的兩條電熱膜之間產(chǎn)生重疊，母線曲率半徑與電熱膜重疊面積成反比，曲率半徑越大，重疊面積越小，反之越大.兩條電熱膜在母線上隔開一定距離時(shí)，重疊范圍也會(huì)減少，隔開距離越大，重疊范圍越小.因此電熱膜在模具弧面鋪貼時(shí)會(huì)產(chǎn)生拼接、搭接、間隔3種情況，為考察這3種情況下電熱膜加熱的均勻性，對(duì)3種鋪覆方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，如圖3所示.

圖3 電熱膜的不同鋪覆方式示意圖Fig.3 Schematic diagram of different lay-up types of electric heating film

圖3為電熱膜在碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料層合板上的3種鋪覆方式，第1種鋪覆方式拼接鋪覆，記為A1，其鋪覆特點(diǎn)是兩條電熱膜封裝邊相接而不重疊，如圖3(a)所示;第2種鋪覆方式搭接鋪覆，記為A2，其鋪覆特點(diǎn)是兩條電熱膜的加熱區(qū)域產(chǎn)生重疊，電熱膜的搭接寬度為100 mm，如圖3(b)所示;第3種鋪覆方式間隔鋪覆，記為A3，其鋪覆特點(diǎn)是兩條電熱膜的封裝邊隔開了一定距離，兩條電熱膜的間距為100 mm，如圖3(c)所示.

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)電路連接將兩塊電熱膜共用1個(gè)控溫器，將控溫?zé)犭娕荚O(shè)置在圖中0號(hào)位置，鋪放在電熱膜上表面.在電熱膜的加熱區(qū)域設(shè)置了2個(gè)測(cè)溫?zé)犭娕?，在試件的相?duì)中間位置鋪放了1號(hào)熱電偶，相對(duì)邊緣位置鋪放了2號(hào)熱電偶;在A1中的封裝邊、在A2中的搭接區(qū)域、在A3中的間隔區(qū)域設(shè)置了2個(gè)測(cè)溫?zé)犭娕?，在試件的相?duì)中間位置鋪放了3號(hào)熱電偶，相對(duì)邊緣位置鋪放了4號(hào)熱電偶;在裁剪邊設(shè)置了2個(gè)熱電偶，在試件的相對(duì)中間位置鋪放了5號(hào)熱電偶，相對(duì)邊緣位置鋪放了6號(hào)熱電偶，所有熱電偶都鋪放在碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料試件的上表面.

1.2.3 溫度制度

為了分析工藝溫度對(duì)加熱均勻性和固化程度的影響，設(shè)計(jì)了3種工藝溫度參數(shù)，固化溫度制度如圖4所示.第1種固化工藝參數(shù)記為B1，其特點(diǎn)是直接加熱到固化溫度60℃;第2種工藝參數(shù)記為B2，其特點(diǎn)是在起始階段增加了在40℃的固化平臺(tái)，然后再升溫至固化溫度60℃;第3種工藝參數(shù)記為B3，其特點(diǎn)是在起始階段增加了在50℃的固化平臺(tái)，然后再升溫至固化溫度60℃.

針對(duì)以上不同的電熱膜鋪覆方式和固化工藝參數(shù)，本文分別做了5種層合板試樣(L1～L5)并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試分析，層合板工藝條件如表1所示.

圖4 固化溫度制度圖Fig.4 Diagram of curing temperature cycle

表1 工藝條件列表Table 1 Label of processing conditions

1.2.4 固化程度測(cè)試

樹脂體系的固化度通過(guò)差示掃描量熱儀(Differential Scanning Calorimetry，DSC)測(cè)試.環(huán)氧樹脂的固化度為

式中:ΔHt為試樣殘余固化放熱量，mW;ΔH0為完全未固化試樣的總固化放熱量，mW.

DSC測(cè)試固化度的實(shí)驗(yàn)條件為:未固化試樣掃描，升溫范圍:25～250℃;升溫速率10℃/min;固化試樣掃描，升溫范圍:25～240℃;升溫速率10℃/min.

DSC測(cè)試玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的實(shí)驗(yàn)條件為:試樣去除熱歷史掃描，升溫范圍:25～150℃;升溫速率10℃/min;降溫范圍:150～25℃;降溫速率 20℃/min;測(cè)量 Tg掃描，溫度范圍 25～120℃;升溫速率10℃/min.

2 結(jié)果與討論

2.1 電熱膜鋪覆方式對(duì)溫度均勻性的影響

為考察電熱膜鋪覆方式對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響，設(shè)計(jì)了3種不同的鋪覆方式，固化溫度參數(shù)為B1，固化過(guò)程中各位置溫度變化曲線見圖5～圖7.圖中T0為圖3中0號(hào)控溫?zé)犭娕紲囟惹€，T1～T6為圖3中1號(hào) ～6號(hào)測(cè)溫?zé)犭娕紲囟惹€.

圖5 電熱膜拼接鋪覆加熱溫度變化曲線Fig.5 Temperature variation curves using splicing overlaying electric heating film

圖5是采用拼接方式得到的成型過(guò)程溫度曲線.由圖5可知，不同測(cè)溫點(diǎn)的溫度差異明顯，但從溫度變化趨勢(shì)看，不同測(cè)溫點(diǎn)的溫度曲線都表現(xiàn)出快速升溫、慢速升溫和恒溫3個(gè)階段.Ⅰ階段為升溫階段，持續(xù)時(shí)間約1 h，該階段取樣點(diǎn)在3種區(qū)域呈現(xiàn)出不同的升溫速率，拼接區(qū)域＜裁剪邊＜加熱區(qū)域;相對(duì)Ⅰ階段較高的升溫速率，Ⅱ階段為慢速升溫階段，不同測(cè)溫點(diǎn)從快速升溫到恒溫階段的過(guò)渡時(shí)間差異較大，T1和T2在加熱區(qū)域，無(wú)慢速升溫過(guò)程，T5和T6在裁剪邊，慢速升溫持續(xù)時(shí)間約15 h，T3和T4在拼接區(qū)域，慢速升溫持續(xù)約時(shí)間約20 h.這種溫度變化的不一致不利于固化過(guò)程的控制.經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的慢速升溫之后，各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度漸趨恒定，進(jìn)入Ⅲ階段(恒溫階段).設(shè)置在邊緣位置的T2、T4和T6的溫度未呈現(xiàn)偏低的現(xiàn)象.快速升溫階段最大溫差值約31℃，慢速升溫階段溫差值逐漸縮小，達(dá)到恒溫階段后，溫差值約11℃.溫度最高點(diǎn)66℃出現(xiàn)在加熱區(qū)域，溫度最低點(diǎn)55℃出現(xiàn)在拼接區(qū)域.

圖6是采用搭接方式得到的固化過(guò)程溫度曲線，該方法同樣存在快速升溫、慢速升溫和恒溫3個(gè)階段，Ⅰ階段為快速升溫階段，持續(xù)時(shí)間約10 min，該階段取樣點(diǎn)在3種區(qū)域的升溫速率，裁剪邊＜加熱區(qū)域＜搭接區(qū)域;Ⅱ階段為慢速升溫階段，T3和T4在加熱搭接區(qū)域，T3無(wú)慢速升溫過(guò)程，T4慢速升溫過(guò)程持續(xù)時(shí)間約2 h，T1和T2在加熱區(qū)域和T5和T6在裁剪邊慢速升溫持續(xù)時(shí)間約18 h.經(jīng)過(guò)一段時(shí)間慢速升溫過(guò)程后，各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度漸趨恒定，進(jìn)入Ⅲ階段.設(shè)置在邊緣位置的T2和T4的溫度比T1和T3偏低.快速升溫階段最大溫差值約33℃，慢速升溫階段溫差值逐漸縮小，達(dá)到恒溫階段后，溫差值約15℃.溫度最高點(diǎn)70℃出現(xiàn)在搭接區(qū)域，溫度最低點(diǎn)55℃出現(xiàn)在裁剪邊.

圖6 電熱膜搭接鋪覆加熱溫度變化曲線Fig.6 Temperature variation curves using overlapping overlaying electric heating film

圖7是采用間隔方式得到的成型過(guò)程溫度曲線，該方法同樣存在快速升溫、慢速升溫和恒溫3個(gè)階段，Ⅰ階段為快速升溫階段，持續(xù)時(shí)間約15 min，該階段取樣點(diǎn)在3種區(qū)域的升溫速率，間隔區(qū)域＜裁剪邊＜加熱區(qū)域;Ⅱ階段為慢速升溫階段，T1和T2在加熱搭接區(qū)域，T2慢速升溫過(guò)程持續(xù)約4 h，T1慢速升溫過(guò)程持續(xù)時(shí)間約15 h，T5和T6在裁剪邊慢速升溫持續(xù)時(shí)間約15 h，T3和T4在間隔區(qū)域慢速升溫過(guò)程一致持續(xù)到加熱結(jié)束溫度曲線才趨近于平緩.經(jīng)過(guò)一段時(shí)間慢速升溫過(guò)程后，各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度漸趨恒定，進(jìn)入Ⅲ階段.快速升溫階段最大溫差值約36℃，慢速升溫階段溫差值逐漸縮小，達(dá)到恒溫階段后，溫差值約18℃.溫度最高點(diǎn)60℃出現(xiàn)在加熱區(qū)域，溫度最低點(diǎn)42℃出現(xiàn)在間隔區(qū)域.

圖7 電熱膜間隔鋪覆加熱溫度變化曲線Fig.7 Temperature variation curves using interval overlaying electric heating film

圖5～圖7的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，鋪覆方式對(duì)電熱膜加熱的溫度均勻性有較大的影響，加熱區(qū)域重疊易導(dǎo)致溫度偏高，非加熱區(qū)域如裁剪邊、拼接縫等位置的溫度低于加熱區(qū)域，溫度偏低的程度則與非熱源區(qū)域的寬度有關(guān)，非熱源區(qū)域?qū)挾仍酱?，溫度越?如圖5所示，溫度值高低為:拼接區(qū)域＜裁剪邊＜加熱區(qū)域，圖6中，溫度值高低為:裁剪邊＜加熱區(qū)域＜搭接區(qū)域，圖7中，溫度值高低為:間隔區(qū)域＜裁剪邊＜加熱區(qū)域.對(duì)比圖5～圖7，可看到電熱膜拼接鋪覆溫度均勻性最佳，搭接鋪覆次之，間隔鋪覆最差;而電熱膜平均溫度搭接鋪覆最高，拼接鋪覆次之，間隔鋪覆最低，與搭接鋪覆相比，采用拼接鋪覆溫度均勻性提高了26.7%，與間隔鋪覆相比，采用拼接鋪覆溫度均勻性提高了38.9%.

溫差的存在使不同區(qū)域的樹脂固化不同步，并可能對(duì)樹脂固化程度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度產(chǎn)生影響.為表征復(fù)合材料層合板的固化特性，對(duì)L1、L2和L3層合板取樣，進(jìn)行固化度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的分析，根據(jù)溫度分布曲線，分別在層合板的溫度最高、居中和最低3個(gè)測(cè)量點(diǎn)位置處取樣分析，測(cè)試所得結(jié)果如表2所示.

表2 在不同電熱膜鋪覆條件下的樹脂固化度和TgTable 2 Curing degree and glass transition temperature of resin with different lay-up types of electric heating films

表2為在不同電熱膜鋪覆條件下的樹脂固化度和Tg.由表2可知，電熱膜加熱采用不同的鋪覆方法，碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料層合板的固化度比較均勻;采用拼接和間接鋪覆方法，固化樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度均達(dá)到了80℃以上，采用間隔鋪覆方法恒溫階段最低溫度為42℃，該處固化樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為79℃，不滿足設(shè)計(jì)指標(biāo).因此，采用電熱膜加熱固化時(shí)，應(yīng)避免出現(xiàn)間隔鋪覆情況.天線反射面精度通常對(duì)中間位置要求較高，邊緣位置可適當(dāng)偏低，在該類制品的研制中，應(yīng)沿軸線由中間至兩邊進(jìn)行鋪覆，首先保證中間位置的溫度均勻性，而在邊緣位置不允許間隔鋪覆，可采取在搭接的兩層電熱膜中增加隔熱層，來(lái)減少對(duì)復(fù)合材料制品的加熱量，降低搭接部分溫度.

2.2 溫度制度對(duì)溫度均勻性的影響

通過(guò)電熱膜拼接鋪覆方式加熱，工藝參數(shù)分別為B2和B3，制備了碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料層合板，其各位置處溫度曲線分別如圖8(a)和圖8(b)所示.圖8為包含40℃及50℃恒溫平臺(tái)電熱膜拼接鋪覆加熱溫度變化曲線.

圖8 包含40℃及50℃恒溫平臺(tái)電熱膜拼接鋪覆加熱溫度變化曲線Fig.8 Temperature variation curves using splicing overlaying electric heating film with 40℃ and 50℃isothermal temperature stage

由圖8(a)和圖8(b)可知，采用電熱膜拼接加熱方法，B2和B3工藝方案的溫度高低順序均為:拼接區(qū)域＜裁剪邊＜加熱區(qū)域，達(dá)到恒溫階段后，B2方案溫差值約為10℃，B3方案溫差值約為11℃.

與B1方案對(duì)比，增加固化平臺(tái)后，在升溫過(guò)程中3種區(qū)域的溫差值相對(duì)縮小，達(dá)到恒溫階段后，溫差值及溫度高低分布趨勢(shì)相近.

為表征復(fù)合材料層合板的固化特性，對(duì)L4和L5層合板取樣，進(jìn)行固化度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的分析，根據(jù)溫度分布曲線，分別在層合板的溫度最高、居中和最低3個(gè)測(cè)量點(diǎn)位置處取樣分析，測(cè)試所得結(jié)果如表3所示.

由表3可知，采用增加溫度平臺(tái)的固化制度碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料層合板的固化度比較均勻;玻璃化轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到了80℃以上，滿足設(shè)計(jì)要求.與B1方案對(duì)比，增加溫度平臺(tái)對(duì)于保證升溫過(guò)程中的溫度均勻性有重要作用，可以避免不均勻固化現(xiàn)象的產(chǎn)生，有助于減小殘余應(yīng)力，但是由于最終恒溫階段的溫度一致，因而不同升溫制度對(duì)最終制件各部位固化度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的影響較小.由此可見，電熱膜加熱固化過(guò)程中，復(fù)合材料的溫度及固化狀態(tài)的不均勻性主要與電熱膜不同位置的加熱能力不同有關(guān)，改變溫度制度并不能消除電熱膜這種加熱能力的不均勻性.

表3 不同溫度制度下的樹脂固化度和TgTable 3 Curing degree and glass transition temperature of resin cured under different temperature cycle

2.3 碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料天線反射器蒙皮的固化

在上述研究的基礎(chǔ)上，采用VARI工藝，通過(guò)電熱膜加熱方法，制備了 SKA中國(guó)驗(yàn)證天線(Dish Verification Antenna China，DVAC)的碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料蒙皮.

DVAC反射面采用偏置格里高利曲面，蒙皮厚度為2 mm，面積為233 m2，長(zhǎng)軸為18 m，短軸為15 m，天線口面至弧頂深度為2 m，沿長(zhǎng)軸對(duì)稱，靠近坐標(biāo)原點(diǎn)曲率半徑較大，遠(yuǎn)離坐標(biāo)原點(diǎn)曲率半徑較小.

采用柔性電熱膜鋪覆反射面蒙皮，遠(yuǎn)離坐標(biāo)原點(diǎn)區(qū)域天線曲率相對(duì)平緩，有利于實(shí)現(xiàn)拼接鋪覆，電熱膜僅在天線口面邊緣位置略有搭接;因靠近坐標(biāo)原點(diǎn)區(qū)域曲率相對(duì)較大，電熱膜搭接鋪覆相對(duì)較多，避免了出現(xiàn)間隔鋪覆，并在搭接位置內(nèi)置隔熱薄膜，降低該處溫度差值;為提高升溫階段的溫度均勻性，在加熱固化時(shí)增加40℃的溫度平臺(tái)，最終固化的溫度平臺(tái)為60℃，天線反射器蒙皮固化過(guò)程溫度變化曲線如圖9所示.

圖9中，T7為控溫?zé)犭娕紲囟惹€;天線蒙皮在模具上口面朝下，定義口面位置為弧底位置，T8和T9為天線口面位置熱電偶溫度曲線;T10和T11為弧中位置熱電偶溫度曲線;T12和T13為弧頂位置熱電偶溫度曲線.由圖9可知，采用電熱膜加熱，在達(dá)到恒溫階段后，在(T9～T13)位置處的測(cè)量值在55℃ ～70℃范圍內(nèi)，溫度分布相對(duì)均勻，僅在口面邊緣區(qū)域有部分測(cè)溫值(T7)偏低，溫度約50℃.

固化完成后，對(duì)該整體化碳纖維復(fù)合材料天線反射器蒙皮弧頂、弧中和弧底位置分別取樣，測(cè)試其固化度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4.

碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料蒙皮的中間區(qū)域固化溫度較高，邊緣區(qū)域固化溫度略低，符合天線反射面對(duì)中間區(qū)域質(zhì)量要求較高的標(biāo)準(zhǔn).由表4可知，取樣點(diǎn)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到了89℃以上，滿足設(shè)計(jì)要求.DVAC碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料蒙皮的制備驗(yàn)證了電熱膜加熱大尺寸整體化復(fù)合材料構(gòu)件固化成型的可行性，所制備的整體結(jié)構(gòu)碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料天線反射器如圖10所示，反射器精度達(dá)到了0.7 mm(r.m.s.)，滿足設(shè)計(jì)要求.

圖9 天線反射器蒙皮固化過(guò)程溫度變化曲線Fig.9 Temperature variation curves during curing process of antenna reflector skin

表4 天線反射器蒙皮的固化度和TgTable 4 Curing degree and glass transition temperature of antenna reflector skin

圖10 15 m直徑的整體結(jié)構(gòu)碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料天線反射器Fig.10 Monolithic carbon fiber/epoxy composites antenna reflector with a diameter of 15 m

3 結(jié)論

1)柔性電熱膜鋪覆方式對(duì)復(fù)合材料固化過(guò)程溫度分布有明顯影響，拼接鋪覆的溫度均勻性最佳，恒溫階段溫差值約11℃，與搭接鋪覆相比，溫度均勻性提高了26.7%，與間隔鋪覆相比，溫度均勻性提高了38.9%，溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在加熱區(qū)域，最低點(diǎn)出現(xiàn)在拼接區(qū)域.

2)電熱膜加熱固化的升溫階段，增加恒溫平臺(tái)縮小了復(fù)合材料不同位置的溫差值，但最終的溫差值和溫度分布規(guī)律與未增加恒溫平臺(tái)相同，說(shuō)明電熱膜法的加熱不均勻性主要由電熱膜本身的加熱能力不均勻性質(zhì)決定.

3)采用柔性電熱膜拼接加熱方法實(shí)現(xiàn)了大尺寸整體化碳纖維復(fù)合材料天線反射器蒙皮的制造，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到80℃以上，反射器精度達(dá)到0.7 mm(r.m.s.)，滿足設(shè)計(jì)要求，顯示該方法是一種可行的大型復(fù)合材料構(gòu)件加熱固化方法.

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