专利名称：聚合物基碳纤维复合材料的高压水罐成形装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种复合材料的成形装置及方法，具体涉及一种聚合物基碳纤维复合材料的高压水罐成形装置及方法。
背景技术：
聚合物基碳纤维复合材料又称为碳纤维增强树脂基复合材料，其性能优良，用途广泛，特别适用于航空航天领域。目前生产高质量的聚合物基碳纤维复合材料的方法主要是热压罐成形方法，该方法是将作为强化纤维的碳纤维浸渍在基体材料中后逐层铺放成为预浸料，基体材料为环氧树脂、聚酯树脂或热可塑性树脂等，预浸料裁剪后在模具上铺好，得到复合材料毛坯，再将复合材料毛坯置于热压罐中，通过对热压罐中的气体加热加压，使复合材料毛坯在所需的高温高压环境中固化成形而得到相应的制品。热压罐成形方法的优点是气体加压均勻，只要固化周期、固化压力、固化温度在热压罐的极限范围内，就可以适应不同材料、不同外形的复合材料的生产。但热压罐成形方法的缺点也很明显(1)作为高温高压压力容器，热压罐制造成本高。(2)热压罐内气体的温度、压力变化缓慢，控制精度差，且气体的温度和压力变化彼此影响，控制难度高。(3)为保证热压罐内气体温度均勻，需要高温高压下工作的鼓风系统，使得热压罐内部结构复杂。
发明内容
本发明的目的是克服上述问题，提供一种具有相对独立的高温高压环境，结构简单、热效率高、能耗低的聚合物基碳纤维复合材料的高压水罐成形装置及方法。实现本发明一种目的的技术方案是一种聚合物基碳纤维复合材料的高压水罐成形装置，包括高压水罐、控制系统、硅橡胶容器、超声发射器、数控伺服机构、真空袋、抽气管、热电偶信号线、热电偶、真空泵和高压气体增压泵；抽气管包括内部抽气管、中部抽气管和外部抽气管；热电偶信号线包括内部第一信号线、内部第二信号线、中部信号线和外部信号线；高压水罐包括罐体、抽气管安装组件、电源线连接件、信号线连接件、高压接口件、排气阀和密封门；罐体上设有高压加压口以及按照从上至下的次序设有3个连接孔；电源线连接件密闭固定安装在罐体的上侧连接孔处的罐壁上；抽气管安装组件密闭固定安装在罐体的中间连接孔处的罐壁上，且抽气管安装组件的位于罐体内侧的抽气管口与中部抽气管的一端密闭固定连接；信号线连接件密闭固定安装在罐体的下侧连接孔处的罐壁上，且信号线连接件的位于罐体内侧的端口与中部信号线的一端电连接；高压接口件密闭固定安装在罐体的高压加压口处的罐壁上；密封门转动连接在罐体上，通过密封件以及锁扣能将密封门密闭锁紧在罐体上；控制系统包括主控电路、超声发射器电源电路、数控伺服机构电源电路、真空泵电源电路和气体增压泵电源电路；主控电路设有超声发射控制信号输出端、伺服控制信号输出端、抽真空控制信号输出端、高压控制信号输出端和温度信号输入端；主控电路的温度信号输入端与热电偶信号线的外部信号线的一端电连接，热电偶信号线的外部信号线的另一端与高压水罐的信号线连接件的位于罐体外侧的端口电连接；主控电路的超声发射控制信号输出端通过导线与超声发射器电源电路的控制端电连接，超声发射器电源电路的电源输出端通过导线与高压水罐的电源线连接件的位于罐体外侧的相应的端口电连接；主控电路的伺服控制信号输出端通过导线与数控伺服机构电源电路的控制端电连接，数控伺服机构电源电路的电源输出端的各端口通过相应的导线与高压水罐的电源线连接件的位于罐体外侧的相应的端口电连接；主控电路的抽真空控制信号输出端通过导线与真空泵电源电路的控制端电连接，真空泵电源电路的电源输出端通过导线与真空泵的电源端电连接，真空泵的抽气口与外部抽气管的一端密闭固定连接，外部抽气管的另一端与高压水罐的抽气管安装组件的位于罐体外侧的管接口密闭固定连接；主控电路的高压控制信号输出端通过导线与气体增压泵电源电路的控制端电连接，气体增压泵电源电路的电源输出端通过导线与高压气体增压泵的电源端电连接；高压气体增压泵的输出压力能通过设备上的相应的旋钮进行设定，高压气体增压泵的高压气体输出接口与高压气管的一端密闭固定连接，高压气管的另一端与高压水罐的高压接口件的输入管口密闭固定连接；数控伺服机构包括伺服主机构、顶架、前后运动架、左右运动架和上下运动架；伺服主机构包括前后向伺服电机、左右向伺服电机、上下向伺服电机以及与各个伺服电机相配合的相应的传动机构；各个伺服电机的电源端通过相应的导线与高压水罐的电源线连接件的位于罐体内侧的相应的端口电连接；前后运动架能在前后向伺服电机的驱动以及相应的传动机构的传动下，相对于顶架进行前后方向的运动；左右运动架能在左右向伺服电机的驱动以及相应的传动机构的传动下，相对于前后运动架进行左右方向的运动，以及跟随前后运动架进行前后方向的运动；上下运动架能在上下向伺服电机的驱动以及相应的传动机构的传动下，相对于左右运动架进行沿着上下方向运动，以及跟随左右运动架进行左右方向的运动；硅橡胶容器包括容器主体、上盖、抽气管密闭安装连接组件和线路密闭安装连接组件；硅橡胶容器的侧壁也即容器主体的侧壁上按照上下位置设有上连接孔和下连接孔，抽气管密闭安装连接组件密闭固定在容器主体的侧壁的位于上连接孔处的部位上，线路密闭安装连接组件密闭固定在容器主体的侧壁的位于下连接孔处的部位上；超声发射器设置在高压水罐的罐体中，超声发射器设置为发射方向向下，超声发射器由其外壳从下方固定在上下运动架的连接座上；超声发射器的电源输入接口电连接有导线，该导线自下向上穿过上下运动架的主架杆后与高压水罐的电源线连接件的位于罐体内部一侧的相应的端口电连接；真空袋包括袋体、抽气管接口和信号线连接件；抽气管接口和信号线连接件均密闭连接设置在袋体上，且抽气管接口朝向袋体外侧；热电偶设置在真空袋中，且热电偶信号线的内部第一信号线的一端与热电偶电连接，另一端与信号线连接件的位于袋体内侧的端口电连接；热电偶信号线的内部第二信号线的一端与真空袋的信号线连接件的位于袋体外侧的端口电连接。
上述顶架包括相互平行的沿前后向设置的左导轨和右导轨；左导轨和右导轨分别焊接固定在罐体上，且位于罐体的顶部；前后运动架包括主架杆、左侧连接组件和右侧连接组件；左侧连接组件和右侧连接组件分别从上方固定在主架杆左右两端，且左侧连接组件从下方动连接在顶架的左导轨上、并滑动式卡住顶架的左导轨，右侧连接组件从下方动连接在顶架的右导轨上、并滑动式卡住顶架的右导轨；前后向伺服电机由其电机壳与固定于罐体上的相应的支架固定连接，且前后向伺服电机的电机轴与相应的齿轮固定连接，与该齿轮相啮合的齿条固定在左导轨和右导轨中的一根导轨上，从而前后运动架能在前后向伺服电机的驱动以及相应的传动机构的传动下，在顶架的左导轨和右导轨上相对于顶架进行前后方向的运动；所述的动连接均为滑动连接或滚动连接；主架杆的中间沿着左右方向开有上下贯通的移动槽；左右运动架由其套体同高度滑动连接并套在前后运动架的沿左右向水平设置的主架杆上；左右向伺服电机由其电机壳与固定于前后运动架上的相应的支架固定连接，且左右向伺服电机的电机轴与相应的齿轮固定连接，与该齿轮相啮合的齿条固定在套体上，从而左右运动架能在左右向伺服电机的驱动以及相应的传动机构的传动下，在前后运动架的主架杆上相对于前后运动架进行左右方向的运动，以及跟随前后运动架进行前后方向的运动；左右运动架的套体上相对设有铅垂向的两个同轴线的通孔；上下运动架包括空心主架杆和连接座；主架杆铅垂设置，且与左右运动架的套体的两个通孔相配合； 连接座从下方固定连接在空心主架杆上；空心主架杆从下向上穿过左右运动架的套体上的与其相配合的两个通孔，且空心主架杆的直径与主架杆的移动槽的宽度相对应，从而上下运动架能在上下向伺服电机的驱动以及相应的传动机构的传动下，在左右运动架的套体上相对于左右运动架进行沿着上下方向运动，以及跟随左右运动架进行左右方向的运动。实现本发明另一种目的的技术方案是一种用上述聚合物基碳纤维复合材料的高压水罐装置对聚合物基碳纤维复合材料进行高压水罐成形的方法，具有以下步骤①将预浸料裁剪后在模具上铺好，得到聚合物基碳纤维复合材料毛坯，将毛坯装入真空袋中，然后将装有毛坯的真空袋置于硅橡胶容器内并定位；②将内部抽气管的一端与真空袋上的抽气管接口密闭固定连接，将内部抽气管的另一端与硅橡胶容器的抽气管密闭安装连接组件的位于容器主体内侧的抽气管口密闭固定连接；同时将连接在真空袋的信号线连接件的位于袋体外侧的端口上的热电偶信号线的内部第二信号线的另一端与硅橡胶容器的线路密闭安装连接组件的位于容器主体内侧的接线端电连接；然后向硅橡胶容器中注满经过去气处理的超声吸收液体，密封硅橡胶容器；③打开高压水罐，先将密封后的硅橡胶容器放置在高压水罐1的罐口附近处，将连接在高压水罐的抽气管安装组件的位于罐体内侧的抽气管口上的中部抽气管的另一端与硅橡胶容器的抽气管密闭安装连接组件的位于容器主体外侧的抽气管口密闭固定连接，将连接在高压水罐的信号线连接件的位于罐体内侧的端口的中部信号线的另一端与硅橡胶容器的线路密闭安装连接组件的位于容器主体外侧的端口电连接；然后将密封后的硅橡胶容器放入高压水罐中，关闭高压水罐，向高压水罐内注满去离子水；④通过主控电路控制超声发射器工作，并使数控伺服机构进行上下、前后横向、左右纵向的进给运动而带着超声发射器进行相应的运动，在运动中扫描照射到硅橡胶容器中的超声吸收液体，使超声吸收液体升温至130°C 250°C，同时通过控制高压气体增压泵的输出压力而将高压水罐内的压力调节至IOMI^a 20MPa，使聚合物基碳纤维复合材料毛坯在该温度和压力下固化成形；⑤固化反应完成后，关闭超声发射器，抽出去离子水，打开排气阀，再打开密封门，取出硅橡胶容器，抽出超声吸收液体，剖开硅橡胶容器，取出真空袋，剖开真空袋后则得到的聚合物基碳纤维复合材料毛坯固化成形后的复合材料制件。上述步骤④中的具体过程为通过超声控制系统将超声发射器的频率控制在 1MHz，声强控制在5000W/cm2 15000W/cm2，通过数控伺服机构使超声发射器从硅橡胶容器的前侧左端开始向右纵向进给，进给速度为15mm/min 25mm/min，超声发射器从上向下发射超声至硅橡胶容器内一个纵向铅垂面附近的全部超声吸收液体后，再沿硅橡胶容器的横向方向向后进给5mm 15mm，然后从右端开始向左纵向进给，进给速度为15mm/min 25mm/min，超声发射器从上向下发射超声至硅橡胶容器内的下一个纵向铅垂面附近的全部超声吸收液体，如此重复直至扫过全部超声吸收液体；然后重复上述扫描过程直至超声吸收液体温度升至130°C，然后将超声声强降为800W/cm2，在130°C下保温扫描池；接着，将超声声强升至lOOOOW/cm2，扫描0. 5h，使超声吸收液体温度升至200°C，然后将超声声强降为 1200W/cm2，在200°C下保温扫描池；最后，将超声声强降为80W/cm2，扫描4h，然后关闭超声发射器，使得超声吸收液体温度降至0°C 40°C，在此温度压力变化过程中，聚合物基碳纤维复合材料毛坯固化成形为相应的制件；在超声发射器对超声吸收液体进行加热的整个过程中高压水罐内的压力进行相应的调节。上述在超声发射器对超声吸收液体进行加热的整个过程中高压水罐内的压力在 IOMPa 20MPa内调节。所述超声吸收液体为甘油或者聚合物基碳纤维复合材料的纯基体树脂。 本发明具有积极的效果(1)本发明的装置结构简单，通过高压水罐控制压力，通过高强度聚焦超声控制温度，温度、压力调节彼此独立。(2)本发明将聚合物基碳纤维复合材料毛坯装入真空袋后置于硅橡胶容器中，并在硅橡胶容器中充满超声吸收液体，通过超声加热硅橡胶容器内的超声吸收液体使其升温，从而使硅橡胶容器内聚合物基碳纤维复合材料毛坯得到一个独立的高温环境，温度控制精度高。(3)由于硅橡胶容器具有一定弹性， 其内部充满液体后，如果外部加高压，那内部液体也承受高压，使得液体中的真空袋也获得高压，从而使聚合物基碳纤维复合材料毛坯得到一个独立的高压环境。明显区别于传统热压罐工艺中直接用高温高压气体同时作用于聚合物基碳纤维复合材料毛坯。(4)本发明的高温环境存在与压力容器内的局部，对压力容器及内部设备的要求大大降低。压力容器内充满去气水，没有爆炸的危险。(5)本发明使用高强度聚焦超声为热源，热效率高，能耗低， 并且无燃烧天然气以及高温导热油的污染。
图1为本发明的装置示意图。图2为图1中高压水罐的结构示意图。图3为图1中数控伺服机构的结构以及超声发射器与数控伺服机构的位置关系的示意图。上述附图中的标记的含义如下 底座10，
高压水罐1，罐体11，抽气管安装组件12，电源线连接件13，信号线连接件14，高压接口件15，排气阀16，
控制系统2，主控电路20，超声发射器电源电路21，数控伺服机构电源电路22，真空泵电源电路23，气体增压泵电源电路M， 硅橡胶容器3，超声发射器4，
数控伺服机构5，顶架51，左导轨51-1，右导轨51-2，前后运动架52，主架杆52_1，左侧连接组件52-2，右侧连接组件52-3，左右运动架53，套体53_1，上下运动架54，空心主架杆 54-1，连接座 54-2，
超声吸收液体6，毛坯7，真空袋8，热电偶81、支架91、小车92、轨道93，锁定装置94，真空泵95，高压气体增压泵96。
具体实施例方式(实施例1)
见图1，本实施例的聚合物基碳纤维复合材料的高压水罐成形装置包括高压水罐1、控制系统2、硅橡胶容器3、超声发射器4、数控伺服机构5、超声吸收液体6、真空袋8、抽气管、 热电偶信号线、热电偶81、支架91、小车92、轨道93、锁定装置94、真空泵95和高压气体增压泵96。抽气管包括内部抽气管、中部抽气管和外部抽气管。热电偶信号线包括内部第一信号线、内部第二信号线、中部信号线和外部信号线。仍见图1，控制系统2、真空泵95、高压气体增压泵96、外部抽气管和外部信号线均设置在高压水罐1外；超声发射器4、数控伺服机构5、小车92、轨道93和锁定装置94均设置在高压水罐1的罐体中。使用时，硅橡胶容器3、支架91、真空袋8、热电偶81、内部抽气管、中部抽气管、内部信号线和中部信号线设置在高压水罐1内。见图2，高压水罐1包括罐体11、抽气管安装组件12、电源线连接件13、信号线连接件14、高压接口件15、排气阀16和密封门。罐体11上设有高压加压口以及按照从上至下的次序设有3个连接孔。电源线连接件13密闭固定安装在罐体11的上侧连接孔处的罐壁上。抽气管安装组件12密闭固定安装在罐体11的中间连接孔处的罐壁上，且抽气管安装组件12的位于罐体内侧的抽气管口与中部抽气管的一端密闭固定连接。信号线连接件 14密闭固定安装在罐体11的下侧连接孔处的罐壁上，且信号线连接件14的位于罐体内侧的端口与中部信号线的一端电连接。高压接口件15密闭固定安装在罐体11的高压加压口处的罐壁上。密封门转动连接在罐体11上，通过密封件以及锁扣能将密封门密闭锁紧在罐体11上。见图1，高压水罐1坐落在底座10上，底座10固定在地面上。仍见图1，轨道93有2根，沿前后向平行固定在高压水罐1的罐体11上，位于罐体 11的底部且朝向上方。锁定装置设置在小车92上，小车92由其车轮坐落在轨道93上，且小车92的车轮能相对于轨道93滚动，从而使得小车92能相对于轨道93进行前后向的运动。当小车92在轨道93上运行至设定位置时，释放锁定装置的锁舌至轨道93所开设锁孔中则能将小车92锁定在轨道93上。见图1，控制系统2包括主控电路20、超声发射器电源电路21、数控伺服机构电源电路22、真空泵电源电路23和气体增压泵电源电路M。主控电路20为常用工控机，该工控机设有超声发射控制信号输出端Al端、伺服控制信号输出端A2端、抽真空控制信号输出端A3端、高压控制信号输出端A4端和温度信号输入端Bl端。主控电路20的温度信号输入端Bl端与热电偶信号线的外部信号线的一端电连接，热电偶信号线的外部信号线的另一端与高压水罐1的信号线连接件14的位于罐体11 外侧的端口电连接。主控电路20的超声发射控制信号输出端Al端通过导线与超声发射器电源电路21 的控制端电连接，超声发射器电源电路21的电源输出端通过导线与高压水罐1的电源线连接件13的位于罐体11外侧的相应的端口电连接。主控电路20的伺服控制信号输出端A2端通过导线与数控伺服机构电源电路22 的控制端电连接，数控伺服机构电源电路22的电源输出端的各端口通过相应的导线与高压水罐1的电源线连接件13的位于罐体11外侧的相应的端口电连接。主控电路20的抽真空控制信号输出端A3端通过导线与真空泵电源电路23的控制端电连接，真空泵电源电路23的电源输出端通过导线与真空泵95的电源端电连接，真空泵95的抽气口与外部抽气管的一端密闭固定连接，外部抽气管的另一端与高压水罐1的抽气管安装组件12的位于罐体11外侧的管接口密闭固定连接。主控电路20的高压控制信号输出端A4端通过导线与气体增压泵电源电路M的控制端电连接，气体增压泵电源电路M的电源输出端通过导线与高压气体增压泵96的电源端电连接。高压气体增压泵96的输出压力能通过设备上的相应的旋钮进行设定，高压气体增压泵96的高压气体输出接口与高压气管的一端密闭固定连接，高压气管的另一端与高压水罐1的高压接口件15的输入管口密闭固定连接。见图3，数控伺服机构5设置在高压水罐1的罐体11中。数控伺服机构5由主控电路20控制进行三坐标联动。具体结构如下
数控伺服机构5包括伺服主机构、顶架51、前后运动架52、左右运动架53和上下运动架M。伺服主机构包括前后向伺服电机、左右向伺服电机、上下向伺服电机以及与各个伺服电机相配合的相应的传动机构(本实施例采用齿轮齿条传动机构)。各个伺服电机的电源端通过相应的导线与高压水罐1的电源线连接件13的位于罐体11内侧的相应的端口电连接。顶架51包括相互平行的沿前后向设置的左导轨51-1和右导轨51-2。左导轨51_1 和右导轨51-2分别焊接固定在罐体11上，且位于罐体11的顶部。前后运动架52包括主架杆52-1、左侧连接组件52_2和右侧连接组件52_3 ；左侧连接组件52-2和右侧连接组件52-3分别从上方固定在主架杆52-1左右两端，且左侧连接组件52-2从下方动连接在顶架51的左导轨51-1上、并滑动式卡住顶架51的左导轨51_1， 右侧连接组件52-3从下方动连接在顶架51的右导轨51-2上、并滑动式卡住顶架51的右导轨51-2。前后向伺服电机由其电机壳与固定于罐体11上的相应的支架固定连接，且前后向伺服电机的电机轴与相应的齿轮固定连接，与该齿轮相啮合的齿条固定在左导轨51-1 和右导轨51-2中的一根导轨上，从而前后运动架52能在伺服主机构的前后向伺服电机的驱动以及相应的传动机构的传动下，在顶架51的左导轨51-1和右导轨51-2上相对于顶架 51进行前后方向的运动。所述的动连接均为滑动连接或滚动连接。主架杆52-1的中间沿着左右方向开有上下贯通的移动槽。左右运动架53由其套体53-1同高度滑动连接并套在前后运动架52的沿左右向水平设置的主架杆52-1上。左右向伺服电机由其电机壳与固定于前后运动架52上的相应的支架固定连接，且左右向伺服电机的电机轴与相应的齿轮固定连接，与该齿轮相啮合的齿条固定在套体53-1上，从而左右运动架53能在伺服主机构的左右向伺服电机的驱动以及相应的传动机构的传动下，在前后运动架52的主架杆52-1上相对于前后运动架52进行左右方向的运动，以及跟随前后运动架52进行前后方向的运动。左右运动架53的套体 53-1上相对设有铅垂向的两个同轴线的通孔。上下运动架M包括空心主架杆M-I和连接座M-2。主架杆M-I铅垂设置，且与运动架53的套体53-1的两个通孔相配合；连接座讨-2从下方固定连接在空心主架杆M-I 上。空心主架杆M-I从下向上穿过左右运动架53的套体53-1上的与其相配合的两个通孔，且空心主架杆M-I的直径与主架杆52-1的移动槽的宽度相对应，从而上下运动架M 能在伺服主机构的上下向伺服电机的驱动以及相应的传动机构的传动下，在左右运动架53 的套体53-1上相对于左右运动架53进行沿着上下方向运动，以及跟随左右运动架53进行左右方向的运动。见图1及图3，超声发射器4设置在高压水罐1的罐体11中，超声发射器4设置为发射方向向下，超声发射器4由其外壳从下方固定在上下运动架M的连接座M-2上。超声发射器4的电源输入接口电连接有导线，该导线自下向上穿过上下运动架M的主架杆M-I 后与高压水罐1的电源线连接件13的位于罐体11内部一侧的相应的端口电连接。真空袋8包括袋体、抽气管接口和信号线连接件；抽气管接口和信号线连接件均密闭连接设置在袋体上，且抽气管接口朝向袋体外侧。热电偶81设置在真空袋8中，且热电偶信号线的内部第一信号线的一端与热电偶81电连接，另一端与信号线连接件的位于袋体内侧的端口电连接；热电偶信号线的内部第二信号线的一端与真空袋8的信号线连接件的位于袋体外侧的端口电连接。使用时，待成型的毛坯7设置在真空袋8中。硅橡胶容器3包括容器主体、上盖、抽气管密闭安装连接组件和线路密闭安装连接组件。硅橡胶容器3的侧壁也即容器主体的侧壁上按照上下位置设有上连接孔和下连接孔，抽气管密闭安装连接组件密闭固定在容器主体的侧壁的位于上连接孔处的部位上，线路密闭安装连接组件密闭固定在容器主体的侧壁的位于下连接孔处的部位上。使用时，支架91放入硅橡胶容器3中，且可拆式固定在硅橡胶容器3上，装有待成型的毛坯7的真空袋8设置在硅橡胶容器3中，且可拆式固定在支架91上，硅橡胶容器3 设置在高压水罐1的罐体11中，且可拆式固定在小车92上。使用时，内部抽气管的一端与真空袋8的抽气管接口密闭固定连接，另一端与硅橡胶容器3的抽气管密闭安装连接组件的位于容器主体内侧的抽气管口密闭固定连接；硅橡胶容器3的抽气管密闭安装连接组件的位于容器主体外侧的抽气管口与中部抽气管的另一端密闭固定连接。使用时，热电偶信号线的内部第二信号线的另一端与硅橡胶容器3的线路密闭安装连接组件的位于容器主体内侧的端口电连接；硅橡胶容器3的线路密闭安装连接组件的位于容器主体外侧的端口与热电偶信号线的中部信号线的另一端电连接。本实施例的超声吸收液体6为甘油，在使用时充入硅橡胶容器3的容器主体中后， 再将上盖密闭固定在容器主体的上端开口处。采用上述聚合物基碳纤维复合材料的高压水罐成形装置对聚合物基碳纤维复合材料进行高压水罐成形的方法具有以下步骤
①将预浸料裁剪后在模具上铺好，得到聚合物基碳纤维复合材料毛坯7，将毛坯7装入真空袋8中。然后将装有毛坯7的真空袋8粘结固定在支架91上，再将支架91连同装有毛坯 7的真空袋8放入上方开口的方壳形的硅橡胶容器3内并通过粘结的方法定位。②将内部抽气管的一端与真空袋8上的抽气管接口密闭固定连接，将内部抽气管的另一端与硅橡胶容器3的抽气管密闭安装连接组件的位于容器主体内侧的抽气管口密闭固定连接。将连接在真空袋8的信号线连接件的位于袋体外侧的端口上的热电偶信号线的内部第二信号线的另一端与硅橡胶容器3的线路密闭安装连接组件的位于容器主体内侧的接线端电连接。然后向硅橡胶容器3中注满经过了去气处理(置于真空中，使溶解在液体中的气体逸出)的作为超声吸收液体的甘油6，再通过热封的方式将上盖密封在硅橡胶容器3的容器主体的上端开口处而将硅橡胶容器3密封。③打开高压水罐1，先将密封后的硅橡胶容器3放置在高压水罐1的罐口附近处， 将连接在高压水罐1的抽气管安装组件12的位于罐体内侧的抽气管口上的中部抽气管的另一端与硅橡胶容器3的抽气管密闭安装连接组件的位于容器主体外侧的抽气管口密闭固定连接，将连接在高压水罐1的信号线连接件14的位于罐体内侧的端口的中部信号线的另一端与硅橡胶容器3的线路密闭安装连接组件的位于容器主体外侧的端口电连接。再将密封后的硅橡胶容器3放置在位于高压水罐1中的小车92上，并通过双面胶粘结固定在小车92上，推动小车92至高压水罐1中的设定位置，释放锁定装置的锁舌至轨道93所开设的锁孔中，而将小车92锁定在轨道93上。然后，关闭高压水罐1，向高压水罐1内注满去离子水，此时的压力为0. IMPa0④通过主控电路20控制超声发射器4工作，并使数控伺服机构5进行上下、前后横向、左右纵向的进给运动而带着超声发射器4进行相应的运动，在运动中扫描照射到硅橡胶容器3中的甘油6，使甘油6升温至130°C 250°C，同时通过控制高压气体增压泵96 的输出压力而将高压水罐1内的压力调节至IOMPa 20MPa，使聚合物基碳纤维复合材料毛坯7在该温度和压力下固化成形。具体过程为通过超声控制系统21将超声发射器4的频率控制在1MHz，声强控制在lOOOOW/cm2，通过数控伺服机构5使超声发射器4从硅橡胶容器3的前侧左端开始向右纵向进给(图1中的左右方向)，进给速度为20mm/min，超声发射器4从上向下发射超声至硅橡胶容器3内一个纵向铅垂面附近的全部甘油6后，再沿硅橡胶容器3的横向方向(图中所示的前后方向)向后进给10mm，然后从右端开始向左纵向进给，进给速度为20mm /min，超声发射器4从上向下发射超声至硅橡胶容器3内的下一个纵向铅垂面附近的全部甘油6，如此重复直至扫过全部甘油6。然后重复上述扫描过程直至甘油6温度升至130°C，然后将超声声强降为800W/cm2，在130°C下保温扫描2h。接着，将超声声强升至lOOOOW/cm2，扫描0. 5h，使甘油6温度升至200°C，然后将超声声强降为1200W/cm2，在200°C下保温扫描3h。最后，将超声声强降为SOW/cm2，扫描4h，然后关闭超声发射器4，使得甘油6温度逐步降至室温(0°C 40°C )，在此温度压力变化过程中，聚合物基碳纤维复合材料毛坯7固化成形为相应的制件。整个过程中高压水罐1内的压力在IOMPa 20MPa内调节。在上述过程中，真空泵95始终开启，不断将聚合物基碳纤维复合材料毛坯7在固化过程中产生的气体、多余的树脂排出真空袋8外。⑤固化反应完成后，关闭超声发射器4，抽出去离子水，打开排气阀16，再打开密封门，取出硅橡胶容器3，抽出甘油6，剖开硅橡胶容器3，取出真空袋8，剖开真空袋8后则得到聚合物基碳纤维复合材料毛坯7固化成形后的复合材料制件。该复合材料制件的形状与毛坯7的形状相同。
权利要求
1. 一种聚合物基碳纤维复合材料的高压水罐成形装置，其特征在于包括高压水罐(I)、控制系统(2)、硅橡胶容器(3)、超声发射器(4)、数控伺服机构(5)、真空袋(8)、抽气管、热电偶信号线、热电偶(81)、真空泵(95)和高压气体增压泵(96);抽气管包括内部抽气管、中部抽气管和外部抽气管；热电偶信号线包括内部第一信号线、内部第二信号线、中部信号线和外部信号线；高压水罐(1)包括罐体(11)、抽气管安装组件(12)、电源线连接件(13)、信号线连接件 (14)、高压接口件(15)、排气阀(16)和密封门；罐体(11)上设有高压加压口以及按照从上至下的次序设有3个连接孔；电源线连接件(13 )密闭固定安装在罐体(11)的上侧连接孔处的罐壁上；抽气管安装组件(12)密闭固定安装在罐体(11)的中间连接孔处的罐壁上，且抽气管安装组件(12)的位于罐体内侧的抽气管口与中部抽气管的一端密闭固定连接；信号线连接件(14)密闭固定安装在罐体(11)的下侧连接孔处的罐壁上，且信号线连接件(14) 的位于罐体内侧的端口与中部信号线的一端电连接；高压接口件(15)密闭固定安装在罐体(11)的高压加压口处的罐壁上；密封门转动连接在罐体(11)上，通过密封件以及锁扣能将密封门密闭锁紧在罐体(11)上；控制系统(2)包括主控电路(20)、超声发射器电源电路(21)、数控伺服机构电源电路 (22)、真空泵电源电路(23)和气体增压泵电源电路(24)；主控电路(20)设有超声发射控制信号输出端、伺服控制信号输出端、抽真空控制信号输出端、高压控制信号输出端和温度信号输入端；主控电路(20)的温度信号输入端与热电偶信号线的外部信号线的一端电连接，热电偶信号线的外部信号线的另一端与高压水罐(1)的信号线连接件(14)的位于罐体(II)外侧的端口电连接；主控电路(20)的超声发射控制信号输出端通过导线与超声发射器电源电路(21)的控制端电连接，超声发射器电源电路(21)的电源输出端通过导线与高压水罐(1)的电源线连接件(13)的位于罐体(11)外侧的相应的端口电连接；主控电路(20) 的伺服控制信号输出端通过导线与数控伺服机构电源电路(22)的控制端电连接，数控伺服机构电源电路(22)的电源输出端的各端口通过相应的导线与高压水罐(1)的电源线连接件(13)的位于罐体(11)外侧的相应的端口电连接；主控电路(20)的抽真空控制信号输出端通过导线与真空泵电源电路(23)的控制端电连接，真空泵电源电路(23)的电源输出端通过导线与真空泵(95)的电源端电连接，真空泵(95)的抽气口与外部抽气管的一端密闭固定连接，外部抽气管的另一端与高压水罐(1)的抽气管安装组件(12)的位于罐体(11)外侧的管接口密闭固定连接；主控电路(20)的高压控制信号输出端通过导线与气体增压泵电源电路(24)的控制端电连接，气体增压泵电源电路(24)的电源输出端通过导线与高压气体增压泵(96)的电源端电连接；高压气体增压泵(96)的输出压力能通过设备上的相应的旋钮进行设定，高压气体增压泵(96)的高压气体输出接口与高压气管的一端密闭固定连接，高压气管的另一端与高压水罐(1)的高压接口件(15)的输入管口密闭固定连接；数控伺服机构(5)包括伺服主机构、顶架(51)、前后运动架(52)、左右运动架(53)和上下运动架(54);伺服主机构包括前后向伺服电机、左右向伺服电机、上下向伺服电机以及与各个伺服电机相配合的相应的传动机构；各个伺服电机的电源端通过相应的导线与高压水罐(1)的电源线连接件(13)的位于罐体(11)内侧的相应的端口电连接；前后运动架(52) 能在前后向伺服电机的驱动以及相应的传动机构的传动下，相对于顶架(51)进行前后方向的运动；左右运动架(53)能在左右向伺服电机的驱动以及相应的传动机构的传动下，相对于前后运动架(52)进行左右方向的运动，以及跟随前后运动架(52)进行前后方向的运动； 上下运动架(54)能在上下向伺服电机的驱动以及相应的传动机构的传动下，相对于左右运动架(53)进行沿着上下方向运动，以及跟随左右运动架(53)进行左右方向的运动；硅橡胶容器(3)包括容器主体、上盖、抽气管密闭安装连接组件和线路密闭安装连接组件；硅橡胶容器(3)的侧壁也即容器主体的侧壁上按照上下位置设有上连接孔和下连接孔，抽气管密闭安装连接组件密闭固定在容器主体的侧壁的位于上连接孔处的部位上，线路密闭安装连接组件密闭固定在容器主体的侧壁的位于下连接孔处的部位上；超声发射器(4)设置在高压水罐(1)的罐体(11)中，超声发射器(4)设置为发射方向向下，超声发射器(4)由其外壳从下方固定在上下运动架(54)的连接座(54-2)上；超声发射器(4)的电源输入接口电连接有导线，该导线自下向上穿过上下运动架(54)的主架杆 (54-1)后与高压水罐(1)的电源线连接件(13)的位于罐体(11)内部一侧的相应的端口电连接；真空袋(8)包括袋体、抽气管接口和信号线连接件；抽气管接口和信号线连接件均密闭连接设置在袋体上，且抽气管接口朝向袋体外侧；热电偶(81)设置在真空袋(8 )中，且热电偶信号线的内部第一信号线的一端与热电偶(81)电连接，另一端与信号线连接件的位于袋体内侧的端口电连接；热电偶信号线的内部第二信号线的一端与真空袋(8)的信号线连接件的位于袋体外侧的端口电连接。
2.根据权利要求1所述的聚合物基碳纤维复合材料的高压水罐成形装置，其特征在于顶架(51)包括相互平行的沿前后向设置的左导轨(51-1)和右导轨(51-2)；左导轨 (51-1)和右导轨(51-2)分别焊接固定在罐体(11)上，且位于罐体(11)的顶部；前后运动架(52)包括主架杆(52-1)、左侧连接组件(52-2)和右侧连接组件(52-3)；左侧连接组件 (52-2)和右侧连接组件(52-3)分别从上方固定在主架杆(52-1)左右两端，且左侧连接组件(52-2)从下方动连接在顶架(51)的左导轨(51-1)上、并滑动式卡住顶架(51)的左导轨 (51-1)，右侧连接组件(52-3)从下方动连接在顶架(51)的右导轨(51-2)上、并滑动式卡住顶架(51)的右导轨(51-2);前后向伺服电机由其电机壳与固定于罐体(11)上的相应的支架固定连接，且前后向伺服电机的电机轴与相应的齿轮固定连接，与该齿轮相啮合的齿条固定在左导轨(51-1)和右导轨(51-2)中的一根导轨上，从而前后运动架(52)能在前后向伺服电机的驱动以及相应的传动机构的传动下，在顶架(51)的左导轨(51-1)和右导轨 (51-2)上相对于顶架(51)进行前后方向的运动；所述的动连接均为滑动连接或滚动连接； 主架杆(52-1)的中间沿着左右方向开有上下贯通的移动槽；左右运动架(53)由其套体(53-1)同高度滑动连接并套在前后运动架(52)的沿左右向水平设置的主架杆(52-1)上；左右向伺服电机由其电机壳与固定于前后运动架(52)上的相应的支架固定连接，且左右向伺服电机的电机轴与相应的齿轮固定连接，与该齿轮相啮合的齿条固定在套体(53-1)上，从而左右运动架(53)能在左右向伺服电机的驱动以及相应的传动机构的传动下，在前后运动架(52)的主架杆(52-1)上相对于前后运动架(52)进行左右方向的运动，以及跟随前后运动架(52)进行前后方向的运动；左右运动架(53)的套体(53-1)上相对设有铅垂向的两个同轴线的通孔；上下运动架(54)包括空心主架杆(54-1)和连接座(54-2)；主架杆(54-1)铅垂设置， 且与左右运动架(53)的套体(53-1)的两个通孔相配合；连接座(54-2)从下方固定连接在空心主架杆(54-1)上；空心主架杆(54-1)从下向上穿过左右运动架(53)的套体(53-1)上的与其相配合的两个通孔，且空心主架杆(54-1)的直径与主架杆(52-1)的移动槽的宽度相对应，从而上下运动架(54)能在上下向伺服电机的驱动以及相应的传动机构的传动下， 在左右运动架(53)的套体(53-1)上相对于左右运动架(53)进行沿着上下方向运动，以及跟随左右运动架(53)进行左右方向的运动。
3.一种用权利要求1所述的聚合物基碳纤维复合材料的高压水罐装置对聚合物基碳纤维复合材料进行高压水罐成形的方法，具有以下步骤①将预浸料裁剪后在模具上铺好，得到聚合物基碳纤维复合材料毛坯(7)，将毛坯(7) 装入真空袋(8)中，然后将装有毛坯(7)的真空袋(8)置于硅橡胶容器(3)内并定位；②将内部抽气管的一端与真空袋(8)上的抽气管接口密闭固定连接，将内部抽气管的另一端与硅橡胶容器(3)的抽气管密闭安装连接组件的位于容器主体内侧的抽气管口密闭固定连接；同时将连接在真空袋(8)的信号线连接件的位于袋体外侧的端口上的热电偶信号线的内部第二信号线的另一端与硅橡胶容器(3)的线路密闭安装连接组件的位于容器主体内侧的接线端电连接；然后向硅橡胶容器(3)中注满经过去气处理的超声吸收液体(6)， 密封硅橡胶容器(3);③打开高压水罐(1)，先将密封后的硅橡胶容器(3)放置在高压水罐1的罐口附近处， 将连接在高压水罐(1)的抽气管安装组件(12)的位于罐体内侧的抽气管口上的中部抽气管的另一端与硅橡胶容器(3)的抽气管密闭安装连接组件的位于容器主体外侧的抽气管口密闭固定连接，将连接在高压水罐(1)的信号线连接件(14)的位于罐体内侧的端口的中部信号线的另一端与硅橡胶容器(3)的线路密闭安装连接组件的位于容器主体外侧的端口电连接；然后将密封后的硅橡胶容器(3 )放入高压水罐(1)中，关闭高压水罐(1)，向高压水罐 (1)内注满去离子水；④通过主控电路(20)控制超声发射器(4 )工作，并使数控伺服机构(5 )进行上下、前后横向、左右纵向的进给运动而带着超声发射器(4)进行相应的运动，在运动中扫描照射到硅橡胶容器(3)中的超声吸收液体(6)，使超声吸收液体(6)升温至130°C 250 V，同时通过控制高压气体增压泵(96)的输出压力而将高压水罐(1)内的压力调节至IOMPa 20MPa， 使聚合物基碳纤维复合材料毛坯(7)在该温度和压力下固化成形；⑤固化反应完成后，关闭超声发射器(4)，抽出去离子水，打开排气阀(16)，再打开密封门，取出硅橡胶容器(3)，抽出超声吸收液体(6)，剖开硅橡胶容器(3)，取出真空袋(8)， 剖开真空袋(8)后则得到的聚合物基碳纤维复合材料毛坯(7)固化成形后的复合材料制件。
4.根据权利要求3所述的聚合物基碳纤维复合材料的高压水罐成形方法，其特征在于步骤④中的具体过程为通过超声控制系统(21)将超声发射器(4)的频率控制在1MHz，声强控制在5000W/ cm2 15000W/cm2，通过数控伺服机构(5)使超声发射器(4)从硅橡胶容器(3)的前侧左端开始向右纵向进给，进给速度为15mm/min 25mm/min，超声发射器(4)从上向下发射超声至硅橡胶容器(3 )内一个纵向铅垂面附近的全部超声吸收液体(6 )后，再沿硅橡胶容器(3 ) 的横向方向向后进给5mm 15mm，然后从右端开始向左纵向进给，进给速度为15mm/min 25mm/min，超声发射器(4)从上向下发射超声至硅橡胶容器(3)内的下一个纵向铅垂面附近的全部超声吸收液体(6)，如此重复直至扫过全部超声吸收液体(6)；然后重复上述扫描过程直至超声吸收液体(6)温度升至130°C，然后将超声声强降为800W/cm2，在130°C下保温扫描2h ；接着，将超声声强升至lOOOOW/cm2，扫描0. 5h，使超声吸收液体(6)温度升至20(TC，然后将超声声强降为1200W/cm2，在200°C下保温扫描3h ；最后，将超声声强降为80W/cm2，扫描4h，然后关闭超声发射器(4)，使得超声吸收液体 (6)温度降至0°C 40°C，在此温度压力变化过程中，聚合物基碳纤维复合材料毛坯(7)固化成形为相应的制件；在超声发射器(4)对超声吸收液体(6)进行加热的整个过程中高压水罐(1)内的压力进行相应的调节。
5.根据权利要求4所述的聚合物基碳纤维复合材料的高压水罐成形方法，其特征在于在超声发射器(4)对超声吸收液体(6)进行加热的整个过程中高压水罐(1)内的压力在 IOMPa 20MPa内调节。
6.根据权利要求3至5之一所述的聚合物基碳纤维复合材料的高压水罐成形方法，其特征在于所述超声吸收液体(6)为甘油或者聚合物基碳纤维复合材料的纯基体树脂。
全文摘要
本发明公开了一种聚合物基碳纤维复合材料的高压水罐成形装置及方法。该装置包括高压水罐、控制系统、硅橡胶容器、超声发射器、数控伺服机构、真空袋、抽气管、热电偶信号线、热电偶、真空泵和高压气体增压泵。该方法包括将装有毛坯的真空袋置于硅橡胶容器内并定位，向硅橡胶容器中注满经过去气处理的超声吸收液体并密封，将密封后的硅橡胶容器放入高压水罐中并关闭，同时注入去离子水，通过主控电路控制超声发射器扫描照射到超声吸收液体，从而使聚合物基碳纤维复合材料毛坯在该温度和压力下固化成形。本发明的方法具有相对独立的高温高压环境，结构简单、热效率高、能耗低。
文档编号B29C70/44GK102275310SQ20111011097
公开日2011年12月14日 申请日期2011年4月29日 优先权日2011年4月29日
发明者何庆, 刘浏, 池龙珠, 范真, 谈衡 申请人:江苏技术师范学院