一种柔性复合材料及其原位固化系统和固化方法

本发明涉及微波加热，尤其涉及一种柔性复合材料及其原位固化系统和固化方法。

背景技术：

1、常见的无人机类型一般包括多旋翼无人机以及固定翼无人机，其起飞方式一般为垂直起飞或通过跑道助飞，而在军用无人机领域，无人机还拥有其他多种起飞方式，如管式发射、手抛发射、弹射发射、母机携带空中发射等。例如，管式发射无人机是一种由发射筒发射、可快速部署到目标区域，在目标区上方巡弋飞行以执行侦察任务的新型装备。常见的管式发射无人机柔性机翼通常采用刚性折叠机翼或柔性机翼两种设计方案，其中，刚性折叠翼通过机械解闭锁和联动机构展开，具有刚性强、动作可靠、控制简单等优点，但由于刚性折叠翼占用弹体空间相对较大，而无人机折叠翼出于气动性能的常选择采用薄翼型，因而刚度、颤振等问题比较突出，反之，柔性机翼能比较好地解决上述刚性机翼的问题，除了在伸展前占用空间小的特点之外，其所采用的特殊机翼材质和结构还具有高强度、高韧度、质量轻以及迅速的形状恢复能力等优点，因而，柔性机翼无人机往往具有体积小、重量轻、抗高过载的特点。例如，文献号为cn110371283b的中国发明专利提供的一种智能柔性充气式机翼无人机结构，其采用柔性充气式机翼，该种柔性充气式机翼可在高压充气条件下快速展开，在满足无人机使用性能需求的条件下，极大地弥补了固定翼无人机的缺陷，更好地发挥了智能无人机性能，但该种柔性充气式机翼的缺点也很明显，包括容易漏气、空气动力性能差、展弦比受制于柔性机翼载荷等。

2、随着无人机技术发展，碳纤维增强聚合物基复合材料(cfrp)是以碳纤维或石墨纤维或其制品为增强体的聚合物基复合材料，包括cfrp在内的热固型碳纤维复合材料已经广泛应用于如飞机或无人机机身、机翼、壁板、整流罩、地板等各类部件的外表面或内部以替代金属材料，从而减轻飞机或无人机的整体重量。然而，固化或固结是制造类似cfrp材料组件的重要过程，其中树脂基体在特定温度下固化以从粘性状态变为固态。目前，对上述热固型碳纤维复合材料的主流固化方式是基于对流或传导加热的热固化，而热固化一般采用烘箱、高压釜对cfrp预制件进行处理。例如，文献号为cn112399917a的中国发明专利申请公开了一种cfrp片材、使用cfrp片材的层叠体及cfrp片材的制造方法，其采用了热压方式进行制造。该种固化方式是从cfrp表层开始固化，由于树脂材料的导热性能差，且极易导致内外固化强度不一的问题，可进一步导致材料发生形变、分层甚至是折断，尤其是对于飞行器的机翼部分，由于无法满足飞行动力学需求，该种固化缺陷是不可接受的。

3、微波加热与传统加热不同，微波加热是电磁波以高频电磁振荡的形式将微波能量传递到被加热物体内部，由于微波加热具有加热速度快以及实现体积加热的优势，已成为加工高质量和高效率复合产品的一种很有前景的替代方法。如文献号为cn103587130a的中国发明专利公开了一种微波固化纤维增强树脂基复合材料构件的方法及装置，该装置采用功率线性可调的微波源产生微波后由波导导入谐振腔体，穿透并加热复合材料，使其快速固化成型，该装置采用八边形微波模谐振腔体结构实现装置内电磁场的均匀性，但该种设备的缺陷在于设备体积大、质量重，仅能对材料即工件进行预先固化后再行组装。而采用可折叠的超薄cfrp柔性机翼的无人机在空中展开后，需要对其进行快速、均匀的钢化才能投入使用，因此，目前仍然采用热固化形式，限制了该类无人机的应用。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种柔性复合材料及其原位固化系统和固化方法，以解决现有技术中的存在的缺陷。

2、为达到上述技术效果，本发明采用了以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种柔性复合材料，包括：

4、微波辐射层，所述微波辐射层用于辐射微波能量；

5、导体层，所述导体层与微波辐射层之间形成谐振间隙，且所述导体层在面向所述微波辐射层的一侧设有贴附侧，所述谐振间隙可供容置待固化材料且所述待固化材料的一侧可与所述贴附侧贴合，所述待固化材料为热固性非刚性材料且可在有微波输入的条件下受热固化为刚性固体。

6、需要说明的是，此处所指“热固性非刚性材料”具有“非刚性”特征和“热固性”特征，具体而言，“非刚性”特征是指其在微波输入前的状态，此时，其为具有一定流动度的流体或是不能自由流动的“弹性或挠性固体”，且该“弹性或挠性固体”整体具有较大的挠性以使得该柔性复合材料可实现折叠和较大幅度的弯曲，当该“非刚性材料”为具有一定流动度的流体时，由于其一侧设有导体层，该导体层的设置可避免上述非刚性材料的泄漏。而“热固性”特征是指该待固化材料在微波输入条件下可受热并可转变为刚性状态，即实现“固化”。

7、同时，还需要说明的是，上述“待固化材料”可以是导体也可以是非导体。

8、优选地，所述导体层大致平行于所述微波辐射层。

9、优选地，所述微波辐射层和导体层均具挠性，以使得该微波辐射层和导体层复合形成的柔性复合材料可折叠。

10、可选地，所述导体层可为由基材和金属镀层组成的复合结构，所述金属镀层设置在靠近所述微波辐射层的一侧，且该金属镀层可通过电镀、磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积等任何已知方式进行加工；优选地，所述金属镀层的厚度为1um～200um，优选为5um～50um。优选地，所述基材为柔性基材，如采用柔性树脂材料。

11、可选地，所述导体层整体或金属镀层由铜、铁、锡或金等任意一种或多种金属材料制成。

12、进一步地，所述柔性复合材料还包括保温层，所述保温层具有第一贴附面和第二贴附面，所述第一贴附面可与所述微波辐射层贴合，所述第二贴附面与所述导体层之间形成固化间隙，所述固化间隙可供容置待固化材料，所述待固化材料为热固性非刚性材料，且所述待固化材料可在有微波输入的条件下受热固化为刚性固体。

13、优选地，所述微波辐射层、保温层以及导体层均具挠性，以使得该微波辐射层、保温层以及导体层复合形成的柔性复合材料可折叠。

14、进一步地，所述微波辐射层由若干呈规则阵列分布的辐射单元组成，每个所述辐射单元上均开设有用于供微波馈入的同轴馈口。

15、更进一步地，所述辐射单元包括介质基板和分设于所述介质基板两侧的金属地和金属贴片，所述金属地设于远离所述导体层的一侧，且所述金属地的投影面积大于所述金属贴片的投影面积。

16、更进一步地，所述同轴馈口设于所述金属地的一侧，且所述同轴馈口的深度至少贯穿所述金属地和介质基板，以便于微波能量的馈入。

17、进一步地，所述金属贴片的几何中心设有贯穿所述金属贴片的开槽结构。

18、第二方面，本发明还提供另一种区别于第一方面的柔性复合材料，该柔性复合材料包括：

19、微波辐射层，所述微波辐射层用于辐射微波能量；

20、待固化cfrp层，所述待固化cfrp层与微波辐射层之间形成保温间隙，所述保温间隙内填充有保温材料，所述保温材料形成保温层。

21、优选地，所述待固化cfrp层微波输入前，为“弹性或挠性固体”或是具有一定流动度的流体，当上述待固化cfrp层为具有一定流动度的流体时，所述待固化cfrp层的两侧应当具有帮助所述待固化cfrp层保持一定形状的辅助层，该辅助层可以但不限于是上述的保温层。

22、进一步地，所述待固化cfrp层的电导率沿碳纤维方向大于103s·m-1；优选地，所述待固化cfrp层的电导率为104～105s·m-1，在该条件下，待固化cfrp层具有较好的导电性，可作为“导体”直接接收微波耦合能量以达到升温目的，从而实现该待固化cfrp层的“固化”。

23、进一步地，所述待固化材料包括热固性树脂基质和骨架材料，所述骨架材料至少包括碳纤维材料，此外，所述骨架材料中还可以包括金属材料。

24、优选地，所述待固化材料为热固性树脂基质与碳纤维材料形成的混合物。

25、进一步地，所述热固性树脂基质为环氧树脂、聚氨酯、聚酯、尼龙、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚甲醛、酚醛树脂或氨基树脂中的任意一种或多种材料形成的混合物。

26、进一步地，所述微波辐射层由若干呈规则阵列分布的辐射单元组成，每个所述辐射单元上均开设有用于供微波馈入的同轴馈口。

27、更进一步地，所述辐射单元包括介质基板和分设于所述介质基板两侧的金属地和金属贴片，所述金属地设于远离所述导体层的一侧，且所述金属地的投影面积大于所述金属贴片的投影面积。

28、进一步地，所述金属贴片的几何中心设有贯穿所述金属贴片的开槽结构。

29、优选地，当所述开槽结构位于所述金属贴片的几何中心时，所述同轴馈口设于金属地的一侧。

30、第三方面，本发明提供一种柔性复合材料原位固化系统，该柔性复合材料原位固化系统包括第一方面或第二方面所提供的柔性复合材料，还包括微波源以及微波传输装置，所述微波源用于产生微波，所述微波传输装置用于将微波源产生的微波能量分配输送至所述微波辐射层。

31、优选地，所述微波传输装置的两端分别连接至所述微波源和所述同轴馈口，以实现微波能量的传输和分配。

32、第四方面，本发明提供一种柔性复合材料原位固化方法，是采用上述第三方面提供的一种柔性复合材料原位固化系统对第一方面或第二方面所提供的柔性复合材料进行固化。

33、进一步地，本发明提供一种柔性复合材料原位固化方法，其具体是：

34、针对第一方面所提供的一种柔性复合材料，通过外接微波源产生微波并通过微波传输装置将微波源所产生的微波输送至所述微波辐射层，通过所述微波辐射层对微波进行辐射并将微波能量耦合至所述导体层，再由所述导体层将能量加载在可与所述导体层贴合的待固化材料上，以使所述待固化材料受热固化；

35、或是，针对第二方面所提供的一种柔性复合材料，通过外接微波源产生微波并通过微波传输装置将微波源所产生的微波输送至所述微波辐射层，通过所述微波辐射层对微波进行辐射并将微波能量耦合至待固化cfrp层，以使所述待固化cfrp层受热固化。

36、第五方面，本发明提供一种可折叠部件，所述可折叠部件至少部分或全部由第一方面或第二方面所提供的柔性复合材料制成，该可折叠部件可以应用但不限于建筑构件、机械制造、工程施工、尖端无人机、交通工具、多功能和多用途飞行器等领域。

37、第六方面，本发明提供一种飞行器，所述飞行器至少具有一个可折叠部件，所述可折叠部件至少部分或全部由第一方面或第二方面所提供的柔性复合材料制成；或所述飞行器装载有第三方面所提供的柔性复合材料原位固化系统；或所述飞行器采用第四方面所提供的柔性复合材料原位固化方法对所述飞行器上的柔性复合材料进行原位固化，或是具有上述第五方面提供的可折叠部件。

38、第七方面，本发明提供一种可折叠机翼，所述可折叠机翼至少部分或全部采用第一方面或第二方面所提供的柔性复合材料制造。

39、优选地，所述可折叠机翼包括由第一方面或第二方面所提供的柔性复合材料封闭形成的中空腔体，所述中空腔体内设有微波传输装置和/或微波源。

40、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

41、第一，本发明提供的一种柔性复合材料，通过在其中设置待固化材料或是待固化cfrp层，同时，该待固化材料、待固化cfrp层以及该柔性复合材料在微波固化前整体具有挠性，从而使得该材料易于折叠，而当微波输入时，该待固化材料或是待固化cfrp层可进行原位固化，从而使得该柔性复合材料由可折叠状态转变为刚性状态。同时，由于该柔性复合材料可进行预先加工和组合，并且固化系统和固化方法简单、设备体积小、易于携带，可有效解决了现有技术中的固化设备存在的缺陷。此外，本柔性复合材料以及固化系统在固化过程中，其固化速率均一、待固化材料升温均匀，因而，待固化材料或是待固化cfrp层的固化效果较好，在固化过程中，该柔性复合材料整体不会产生变形、断裂等固化缺陷。

42、第二，本发明提供的一种柔性复合材料，由于其实现了材料的原位固化，使得该类柔性材料的用途极大地被拓宽，固化过程高效快速、均匀可靠，能够应用于如建筑构件制造、机械制造、工程施工、尖端无人机、多功能和多用途飞行器等领域。