紅外線輻射加熱在復(fù)合材料越來(lái)越廣泛的應(yīng)用

時(shí)間：2014-06-16作者：廣州市薩萊米自動(dòng)化設(shè)備有限公司瀏覽：241

    感謝在航空和**汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用，復(fù)合材料已經(jīng)變得為公眾所非常熟知。    

                                  ----------愛(ài)爾蘭Ceramicx

 

     雖然在那些廣為人知的領(lǐng)域，復(fù)合材料的應(yīng)用在不斷的增長(zhǎng),如波音787上的部件，**過(guò)50％的是**的復(fù)合材料，一項(xiàng)針對(duì)快速制造技術(shù)的部署正在推廣中，這個(gè)部署是為了將復(fù)合材料整合到主流制造中去，并且使其遠(yuǎn)離**、高成本、特殊應(yīng)用領(lǐng)域。

    例如，城市車(chē)輛寶馬i3轎車(chē)，將大量投產(chǎn)完全采用碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）制成的乘客艙。寶馬聲稱對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)的車(chē)輛，這是**次。對(duì)于轉(zhuǎn)化為大規(guī)模生產(chǎn)至關(guān)重要的一點(diǎn)是生產(chǎn)方法。這是出色的紅外線加熱的優(yōu)勢(shì)所在，它已成為復(fù)合材料制造商的一個(gè)關(guān)鍵性生產(chǎn)助力。

    過(guò)去的加熱工藝 Heat  Work of the past

    傳統(tǒng)的固化方法嚴(yán)重依賴于高壓裝置，尤其對(duì)有高質(zhì)量和高安全要求的關(guān)鍵產(chǎn)品，如飛機(jī)的機(jī)翼。在高壓裝置中，高壓用于制造沒(méi)有空隙或缺陷的部件，并且對(duì)流的熱量總體上提供了固化所需的熱能量。但是，高壓裝置可以很大，購(gòu)買(mǎi)和運(yùn)行費(fèi)用高昂。成本回收期也很長(zhǎng)。帶著廢棄巨大昂貴高壓裝置的興趣，更多的復(fù)合材料生產(chǎn)過(guò)程被再次審視，以便達(dá)到“去除高壓裝置”（簡(jiǎn)稱OOA）的目的。由于這些方法不是在封閉環(huán)境中進(jìn)行的，熱傳遞中的傳導(dǎo)和對(duì)流方法并不合適，其他加熱方式必須要去研究。這正是紅外線加熱快速性和定向性的優(yōu)點(diǎn)大顯身手的地方——較小，較輕，可控性較好，成本經(jīng)濟(jì)，并且也可針對(duì)精確區(qū)域。




    工業(yè)中紅外加熱的優(yōu)點(diǎn) The advantages of IR heat in industry

    首先，紅外加熱具有可移動(dòng)性，快速性和靈活性。它能很容易適應(yīng)復(fù)合材料生產(chǎn)或固化過(guò)程的中間步驟，并且很重要的是節(jié)約能量、縮短固化時(shí)間。在一項(xiàng)研究中（P.Kiran Kumar 2011），相比于在加熱爐中通常熱固化所需的236分鐘，紅外固化所需的固化時(shí)間僅為56分鐘。這節(jié)約了75%的時(shí)間。對(duì)比于傳統(tǒng)的依靠環(huán)氧樹(shù)脂和纖維層熱傳導(dǎo)的加熱方式，這個(gè)研究的作者將四倍節(jié)省時(shí)間的主要因素歸功于體積加熱。

  “紅外線的優(yōu)點(diǎn)是作為輻射源它不需要介質(zhì)?！薄薄?span>advantage of IR”

    紅外線較大的優(yōu)點(diǎn)是它作為輻射源不需要介質(zhì)。紅外線不應(yīng)該被看成熱量，而應(yīng)該被看成一種電磁波，和光的表現(xiàn)形式相同。因此，它可以在真空中傳播。作為加熱源它是非接觸式的。例如粉塵這類(lèi)污染問(wèn)題，可能存在于對(duì)流加熱中，但對(duì)紅外加熱來(lái)說(shuō)是不存在的。紅外加熱在大多數(shù)情況下并不需要繁瑣的安全要求。在波長(zhǎng)很短的情況下，光線的強(qiáng)度比較高可能需要護(hù)目鏡或屏蔽保護(hù)。

    當(dāng)選擇一種紅外線輻射器時(shí)，輻射器匹配目標(biāo)材料的吸收光譜是非常重要的。許多聚合物能很好地吸收中長(zhǎng)波區(qū)域。雖然短波紅外線加熱器具有較快的預(yù)熱時(shí)間，但它們的高功率密度可導(dǎo)致材料表面燒焦。較低功率的加熱器，例如陶瓷或石英加熱器可以提供較溫和的長(zhǎng)波加熱，盡管滲透材料達(dá)到徹底固化需要時(shí)間。 生產(chǎn)的特性也需要被考慮在內(nèi)，比如它是連續(xù)的還是不連續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程。  雜質(zhì)比如灰塵或者水汽都可以妨礙目標(biāo)材料對(duì)紅外線的吸收，可能需要為其做萃取或者除塵的準(zhǔn)備工作。

紅外線加熱的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)：

1、快速加熱和快速冷卻時(shí)間。紅外線可以在需要的地點(diǎn)和時(shí)間被開(kāi)啟；

2、高功率密度可能（受材料限制）；

3、較高的生產(chǎn)速度；

4、緊湊的安裝；

5、投資成本低；

6、可適應(yīng)性和可擴(kuò)展性；

7、在某些改造案例下，可能它是一的選擇；

8、可以滲透到聚合物中，產(chǎn)生一種體積加熱效果（相對(duì)于傳導(dǎo)和對(duì)流加熱而言）；

    將紅外線加熱應(yīng)用到復(fù)合材料制造中去。

    當(dāng)用于產(chǎn)品直接加熱時(shí)，輻射熱能是較有益的。紅外線加熱，例如可以用在熱塑性復(fù)合材料的片材成型上，在成型時(shí)，一張固態(tài)復(fù)合材料層壓板被紅外線輻射器迅速加熱，然后在成型模具的兩個(gè)冷卻工具之間被快速壓合成型。這樣的生產(chǎn)過(guò)程具有快速的生產(chǎn)周期。對(duì)于復(fù)合材料中使用的熱固化樹(shù)脂的三種主要類(lèi)型（環(huán)氧樹(shù)脂，酚醛樹(shù)脂和尿烷樹(shù)脂），與傳統(tǒng)的對(duì)流加熱爐相比，紅外加熱可以提供較快的加熱時(shí)間，降低了加熱爐的長(zhǎng)度，并增加了進(jìn)料速度。

    紅外線也在鋪帶中使用。在此過(guò)程中，一條原料“帶”被加熱并鋪放在模具的**部。高功率密度的紅外線燈，如石英管，加熱被鋪設(shè)帶的前方區(qū)域。一個(gè)精密的機(jī)械控制鋪帶頭可達(dá)到高度的可重復(fù)性和可控制性?？湛?span>A400M和A340 的一些部件都是用這種方式生產(chǎn)的。

   “……目標(biāo)材料的吸收光譜和紅外線輻射器相匹配是非常重要的?！?/span>      

   “…it is improtant”

    模具的預(yù)熱也可以通過(guò)紅外線加熱來(lái)進(jìn)行。在某些情況下，模具的表面可能需要處理，以實(shí)現(xiàn)與紅外線適合的反應(yīng)，從而加快表面升溫時(shí)間。

    損壞的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，如飛機(jī)機(jī)身的維修操作，是另外一個(gè)紅外線技術(shù)顯示其便捷的加熱性能和傳導(dǎo)方式的領(lǐng)域。對(duì)于不規(guī)則形狀的部件，紅外線燈可以被特殊設(shè)計(jì)或與機(jī)器人聯(lián)合使用，以符合表面所需要的熱量輸入。維修可以在“原地”進(jìn)行，且固化設(shè)備輕巧、可移動(dòng)性好，并且不需要與維修表面接觸。




                    復(fù)合材料風(fēng)力渦輪機(jī)葉片正等待裝配

    紅外線加熱在纖維干燥方面也有一定的應(yīng)用。例如，拉擠成型，在樹(shù)脂與聚氨酯接觸之前，纖維必須完全干燥，因?yàn)轭~外的水份會(huì)引起成品外觀表面起泡。即使是溫和的濕度水平也可能導(dǎo)致某些纖維和聚合物化合從而引起問(wèn)題。紅外線加熱器是在拉擠成型前蒸發(fā)掉多余水分較理想的處理方法。復(fù)合材料加工過(guò)程中的一個(gè)中間階段是壓實(shí)。此過(guò)程中，在較終固化之前，復(fù)合材料被層疊起來(lái)。在這些中間的階段，應(yīng)用真空和適度加熱可減少問(wèn)題，例如起皺現(xiàn)象，并避免空洞的形成?？斩纯梢詼p少層間的剪切強(qiáng)度引起層間剝離，同時(shí)沒(méi)有纖維支持的部位，可以引起局部應(yīng)力集中。

在實(shí)踐中應(yīng)用 Putting it into practice

    許多制造行業(yè)正越來(lái)越多地認(rèn)識(shí)到，從一開(kāi)始熱加工問(wèn)題就需要被正確的整合，以獲得成功和項(xiàng)目的成本效益，紅外線能量的問(wèn)題較是如此。

    Ceramicx是一家，通過(guò)加熱工藝的指導(dǎo)和咨詢來(lái)獲得業(yè)務(wù)增長(zhǎng)的公司。它所主要依托的是對(duì)各種紅外線加熱類(lèi)型的理解以及它們作用于目標(biāo)復(fù)合材料的效果，以及紅外線加熱控制系統(tǒng)和配套環(huán)境來(lái)達(dá)到可行的生產(chǎn)解決方案。從汽車(chē)到航天行業(yè)，從智能手機(jī)制造商到以**的白色家電生產(chǎn)商，該公司近來(lái)已經(jīng)成為大量在其他地方無(wú)法找到解決方案的藍(lán)籌客戶所能求助的一工廠。

    Ceramicx早已準(zhǔn)備就緒，有能力和那些對(duì)復(fù)合材料固化加熱爐有興趣的客戶合作。很多行業(yè)現(xiàn)在來(lái)看正在為一個(gè)變革點(diǎn)做準(zhǔn)備，它包含生產(chǎn)成本的降低、能量和材料固化問(wèn)題、也包括溫度——簡(jiǎn)而言之是以紅外線為基礎(chǔ)的解決方案。

紅外線加熱工作不止涉及新的項(xiàng)目：Ceramicx的軌跡記錄了大量在改裝加熱盤(pán)或加熱爐機(jī)械裝置方面的工作，以讓機(jī)器提高加熱工藝和保證能量的消費(fèi)能夠：“以盡可能少的利用，來(lái)滿足盡可能多的需求，把更多的利潤(rùn)放在我們客戶的口袋里”。


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