多頻能量分散的CFRP 層合板微波固化溫度場(chǎng)控制方法*

王 攀，郭嘉煒，周 靖，郝小忠

（南京航空航天大學(xué)，南京 210016）

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（Carbon fiber reinforced polymer，CFRP）因其比強(qiáng)度高、比模量大、耐腐蝕等一系列優(yōu)越性能，一經(jīng)問世就受到各行各業(yè)尤其是航空航天領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[1–4]。自1980 年F–18 使用復(fù)合材料機(jī)翼以來(lái)，國(guó)內(nèi)外新研制的殲擊機(jī)機(jī)翼甚至機(jī)身段全部采用先進(jìn)復(fù)合材料，占結(jié)構(gòu)重量的25%～50%[5]，代表我國(guó)先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)的殲–20 復(fù)合材料用量也達(dá)到了20%。當(dāng)代民用客機(jī)的代表，波音787 和空客A350 客機(jī)的復(fù)合材料用量比例分別達(dá)到了50%和52%[6–7]，復(fù)合材料用量逐漸增大使得新型大飛機(jī)的重量減輕，綜合性能提升。可見復(fù)合材料的用量已成為評(píng)價(jià)飛機(jī)先進(jìn)性和國(guó)家科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志[8–9]。

CFRP 構(gòu)件的制造過(guò)程包括賦形、固化、加工和裝配等，其中固化是影響零件成型質(zhì)量和力學(xué)性能的關(guān)鍵[10]。與傳統(tǒng)的傳導(dǎo)加熱固化方法相比，微波加熱固化方法具有控溫靈敏、固化周期短、能量利用率高等優(yōu)勢(shì)。作為一種新型固化手段，近30 年來(lái)，在復(fù)合材料領(lǐng)域發(fā)展迅速，被越來(lái)越多的研究者重視[11]。然而，微波固化技術(shù)也面臨若干挑戰(zhàn)。如多向CFRP 層合板與空氣阻抗不匹配，使其對(duì)微波全反射，能量無(wú)法饋入，在這個(gè)方面，課題組提出了超表面饋能的多向CFRP 層合板微波加熱方法，使得采用微波加熱固化多向CFRP 層合板成為了可能[12]。又如，微波在封閉腔體中反射必然形成駐波[13]，處在波腹和波節(jié)位置的材料由于能量密度的高低分布，導(dǎo)致被加熱材料會(huì)形成冷、熱點(diǎn)，溫度不均勻，構(gòu)件易變形，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生燒蝕或固化不完全。圍繞復(fù)合材料微波固化溫度場(chǎng)控制，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究。Plaza-Gonzalez 等[14]提出了在微波饋口處加模式攪拌器分散微波束，Geedipalli 等[15]引入了周期性運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)托盤增加微波場(chǎng)與被加熱物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，Tang 等[16]利用選頻的方法獲得較優(yōu)頻率以改善溫度場(chǎng)分布，上述方法均屬于溫度場(chǎng)隨機(jī)補(bǔ)償方法，在腔體內(nèi)加入模式攪拌器或旋轉(zhuǎn)托盤提高了在圓周方向的溫度均勻性，選頻的方法對(duì)于固定的加熱物體有較好的效果，但對(duì)于旋轉(zhuǎn)的徑向以及不同的物體其隨機(jī)程度還有待提高。2018 年，Zhou 等[17]發(fā)現(xiàn)在溫度和固化度不變時(shí)，同一微波加熱系統(tǒng)的微波控制策略與CFRP 層合板表面的加熱模式間存在固定對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而提出了加熱模式互補(bǔ)的思想。Li 等[18]進(jìn)一步提出了基于歷史數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)的復(fù)合材料微波固化溫度場(chǎng)控制方法，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法擬合加熱模式和微波控制策略間的固定對(duì)應(yīng)關(guān)系。針對(duì)固化過(guò)程中溫度或固化度時(shí)刻變化，加熱模式和微波控制策略間對(duì)應(yīng)關(guān)系不斷演變的問題，Zhou 等[19]于2019 年提出了在線學(xué)習(xí)和在線決策的微波固化溫度場(chǎng)智能控制方法。上述方法屬于溫度場(chǎng)定向補(bǔ)償方法，取得了較好的溫度場(chǎng)控制效果，但受復(fù)合材料固化條件的制約，還需伴隨高精度接觸式面測(cè)溫方法一起發(fā)展。

本研究針對(duì)CFRP 預(yù)制件微波加熱固化溫度場(chǎng)不均勻的問題，結(jié)合超表面饋能的特點(diǎn)，提出了多頻能量分散的CFRP 層合板微波固化溫度場(chǎng)控制方法，并基于915 MHz 和2.45 GHz 兩種頻率進(jìn)行了微波加熱試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)分析不同頻率微波作用下CFRP 層合板溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，利用超表面的可設(shè)計(jì)性，設(shè)計(jì)了雙頻超表面，驗(yàn)證了雙頻微波加熱下CFRP 層合板的溫度均勻性，并與現(xiàn)有單頻加熱方法進(jìn)行了對(duì)比。

1 不同頻率分別作用下溫度場(chǎng)的分布規(guī)律

CFRP 作為一種典型的非磁性材料，在微波加熱的過(guò)程中會(huì)吸收大量的電場(chǎng)能量，并將其轉(zhuǎn)化為熱能，實(shí)現(xiàn)內(nèi)熱源加熱的目的。然而，駐波帶來(lái)的加熱不均勻的問題，導(dǎo)致微波加熱固化CFRP 的技術(shù)一直難以工業(yè)應(yīng)用。駐波與頻率相關(guān)，因此不同頻率微波源作用下溫度場(chǎng)的分布規(guī)律不同，本節(jié)通過(guò)2.45 GHz（高頻）和915 MHz（低頻）的微波源分別對(duì)CFRP 層合板進(jìn)行加熱，探索高頻和低頻微波加熱溫度場(chǎng)的分布規(guī)律。

試驗(yàn)設(shè)備為八邊形雙頻高性能微波加熱系統(tǒng)，如圖1（a）所示。該系統(tǒng)集成了915 MHz 與2.45 GHz 兩種頻率的微波源，其功率范圍分別為0～1000 W 和0～1500 W。此外，還配備了光纖測(cè)溫系統(tǒng)（北京東方銳擇有限公司）和紅外測(cè)溫系統(tǒng)（FLIR A300）。圖1（b）和（c）分別為915 MHz 和2.45 GHz 的超表面實(shí)物。

圖1 試驗(yàn)裝置及超表面實(shí)物材料Fig.1 Experimental apparatus and metasurface material

采用的材料為碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料CFRP層合板，尺寸為250 mm×250 mm×2 mm （UIN10000，威海光威復(fù)合材料股份有限公司），鋪層方式為[0°/90°]5s，邊緣用鋁箔包裹防止打火，如圖2（a）所示，輔助材料的位置和鋪放順序見圖2（b），超表面放置在CFRP 平板件下方。

圖2 試驗(yàn)材料及輔助材料Fig.2 Experimental materials and auxiliary materials

兩種微波源分別以1 ℃/ min 加熱CFRP 平板件。915 MHz 的超表面鋪設(shè)如圖3（a）所示，圖3（b）、（c）和（d）為該微波頻率下分別加熱5 min、10 min 以及20 min 后的CFRP 構(gòu)件表面溫度場(chǎng)，可明顯觀察到在整個(gè)升溫過(guò)程中，面內(nèi)冷、熱點(diǎn)的位置始終未發(fā)生變化，冷點(diǎn)和熱點(diǎn)的光斑較大且分布集中。圖4（a）為2.45 GHz 的超表面，令其在2.45 GHz 微波頻率下分別加熱5 min、10 min 和20 min，整個(gè)過(guò)程中面內(nèi)冷、熱點(diǎn)的位置分布基本無(wú)變化，冷、熱點(diǎn)的光斑較小且相對(duì)分散。

圖3 915 MHz 微波加熱CFRP 層合板表面的溫度場(chǎng)Fig.3 Temperature field on surface of CFRP laminates heated by 915 MHz microwave

圖4 2.45 GHz 微波加熱CFRP 層合板表面的溫度場(chǎng)Fig.4 Temperature field on surface of CFRP laminates heated by 2.45 GHz microwave

根據(jù)試驗(yàn)得到不同頻率微波源作用下CFRP 層合板溫度場(chǎng)的分布規(guī)律為： （1）給定微波源頻率下，整個(gè)加熱過(guò)程中冷、熱點(diǎn)的位置保持不變； （2）低頻微波加熱時(shí)，冷、熱點(diǎn)位置相對(duì)集中且光斑較大，高頻微波加熱時(shí)，冷、熱點(diǎn)位置相對(duì)分散且光斑較小。

2 多頻微波能量分散的溫度場(chǎng)控制思路

微波加熱CFRP 構(gòu)件的過(guò)程中，由于駐波的存在，波腹和波節(jié)的位置能量密度高低分布，加熱過(guò)程中冷、熱點(diǎn)始終存在且位置基本不發(fā)生改變，對(duì)于高頻的微波源加熱時(shí)冷、熱斑點(diǎn)小且相對(duì)分散，低頻冷、熱點(diǎn)大而集中。因此，將一個(gè)頻率的微波能量分散到多個(gè)頻率上，弱化單個(gè)頻率下駐波的影響，利用多個(gè)頻率駐波間的疊加效應(yīng)，結(jié)合CFRP 構(gòu)件的傳熱特點(diǎn)，進(jìn)行冷、熱點(diǎn)之間的溫度場(chǎng)自動(dòng)補(bǔ)償，是一種潛在的面內(nèi)溫度均勻性控制方法。

由于雙向或多向鋪層的CFRP 層合板進(jìn)行微波加熱時(shí)，需要通過(guò)超表面將微波能量饋入到CFRP 內(nèi)部，且一種超表面結(jié)構(gòu)僅會(huì)在對(duì)應(yīng)頻率的微波下有較強(qiáng)的加熱效果。因此，利用超表面的可設(shè)計(jì)性以及不同頻率微波加熱的溫度場(chǎng)分布特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)一種多頻超表面將分散后的微波能量饋入到CFRP 層合板用以加熱，實(shí)現(xiàn)多頻能量分散的CFRP 構(gòu)件微波固化的溫度場(chǎng)均勻性控制，如圖5 所示。

圖5 多頻能量分散的溫度場(chǎng)控制思路Fig.5 Idea of temperature field control with multi-frequency energy dispersion

3 多頻超表面的設(shè)計(jì)

利用超表面的可設(shè)計(jì)性，可以將不同頻率的超表面按一定的規(guī)律組合，形成多頻超表面，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)頻率微波能量的響應(yīng)。設(shè)計(jì)多頻超表面時(shí)，需要考慮不同頻率微波能量的分散程度，也就是同一頻率超表面結(jié)構(gòu)單元被其他頻率結(jié)構(gòu)單元分散的程度，從而使得多種頻率間因駐波產(chǎn)生的冷、熱點(diǎn)得到充分的疊加和補(bǔ)償。

本研究主要利用915 MHz 和2.45 GHz 兩種頻率對(duì)應(yīng)的超表面在縱向和橫向的不同排布來(lái)探究這種能量分散程度的關(guān)系，以1 ℃/min 加熱10 min 后CFRP 層合板紅外圖像的溫度場(chǎng)分布來(lái)表征加熱效果。如圖6所示，其中圖6（a）、（c）和（e）分別是在橫向利用2.45 GHz 的超表面將915 MHz 的超表面逐漸分散開；圖6（b）、（d）和（f）中冷、熱區(qū)域分布明顯，疊加效應(yīng)不足，冷、熱點(diǎn)之間的補(bǔ)償效果不夠充分。圖6（a）中的溫度均勻性甚至不及2.45 GHz 的單頻加熱效果，但從圖6（a）到圖6（c）再到圖6（e）的排布中，溫度均勻性有一定的改善；圖6（g）進(jìn)一步將2.45 GHz 的超表面進(jìn)行分散，圖6（h）中冷、熱點(diǎn)的區(qū)域有明顯的改善，但仍存在大片的冷、熱區(qū)域；圖6（i）和（k）增加了2.45 GHz 超表面在縱向的排布，將915 MHz 的超表面逐漸分散為1個(gè)單元；圖6（j）和（l）中溫度場(chǎng)分布得到較好的改善，冷、熱點(diǎn)區(qū)域得到有效的疊加和補(bǔ)償，使得溫度均勻性提高，且圖6（l）中的溫度均勻性更好。

圖6 雙頻超表面的不同排布方案以及溫度場(chǎng)分布Fig.6 Different arrangement schemes and temperature field distribution of dual-frequency supersurface

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果可得，微波能量的分散程度對(duì)冷、熱點(diǎn)之間的疊加效果存在較大的影響，隨著不同頻率微波能量分散程度的增加，溫度均勻性也有所提升。為驗(yàn)證在CFRP 層合板固化過(guò)程中該方法的有效性，選擇了圖6（c）、（i）和（k）中3 種典型的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了“回”型（圖7（a））、“U”型（圖7（b））和“田”型（圖7（c））3 種不同的排布方式分別作為雙頻超表面的一個(gè)結(jié)構(gòu)單元，其不同頻率微波能量分散程度依次提高，進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。根據(jù)超表面的特點(diǎn)，對(duì)于尺寸更大的CFRP 構(gòu)件只需要將該結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行周期性排列。對(duì)照方案為常用的2.45 GHz 單頻微波加熱方法，其超表面如圖7（d）所示。

圖7 3 種典型的雙頻超表面設(shè)計(jì)方案及對(duì)照Fig.7 Three typical dual-frequency metasurface designs and comparison

4 雙頻微波加熱溫度均勻性驗(yàn)證

本節(jié)對(duì)3 種不同能量分散形式的雙頻超表面設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了微波加熱驗(yàn)證，以CFRP 層合板面內(nèi)溫度的最大溫差和整個(gè)加熱過(guò)程的面內(nèi)均方差為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分析了不同方案下的溫度均勻性，并與CFRP 層合板單頻微波加熱方法的效果進(jìn)行了對(duì)比。

4 組試驗(yàn)均從室溫升到120 ℃，保溫30 min，升溫工藝曲線如圖8 所示，控溫基準(zhǔn)是面內(nèi)平均溫度。選取CFRP 層合板面內(nèi)均勻分布的9 個(gè)點(diǎn)，通過(guò)提取整個(gè)升溫以及保溫過(guò)程中9 個(gè)點(diǎn)的實(shí)際溫度值，并計(jì)算其溫差和均方差，對(duì)微波固化過(guò)程的溫度均勻性進(jìn)行分析。

圖8 各組試驗(yàn)的升溫工藝曲線Fig.8 Heating process curve of each experiment

圖9 展示了不同方案在整個(gè)微波加熱過(guò)程中CFRP層合板面內(nèi)9 個(gè)采溫點(diǎn)的實(shí)際溫度曲線，溫度采樣周期為0.1 s，以表示面內(nèi)溫度分布。從圖9（a）中可以看出，單頻微波加熱過(guò)程中面內(nèi)各處的溫度曲線明顯比圖9（b）、（c）和（d）中的間距更大，即溫差更大，且加熱過(guò)程中還存在較大的波動(dòng)。

圖9 不同方式下的實(shí)際加熱溫度曲線Fig.9 Actual heating temperature curves under different methods

圖10（a）和（b）分別為加熱過(guò)程中CFRP 層合板的面內(nèi)溫差和均方差隨時(shí)間的變化圖。由10（a）可知，隨著溫度的逐漸上升，材料面內(nèi)溫差被迅速拉大。而利用3 種不同形式雙頻微波能量分散方案的溫差比對(duì)照組的單頻加熱方法明顯降低，溫度均勻性顯著提高，并且3 種排布方案中在較高的溫度下“田”型的溫度均勻性略優(yōu)于“U”型，“回”型的效果相對(duì)較差，產(chǎn)生這種差異的原因與微波能量的分散程度有關(guān)，且能量越分散對(duì)微波加熱的溫度均勻性越好；隨著保溫過(guò)程的進(jìn)行，溫差逐漸縮小，這是由于熱點(diǎn)與冷點(diǎn)之間傳熱效果的影響使得溫度均勻性有所提高。圖10（b）中的溫度均方差曲線與溫差曲線具有類似的趨勢(shì)，多頻能量分散加熱的方法相對(duì)于單頻加熱方法溫度均勻性有顯著提升。圖11 為整個(gè)過(guò)程中溫差最大值的統(tǒng)計(jì)圖，采用雙頻能量分散方法得到的最大溫差小于CFRP 構(gòu)件單頻微波加熱方法，且最大溫差降低了26 %。

圖10 整個(gè)過(guò)程中CFRP 層合板面內(nèi)溫度均勻性對(duì)比Fig.10 Comparison of in-plane temperature uniformity of CFRP laminates during whole process

圖11 整個(gè)過(guò)程中不同方案的最大溫差統(tǒng)計(jì)圖Fig.11 Statistical diagram of maximum temperature difference of different schemes in whole process

5 結(jié)論

（1）提出了多頻能量分散的CFRP 層合板微波固化溫度場(chǎng)控制方法，利用多種頻率駐波間的疊加效應(yīng)，將加熱所需能量分散到多種頻率的微波以弱化單一頻率駐波的影響，提升CFRP 層合板微波固化過(guò)程中的溫度均勻性。

（2）探究了高頻（2.45 GHz）和低頻（915 MHz）微波加熱過(guò)程的溫度場(chǎng)分布規(guī)律，低頻加熱時(shí)冷、熱點(diǎn)位置相對(duì)集中且光斑較大，高頻微波加熱時(shí)，冷、熱點(diǎn)位置相對(duì)分散且光斑較小。

（3）設(shè)計(jì)了雙頻超表面并利用915 MHz 與2.45 GHz雙頻微波源進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，采用多頻能量分散方法有助于提高微波加熱的溫度均勻性，加熱過(guò)程最大溫差降低了26%，且這種均勻性差異還與微波能量的分散程度有關(guān)，也充分證明了本研究方法的可行性。