红外加热工艺为复合材料加工商提供了越来越多的选择

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欢迎访问e展厅 展厅 2 复合材料/胶粘剂展厅 阻尼材料, 环氧树脂, 密封胶, 硅胶, 厌氧胶, ... 红外加热工艺为复合材料加工商提供了越来越多的选择。Ceramicx公司的Cathal Wilson博士和Gerard McGranaghan博士解释了红外线加热的工作原理及其优势，以及它们的发展机遇所在。 复合材料在航空和高端汽车领域的使用在持续增长。例如，波音787先进复合材料的含量超过了50%。随着越来越多的使用量和更高的知名度，应努力开发快速制造技术，以将复合材料融入主流的制造工艺中，使其走出高端、高成本的专门应用领域。 例如，宝马i3系列城市车的量产乘客舱将完全采用碳纤维增强塑料（CFRP）制成。宝马表示，这是第一个量产的复合材料汽车。在这一变革中至关重要的就是加工方式。在此过程中，智能红外（IR）加热技术的优势使其成为复合材料制造商的得力助手。 过去的加热工艺 传统的固化工艺很大程度上依赖于反应釜，尤其是对质量或安全性要求较高的关键部件，如飞机的机翼。在高压釜内，高压被用于生产无孔隙或缺陷的部件，对流热通常为固化提供了所需的热能。然而，高压釜可以很大，购买和使用起来都非常昂贵。循环周期也长。为了摆脱庞大且昂贵的高压釜，人们重新试验了更多的复合材料工艺，以期实现“釜外固化”（OOA）。由于这些方法都不是在一个封闭腔内，热传导和热对流的方法不太适合，必须研究其他的加热方式。在这一领域，红外加热的快速和可定向优势获得了肯定——更小、更轻、可控、低成本，还可以精确定位。 红外线工作原理 红外线是一种电磁波或辐射，正好位于可见光和微波/无线电波之间。1800年2月11日William Herschel发现了红外线的存在。温度高于绝对零度（零下273.15°C或0K）的所有表面都可以发射红外线。随着发射体表面温度的上升（在这种情况下，发射体可能是陶瓷加热元件），热能激发出加热器中的原子和分子，从而产生光子辐射。这些光子是以红外射线的形式从加热器的表面发射出来的。当这些光子撞击到材料时，就会造成分子的波动或振动，从而导致目标材料内部的热效应。红外辐射的行为类似于光和其他电磁波，因此随着频率的增加，波长会减小，而能量会增加。就像光一样，红外线不需要介质，因此可以通过真空来传播。 有些材料会吸收红外辐射并迅速升温，而其他材料则往往会把辐射反射出去，从而保持相对较低的温度。在实践中，利用一个被称作发射率的性能参数，可以很好地判断一种材料是否会吸收或反射红外辐射。一个理想的“黑体”的发射率为1，因此发射率数值较高的材料（0.9-0.98）会吸收辐射，并迅速发热；而发射率较低的材料(0.02-0.1)则是很好的反射体，需要更长的时间来升温。许多高分子材料容易吸收红外辐射能，并在材料内部迅速转化为热量。相反，许多金属，尤其是高度抛光的金属，几乎不吸收辐射，通常被用作反射体。 随着发射体温度的上升，辐射波长会缩小，向短波区移动，接近光谱的可见光端。这就解释了为什么一个物体升温后会变亮。此外，随着温度的上升，辐射能会与发射体温度的四次方成正比例增加。这可以用普朗克定律来解释，如图2所示。 红外加热普遍接受的波长带是从0.7μm到1mm，然而大多数用于工业加热的红外线波长范围在0.7-10μm之间。这通常被进一步细分为三组：短波红外、中波红外和长波红外。 短波红外线一般是在0.7-1.5μm之间。这种辐射波很大一部分是亮光，因为接近可见光光谱。这些加热器通常包括一根密封在玻璃管内的钨丝，玻璃管内充满卤素气体。这使得负载灯丝能够达到2600°C（4712°F）的高温。峰值波长大约为1微米。这种类型的辐射能量较高，可以快速加热。它们的穿透力非常强，可以进行快速的开/关循环。 中波红外线位于1.5-3μm的波段。典型的中波加热器可以是缠绕或星型线圈中的一根钨丝，它可以在1500°C（2732°F）的高温下运行，辐射的峰值波长大约为1.6微米。它们可以在几秒之内达到最高温度，并具有优异的结构刚度。这些线圈的作用是将光的输出功率降至最低，，并最大限度地提高红外辐射度，从而提高红外辐射器的效率。 长波红外位于3.0-10μm范围之内。这些可以是陶瓷加热器或石英加热器。陶瓷加热器包括一组置于粘土铸件之内的电阻丝。一系列的尺寸和瓦数决定着红外能量的发射波段，通常在2.0-10μm之间。虽然加热时间比钨灯式加热器要长，发热元件却更耐用、更便宜。另一种类型的长波发射器是石英元件，一组电阻线圈置于石英玻璃管内。这种加热器的加热时间中等，有用的辐射波段在1.5-8μm之间。 许多高分子材料可以很好地吸收这些波段。 反射器是另一种重要的元件，它们可以将辐射能量集中到目标材料上。这些发射器通常是由镀铝钢材制成的，而且进行了高度抛光。 在选择红外线发射器时，很重要的一点是要将目标材料所吸收的光谱与发射器匹配起来。许多聚合物能够很好地吸收中长波区域的红外线。虽然短波红外加热器具有最快的加热时间，但它们的高功率密度可能会导致材料表面燃烧起来。低功率加热器，例如陶瓷或石英加热器，具有更温和的热量，热量需要一定的时间才会穿透材料发生作用。 无论是连续的或离散的过程，过程的性质也需要被考虑在内。例如灰尘或水汽可能会阻碍目标材料对红外线的吸收，可能需要采取措施将杂质去除。 红外辐射最基本的控制元素是距离、功率和时间。调压变压器可以调节加热器的电压，从而改变功率。辐射强度会随着距离的增大而下降，目标材料与加热器之间的距离和暴露时间被用于控制目标材料的加热过程。然而，这是一个开环系统，存在固化不充分或燃烧的可能性。一个更好的方法是采用非接触式温度计来测量表面温度，并反馈给控制器单元，然后控制器会调节加热元件的功率。根据目标部件的复杂性和尺寸的不同，可以利用带有独立的温度传感和控制器的几个加热区。 因此，在设计红外加热系统时，目标材料的性能、加热器的类型、操作环境和许多其他因素都必须在对最后的元件作出选择前全部考虑在内。 工业红外加热的优势 首先，红外加热是可移动的，快速灵活。它可以很容易地适应复合材料在制造或固化过程里的中间环节，而且可以节省能源和固化的时间。在一项研究[P. Kiran Kumar 2011]中，红外固化的固化时间为56分钟，而采用加热炉的常规“热固化”则需要236分钟。这相当于节省了75%的时间。与传统加热方式通过热传导来加热环氧树脂和纤维基体相比较而言，对于这四倍的增加，该项研究的作者认为体积热是一个主要的因素。 红外辐射的另一个优点是，作为辐射源它不需要介质。红外辐射不应该被认为是热源，而是一种行为类似于光的电磁波。因此，它可以穿过真空。由于这种加热源是非接触性的，因此不存在灰尘等污染问题。而在对流加热过程中，这可能是一大问题。 在大多数情况下，红外加热没有繁琐的安全要求。在很短的波长下，光的强度比较大，可能需要护目镜或屏蔽物。 红外加热的优点包括： •加热和冷却速度快（只要需要，红外可以随时随地打开）； •功率密度高（但可能受到材料的限制）； •生产速度高； •占地面积小； •投资成本低； •适应性和可扩展性； •在某些维修场合可能是唯一的选择； •可以穿透聚合物产生体积加热效应（与传导和对流加热不同）。 红外辐射在复合材料制造中的应用 热辐射最大的好处是可以用于产品的直接加热。例如，红外加热可用于热塑性复合材料板的成型过程，固体的复合材料层压板在红外发射器的作用下被迅速加热，然后被两个冷却工具夹在中间加压成型。这一过程的循环周期很短。对于复合材料中应用的三种主要类型的树脂（环氧树脂、酚醛树脂和聚氨酯树脂），采用红外加热进行热固化，与传统的对流加热炉相比，可以显著缩短加热时间，减小加热炉的长度，提高线速度。 红外也被用于纤维带的铺设。在这个过程中，原材料纤维带在加热后被叠放于上一个纤维袋的上面。高功率密度的红外线灯，如石英管，用于加热铺设好的纤维带的前方部位。精密的机械控制头可以实现高重复性和可控性。空客A400M军用运输机和A340的几个部件就是这样生产出来的。 模具预热也可以通过红外加热进行。在某些情况下，模具的表面可能必须经过处理才能与红外辐射产生一定的作用，从而缩短表面加热的时间。 红外技术取代传统加热垫和导电加热方法的另一个领域就是，修复损坏的复合材料结构，例如飞机机身。对于形状不规则的部件，可以将红外灯按照表面形状的要求进行设计。维修可以在“现场”进行，固化装置重量轻，可移动，并且不需要与所修理的表面接触。 红外加热在纤维干燥过程中也发挥着作用。例如在拉挤成型工艺中，纤维在与树脂接触前必须充分干燥，因为过多的水分会导致型材成品表面起泡开裂。即使是中等的湿度水平，在一定的纤维和聚合物组合下也可能会引发问题。红外加热器是粗纱拉挤之前对材料进行处理的一种理想方法，从而去除过多的水分。 复合材料加工过程中的一个中间步骤是除水。在这一过程中，复合材料铺层在进行最后的固化之前需要进行处理。在这些中间步骤中，可以采用真空温和加热方式来减少问题的出现，例如起皱和孔洞的形成。孔洞会降低层间剪切强度，导致分层；而无所依托的纤维区域可能会引发局部的应力集中。 付诸实践 许多制造行业逐渐意识到，在项目一开始就需要正视过程热的问题，从而保证项目以较低的成本高效快速地取得成功；在红外能量的问题上更是如此。 例如，Ceramicx正在经历越来越多的涉及加热工作的指导业务，并承担顾问的角色。这要求对各种红外辐射加热类型及其对目标复合材料的作用、红外加热控制系统以及周围的建筑有足够的了解，从而获得可行的生产解决方案。这一业务包括的应用范围从汽车到航空，从智能手机生产商到家用电器生产商。 Ceramicx认为，部分行业正处于一个转折点，其中包括加工成本的降低——能源、材料的固化以及温度等问题，而红外加热可能就是一种解决方案。 红外加热工序并不局限于新的项目。Ceramicx一直参与老旧机器加热模式或加热机制的改造工作，以改善加热工序，保证能源消耗达到所需的量，但尽可能的少。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (9/2/2014)