多频能量分散的CFRP 层合板微波固化温度场控制方法*

王 攀，郭嘉炜，周 靖，郝小忠

（南京航空航天大学，南京 210016）

碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon fiber reinforced polymer，CFRP）因其比强度高、比模量大、耐腐蚀等一系列优越性能，一经问世就受到各行各业尤其是航空航天领域的广泛关注[1–4]。自1980 年F–18 使用复合材料机翼以来，国内外新研制的歼击机机翼甚至机身段全部采用先进复合材料，占结构重量的25%～50%[5]，代表我国先进战机的歼–20 复合材料用量也达到了20%。当代民用客机的代表，波音787 和空客A350 客机的复合材料用量比例分别达到了50%和52%[6–7]，复合材料用量逐渐增大使得新型大飞机的重量减轻，综合性能提升。可见复合材料的用量已成为评价飞机先进性和国家科技发展水平的重要标志[8–9]。

CFRP 构件的制造过程包括赋形、固化、加工和装配等，其中固化是影响零件成型质量和力学性能的关键[10]。与传统的传导加热固化方法相比，微波加热固化方法具有控温灵敏、固化周期短、能量利用率高等优势。作为一种新型固化手段，近30 年来，在复合材料领域发展迅速，被越来越多的研究者重视[11]。然而，微波固化技术也面临若干挑战。如多向CFRP 层合板与空气阻抗不匹配，使其对微波全反射，能量无法馈入，在这个方面，课题组提出了超表面馈能的多向CFRP 层合板微波加热方法，使得采用微波加热固化多向CFRP 层合板成为了可能[12]。又如，微波在封闭腔体中反射必然形成驻波[13]，处在波腹和波节位置的材料由于能量密度的高低分布，导致被加热材料会形成冷、热点，温度不均匀，构件易变形，严重时甚至发生烧蚀或固化不完全。围绕复合材料微波固化温度场控制，国内外学者开展了大量研究。Plaza-Gonzalez 等[14]提出了在微波馈口处加模式搅拌器分散微波束，Geedipalli 等[15]引入了周期性运动的旋转托盘增加微波场与被加热物体的相对运动，Tang 等[16]利用选频的方法获得较优频率以改善温度场分布，上述方法均属于温度场随机补偿方法，在腔体内加入模式搅拌器或旋转托盘提高了在圆周方向的温度均匀性，选频的方法对于固定的加热物体有较好的效果，但对于旋转的径向以及不同的物体其随机程度还有待提高。2018 年，Zhou 等[17]发现在温度和固化度不变时，同一微波加热系统的微波控制策略与CFRP 层合板表面的加热模式间存在固定对应关系，从而提出了加热模式互补的思想。Li 等[18]进一步提出了基于历史数据和深度学习的复合材料微波固化温度场控制方法，采用数据驱动的方法拟合加热模式和微波控制策略间的固定对应关系。针对固化过程中温度或固化度时刻变化，加热模式和微波控制策略间对应关系不断演变的问题，Zhou 等[19]于2019 年提出了在线学习和在线决策的微波固化温度场智能控制方法。上述方法属于温度场定向补偿方法，取得了较好的温度场控制效果，但受复合材料固化条件的制约，还需伴随高精度接触式面测温方法一起发展。

本研究针对CFRP 预制件微波加热固化温度场不均匀的问题，结合超表面馈能的特点，提出了多频能量分散的CFRP 层合板微波固化温度场控制方法，并基于915 MHz 和2.45 GHz 两种频率进行了微波加热试验验证。通过分析不同频率微波作用下CFRP 层合板温度场的分布规律，利用超表面的可设计性，设计了双频超表面，验证了双频微波加热下CFRP 层合板的温度均匀性，并与现有单频加热方法进行了对比。

1 不同频率分别作用下温度场的分布规律

CFRP 作为一种典型的非磁性材料，在微波加热的过程中会吸收大量的电场能量，并将其转化为热能，实现内热源加热的目的。然而，驻波带来的加热不均匀的问题，导致微波加热固化CFRP 的技术一直难以工业应用。驻波与频率相关，因此不同频率微波源作用下温度场的分布规律不同，本节通过2.45 GHz（高频）和915 MHz（低频）的微波源分别对CFRP 层合板进行加热，探索高频和低频微波加热温度场的分布规律。

试验设备为八边形双频高性能微波加热系统，如图1（a）所示。该系统集成了915 MHz 与2.45 GHz 两种频率的微波源，其功率范围分别为0～1000 W 和0～1500 W。此外，还配备了光纤测温系统（北京东方锐择有限公司）和红外测温系统（FLIR A300）。图1（b）和（c）分别为915 MHz 和2.45 GHz 的超表面实物。

图1 试验装置及超表面实物材料Fig.1 Experimental apparatus and metasurface material

采用的材料为碳纤维增强环氧树脂基复合材料CFRP层合板，尺寸为250 mm×250 mm×2 mm （UIN10000，威海光威复合材料股份有限公司），铺层方式为[0°/90°]5s，边缘用铝箔包裹防止打火，如图2（a）所示，辅助材料的位置和铺放顺序见图2（b），超表面放置在CFRP 平板件下方。

图2 试验材料及辅助材料Fig.2 Experimental materials and auxiliary materials

两种微波源分别以1 ℃/ min 加热CFRP 平板件。915 MHz 的超表面铺设如图3（a）所示，图3（b）、（c）和（d）为该微波频率下分别加热5 min、10 min 以及20 min 后的CFRP 构件表面温度场，可明显观察到在整个升温过程中，面内冷、热点的位置始终未发生变化，冷点和热点的光斑较大且分布集中。图4（a）为2.45 GHz 的超表面，令其在2.45 GHz 微波频率下分别加热5 min、10 min 和20 min，整个过程中面内冷、热点的位置分布基本无变化，冷、热点的光斑较小且相对分散。

图3 915 MHz 微波加热CFRP 层合板表面的温度场Fig.3 Temperature field on surface of CFRP laminates heated by 915 MHz microwave

图4 2.45 GHz 微波加热CFRP 层合板表面的温度场Fig.4 Temperature field on surface of CFRP laminates heated by 2.45 GHz microwave

根据试验得到不同频率微波源作用下CFRP 层合板温度场的分布规律为： （1）给定微波源频率下，整个加热过程中冷、热点的位置保持不变； （2）低频微波加热时，冷、热点位置相对集中且光斑较大，高频微波加热时，冷、热点位置相对分散且光斑较小。

2 多频微波能量分散的温度场控制思路

微波加热CFRP 构件的过程中，由于驻波的存在，波腹和波节的位置能量密度高低分布，加热过程中冷、热点始终存在且位置基本不发生改变，对于高频的微波源加热时冷、热斑点小且相对分散，低频冷、热点大而集中。因此，将一个频率的微波能量分散到多个频率上，弱化单个频率下驻波的影响，利用多个频率驻波间的叠加效应，结合CFRP 构件的传热特点，进行冷、热点之间的温度场自动补偿，是一种潜在的面内温度均匀性控制方法。

由于双向或多向铺层的CFRP 层合板进行微波加热时，需要通过超表面将微波能量馈入到CFRP 内部，且一种超表面结构仅会在对应频率的微波下有较强的加热效果。因此，利用超表面的可设计性以及不同频率微波加热的温度场分布特点，可以设计一种多频超表面将分散后的微波能量馈入到CFRP 层合板用以加热，实现多频能量分散的CFRP 构件微波固化的温度场均匀性控制，如图5 所示。

图5 多频能量分散的温度场控制思路Fig.5 Idea of temperature field control with multi-frequency energy dispersion

3 多频超表面的设计

利用超表面的可设计性，可以将不同频率的超表面按一定的规律组合，形成多频超表面，实现对多个频率微波能量的响应。设计多频超表面时，需要考虑不同频率微波能量的分散程度，也就是同一频率超表面结构单元被其他频率结构单元分散的程度，从而使得多种频率间因驻波产生的冷、热点得到充分的叠加和补偿。

本研究主要利用915 MHz 和2.45 GHz 两种频率对应的超表面在纵向和横向的不同排布来探究这种能量分散程度的关系，以1 ℃/min 加热10 min 后CFRP 层合板红外图像的温度场分布来表征加热效果。如图6所示，其中图6（a）、（c）和（e）分别是在横向利用2.45 GHz 的超表面将915 MHz 的超表面逐渐分散开；图6（b）、（d）和（f）中冷、热区域分布明显，叠加效应不足，冷、热点之间的补偿效果不够充分。图6（a）中的温度均匀性甚至不及2.45 GHz 的单频加热效果，但从图6（a）到图6（c）再到图6（e）的排布中，温度均匀性有一定的改善；图6（g）进一步将2.45 GHz 的超表面进行分散，图6（h）中冷、热点的区域有明显的改善，但仍存在大片的冷、热区域；图6（i）和（k）增加了2.45 GHz 超表面在纵向的排布，将915 MHz 的超表面逐渐分散为1个单元；图6（j）和（l）中温度场分布得到较好的改善，冷、热点区域得到有效的叠加和补偿，使得温度均匀性提高，且图6（l）中的温度均匀性更好。

图6 双频超表面的不同排布方案以及温度场分布Fig.6 Different arrangement schemes and temperature field distribution of dual-frequency supersurface

根据以上试验结果可得，微波能量的分散程度对冷、热点之间的叠加效果存在较大的影响，随着不同频率微波能量分散程度的增加，温度均匀性也有所提升。为验证在CFRP 层合板固化过程中该方法的有效性，选择了图6（c）、（i）和（k）中3 种典型的结构，设计了“回”型（图7（a））、“U”型（图7（b））和“田”型（图7（c））3 种不同的排布方式分别作为双频超表面的一个结构单元，其不同频率微波能量分散程度依次提高，进行对比验证。根据超表面的特点，对于尺寸更大的CFRP 构件只需要将该结构单元进行周期性排列。对照方案为常用的2.45 GHz 单频微波加热方法，其超表面如图7（d）所示。

图7 3 种典型的双频超表面设计方案及对照Fig.7 Three typical dual-frequency metasurface designs and comparison

4 双频微波加热温度均匀性验证

本节对3 种不同能量分散形式的双频超表面设计方案进行了微波加热验证，以CFRP 层合板面内温度的最大温差和整个加热过程的面内均方差为评价标准，分析了不同方案下的温度均匀性，并与CFRP 层合板单频微波加热方法的效果进行了对比。

4 组试验均从室温升到120 ℃，保温30 min，升温工艺曲线如图8 所示，控温基准是面内平均温度。选取CFRP 层合板面内均匀分布的9 个点，通过提取整个升温以及保温过程中9 个点的实际温度值，并计算其温差和均方差，对微波固化过程的温度均匀性进行分析。

图8 各组试验的升温工艺曲线Fig.8 Heating process curve of each experiment

图9 展示了不同方案在整个微波加热过程中CFRP层合板面内9 个采温点的实际温度曲线，温度采样周期为0.1 s，以表示面内温度分布。从图9（a）中可以看出，单频微波加热过程中面内各处的温度曲线明显比图9（b）、（c）和（d）中的间距更大，即温差更大，且加热过程中还存在较大的波动。

图9 不同方式下的实际加热温度曲线Fig.9 Actual heating temperature curves under different methods

图10（a）和（b）分别为加热过程中CFRP 层合板的面内温差和均方差随时间的变化图。由10（a）可知，随着温度的逐渐上升，材料面内温差被迅速拉大。而利用3 种不同形式双频微波能量分散方案的温差比对照组的单频加热方法明显降低，温度均匀性显著提高，并且3 种排布方案中在较高的温度下“田”型的温度均匀性略优于“U”型，“回”型的效果相对较差，产生这种差异的原因与微波能量的分散程度有关，且能量越分散对微波加热的温度均匀性越好；随着保温过程的进行，温差逐渐缩小，这是由于热点与冷点之间传热效果的影响使得温度均匀性有所提高。图10（b）中的温度均方差曲线与温差曲线具有类似的趋势，多频能量分散加热的方法相对于单频加热方法温度均匀性有显著提升。图11 为整个过程中温差最大值的统计图，采用双频能量分散方法得到的最大温差小于CFRP 构件单频微波加热方法，且最大温差降低了26 %。

图10 整个过程中CFRP 层合板面内温度均匀性对比Fig.10 Comparison of in-plane temperature uniformity of CFRP laminates during whole process

图11 整个过程中不同方案的最大温差统计图Fig.11 Statistical diagram of maximum temperature difference of different schemes in whole process

5 结论

（1）提出了多频能量分散的CFRP 层合板微波固化温度场控制方法，利用多种频率驻波间的叠加效应，将加热所需能量分散到多种频率的微波以弱化单一频率驻波的影响，提升CFRP 层合板微波固化过程中的温度均匀性。

（2）探究了高频（2.45 GHz）和低频（915 MHz）微波加热过程的温度场分布规律，低频加热时冷、热点位置相对集中且光斑较大，高频微波加热时，冷、热点位置相对分散且光斑较小。

（3）设计了双频超表面并利用915 MHz 与2.45 GHz双频微波源进行试验验证，结果表明，采用多频能量分散方法有助于提高微波加热的温度均匀性，加热过程最大温差降低了26%，且这种均匀性差异还与微波能量的分散程度有关，也充分证明了本研究方法的可行性。