多頻能量分散的CFRP 層合板微波固化溫度場控制方法*

王 攀，郭嘉煒，周 靖，郝小忠

（南京航空航天大學，南京 210016）

碳纖維增強樹脂基復合材料（Carbon fiber reinforced polymer，CFRP）因其比強度高、比模量大、耐腐蝕等一系列優越性能，一經問世就受到各行各業尤其是航空航天領域的廣泛關注[1–4]。自1980 年F–18 使用復合材料機翼以來，國內外新研制的殲擊機機翼甚至機身段全部采用先進復合材料，占結構重量的25%～50%[5]，代表我國先進戰機的殲–20 復合材料用量也達到了20%。當代民用客機的代表，波音787 和空客A350 客機的復合材料用量比例分別達到了50%和52%[6–7]，復合材料用量逐漸增大使得新型大飛機的重量減輕，綜合性能提升?？梢姀秃喜牧系挠昧恳殉蔀樵u價飛機先進性和國家科技發展水平的重要標志[8–9]。

CFRP 構件的制造過程包括賦形、固化、加工和裝配等，其中固化是影響零件成型質量和力學性能的關鍵[10]。與傳統的傳導加熱固化方法相比，微波加熱固化方法具有控溫靈敏、固化周期短、能量利用率高等優勢。作為一種新型固化手段，近30 年來，在復合材料領域發展迅速，被越來越多的研究者重視[11]。然而，微波固化技術也面臨若干挑戰。如多向CFRP 層合板與空氣阻抗不匹配，使其對微波全反射，能量無法饋入，在這個方面，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]，處在波腹和波節位置的材料由于能量密度的高低分布，導致被加熱材料會形成冷、熱點，溫度不均勻，構件易變形，嚴重時甚至發生燒蝕或固化不完全。圍繞復合材料微波固化溫度場控制，國內外學者開展了大量研究。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]引入了周期性運動的旋轉托盤增加微波場與被加熱物體的相對運動，Tang 等[16]利用選頻的方法獲得較優頻率以改善溫度場分布，上述方法均屬于溫度場隨機補償方法，在腔體內加入模式攪拌器或旋轉托盤提高了在圓周方向的溫度均勻性，選頻的方法對于固定的加熱物體有較好的效果，但對于旋轉的徑向以及不同的物體其隨機程度還有待提高。2018 年，Zhou 等[17]發現在溫度和固化度不變時，同一微波加熱系統的微波控制策略與CFRP 層合板表面的加熱模式間存在固定對應關系，從而提出了加熱模式互補的思想。Li 等[18]進一步提出了基于歷史數據和深度學習的復合材料微波固化溫度場控制方法，采用數據驅動的方法擬合加熱模式和微波控制策略間的固定對應關系。針對固化過程中溫度或固化度時刻變化，加熱模式和微波控制策略間對應關系不斷演變的問題，Zhou 等[19]于2019 年提出了在線學習和在線決策的微波固化溫度場智能控制方法。上述方法屬于溫度場定向補償方法，取得了較好的溫度場控制效果，但受復合材料固化條件的制約，還需伴隨高精度接觸式面測溫方法一起發展。

本研究針對CFRP 預制件微波加熱固化溫度場不均勻的問題，結合超表面饋能的特點，提出了多頻能量分散的CFRP 層合板微波固化溫度場控制方法，并基于915 MHz 和2.45 GHz 兩種頻率進行了微波加熱試驗驗證。通過分析不同頻率微波作用下CFRP 層合板溫度場的分布規律，利用超表面的可設計性，設計了雙頻超表面，驗證了雙頻微波加熱下CFRP 層合板的溫度均勻性，并與現有單頻加熱方法進行了對比。

1 不同頻率分別作用下溫度場的分布規律

CFRP 作為一種典型的非磁性材料，在微波加熱的過程中會吸收大量的電場能量，并將其轉化為熱能，實現內熱源加熱的目的。然而，駐波帶來的加熱不均勻的問題，導致微波加熱固化CFRP 的技術一直難以工業應用。駐波與頻率相關，因此不同頻率微波源作用下溫度場的分布規律不同，本節通過2.45 GHz（高頻）和915 MHz（低頻）的微波源分別對CFRP 層合板進行加熱，探索高頻和低頻微波加熱溫度場的分布規律。

試驗設備為八邊形雙頻高性能微波加熱系統，如圖1（a）所示。該系統集成了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，還配備了光纖測溫系統（北京東方銳擇有限公司）和紅外測溫系統（FLIR A300）。圖1（b）和（c）分別為915 MHz 和2.45 GHz 的超表面實物。

圖1 試驗裝置及超表面實物材料Fig.1 Experimental apparatus and metasurface material

采用的材料為碳纖維增強環氧樹脂基復合材料CFRP層合板，尺寸為250 mm×250 mm×2 mm （UIN10000，威海光威復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 構件表面溫度場，可明顯觀察到在整個升溫過程中，面內冷、熱點的位置始終未發生變化，冷點和熱點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，整個過程中面內冷、熱點的位置分布基本無變化，冷、熱點的光斑較小且相對分散。

圖3 915 MHz 微波加熱CFRP 層合板表面的溫度場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Fig.4 Temperature field on surface of CFRP laminates heated by 2.45 GHz microwave

根據試驗得到不同頻率微波源作用下CFRP 層合板溫度場的分布規律為： （1）給定微波源頻率下，整個加熱過程中冷、熱點的位置保持不變； （2）低頻微波加熱時，冷、熱點位置相對集中且光斑較大，高頻微波加熱時，冷、熱點位置相對分散且光斑較小。

2 多頻微波能量分散的溫度場控制思路

微波加熱CFRP 構件的過程中，由于駐波的存在，波腹和波節的位置能量密度高低分布，加熱過程中冷、熱點始終存在且位置基本不發生改變，對于高頻的微波源加熱時冷、熱斑點小且相對分散，低頻冷、熱點大而集中。因此，將一個頻率的微波能量分散到多個頻率上，弱化單個頻率下駐波的影響，利用多個頻率駐波間的疊加效應，結合CFRP 構件的傳熱特點，進行冷、熱點之間的溫度場自動補償，是一種潛在的面內溫度均勻性控制方法。

由于雙向或多向鋪層的CFRP 層合板進行微波加熱時，需要通過超表面將微波能量饋入到CFRP 內部，且一種超表面結構僅會在對應頻率的微波下有較強的加熱效果。因此，利用超表面的可設計性以及不同頻率微波加熱的溫度場分布特點，可以設計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，實現多頻能量分散的CFRP 構件微波固化的溫度場均勻性控制，如圖5 所示。

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

3 多頻超表面的設計

利用超表面的可設計性，可以將不同頻率的超表面按一定的規律組合，形成多頻超表面，實現對多個頻率微波能量的響應。設計多頻超表面時，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構單元被其他頻率結構單元分散的程度，從而使得多種頻率間因駐波產生的冷、熱點得到充分的疊加和補償。

本研究主要利用915 MHz 和2.45 GHz 兩種頻率對應的超表面在縱向和橫向的不同排布來探究這種能量分散程度的關系，以1 ℃/min 加熱10 min 后CFRP 層合板紅外圖像的溫度場分布來表征加熱效果。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、熱區域分布明顯，疊加效應不足，冷、熱點之間的補償效果不夠充分。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）進一步將2.45 GHz 的超表面進行分散，圖6（h）中冷、熱點的區域有明顯的改善，但仍存在大片的冷、熱區域；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個單元；圖6（j）和（l）中溫度場分布得到較好的改善，冷、熱點區域得到有效的疊加和補償，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分布Fig.6 Different arrangement schemes and temperature field distribution of dual-frequency supersurface

根據以上試驗結果可得，微波能量的分散程度對冷、熱點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。為驗證在CFRP 層合板固化過程中該方法的有效性，選擇了圖6（c）、（i）和（k）中3 種典型的結構，設計了“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結構單元，其不同頻率微波能量分散程度依次提高，進行對比驗證。根據超表面的特點，對于尺寸更大的CFRP 構件只需要將該結構單元進行周期性排列。對照方案為常用的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計方案及對照Fig.7 Three typical dual-frequency metasurface designs and comparison

4 雙頻微波加熱溫度均勻性驗證

本節對3 種不同能量分散形式的雙頻超表面設計方案進行了微波加熱驗證，以CFRP 層合板面內溫度的最大溫差和整個加熱過程的面內均方差為評價標準，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行了對比。

4 組試驗均從室溫升到120 ℃，保溫30 min，升溫工藝曲線如圖8 所示，控溫基準是面內平均溫度。選取CFRP 層合板面內均勻分布的9 個點，通過提取整個升溫以及保溫過程中9 個點的實際溫度值，并計算其溫差和均方差，對微波固化過程的溫度均勻性進行分析。

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

圖9 展示了不同方案在整個微波加熱過程中CFRP層合板面內9 個采溫點的實際溫度曲線，溫度采樣周期為0.1 s，以表示面內溫度分布。從圖9（a）中可以看出，單頻微波加熱過程中面內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，且加熱過程中還存在較大的波動。

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

圖10（a）和（b）分別為加熱過程中CFRP 層合板的面內溫差和均方差隨時間的變化圖。由10（a）可知，隨著溫度的逐漸上升，材料面內溫差被迅速拉大。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于“U”型，“回”型的效果相對較差，產生這種差異的原因與微波能量的分散程度有關，且能量越分散對微波加熱的溫度均勻性越好；隨著保溫過程的進行，溫差逐漸縮小，這是由于熱點與冷點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，多頻能量分散加熱的方法相對于單頻加熱方法溫度均勻性有顯著提升。圖11 為整個過程中溫差最大值的統計圖，采用雙頻能量分散方法得到的最大溫差小于CFRP 構件單頻微波加熱方法，且最大溫差降低了26 %。

圖10 整個過程中CFRP 層合板面內溫度均勻性對比Fig.10 Comparison of in-plane temperature uniformity of CFRP laminates during whole process

圖11 整個過程中不同方案的最大溫差統計圖Fig.11 Statistical diagram of maximum temperature difference of different schemes in whole process

5 結論

（1）提出了多頻能量分散的CFRP 層合板微波固化溫度場控制方法，利用多種頻率駐波間的疊加效應，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）微波加熱過程的溫度場分布規律，低頻加熱時冷、熱點位置相對集中且光斑較大，高頻微波加熱時，冷、熱點位置相對分散且光斑較小。

（3）設計了雙頻超表面并利用915 MHz 與2.45 GHz雙頻微波源進行試驗驗證，結果表明，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，也充分證明了本研究方法的可行性。