航空先进复合材料微波固化温度场智能监控基础研究

Fiber reinforced polymer composites are increasingly used in aerospace and other fields. Compared with traditional autoclave curing technology, microwave curing technology has many advantages, such as high quality of composite parts, short curing cycles and low energy consumption. However, the uneven standing wave resonance state of the electromagnetic field in the cavity directly results in an uneven temperature field on the surface of composite laminates during curing. This project present an intelligent monitoring and control method for the temperature field of advanced aviation composites during microwave curing process, to break through limitations of existing random compensation methods of the temperature field, reveal the influencing mechanism of composite heating patterns, establish an active temperature field control model based on heating pattern compensation, and propose an intelligent monitoring and control method of the composite temperature field based on deep learning, realizing an active and accurate compensation of the uneven temperature field in the composite microwave curing process, for the sake of providing theoretical and technical supports for the high quality, high efficiency and low energy consumption curing of advanced aviation composite parts.

纤维增强树脂基复合材料在航空航天等领域应用越来越广泛。相比于传统热压罐固化技术，微波固化技术具有成型质量佳、固化周期短、成型能耗低等优势。然而，微波腔体内电磁场以不均匀的驻波谐振状态存在，从本质上导致了固化过程中复合材料表面温度场不均匀的难题。本项目提出航空先进复合材料微波固化温度场智能监控方法，旨在突破现有温度场随机补偿方法的局限，揭示复合材料零件微波固化加热模式影响机理，建立基于加热模式互补的复合材料零件微波固化温度场主动控制模型，提出基于深度学习的复合材料零件微波固化温度场智能监控方法，对复合材料零件微波固化过程中不均匀的温度场进行主动、精确补偿，为航空先进复合材料零件的高质量、高效和低能耗固化成型提供理论和技术支撑。

纤维增强树脂基复合材料轻质高强，是航空航天高端装备减重增效的优选材料。固化是复合材料零件制造的关键。相比于现有传导加热固化方法，微波加热固化方法加热快、控温灵敏、能耗低，有望实现复合材料零件的高质高效固化。但微波在腔体内呈驻波分布，使得复合材料零件表面存在大量冷、热点，易引发固化变形，严重时导致局部欠固化、局部烧蚀。.本项目揭示了微波固化加热模式影响机理，建立了加热模式互补的微波固化温度场主动控制模型，提出了数据驱动的微波固化温度场智能监控方法，对微波固化过程中的冷、热点进行了主动、精确补偿，完成了项目既定目标。.在项目成果应用过程中，进一步接触到碳纤维复合材料零件反射微波、无法被加热的瓶颈问题，并于大量实验探索中意外发现了“金属条带可促进碳纤维复合材料零件”吸波发热的实验现象，进而提出了电磁共振馈能的微波加热新原理，不仅打破了碳纤维复合材料零件不能被微波加热的传统认识，而且实现了碳纤维复合材料零件的微波分区控温。.通过深入研究温度场对固化变形的影响规律，本项目发现即使温度场均匀，在热胀冷缩、固化收缩、模具作用等因素作用下，复合材料零件也会发生固化变形。基于此，突破传统以均匀温度场为目标的思路局限，给出了通过分区温度场对冲复合材料零件固化变形的研究思路，为固化变形控制提供了新的有效途径。.本项目在CEJ、Carbon、CSTE等工程技术领域顶级期刊发表SCI论文13篇，SCI他引60次；申请国家发明专利29项，其中授权25项；受邀在西班牙、英国和匈牙利举办的重要国际学术会议上作大会主题报告3次；项目成果获2021年科学探索奖。.项目负责人2019年获国家自然科学基金杰出青年基金资助，并作为核心成员参与国家自然科学基金创新研究群体项目1项。培养博士后2人，其中1人获国家自然科学基金青年科学基金资助，1人入选江苏省卓越博士后计划；培养博士生8名，其中3人已毕业，2人在南京航空航天大学留校任教，1人任教于西安电子科技大学；培养硕士研究生19人，其中毕业8人。