固化過(guò)程通常是聚合物基復(fù)合材料（PMC)成型過(guò)程中的關(guān)鍵一步。傳統(tǒng)的烤箱加熱固化(OHC)方法存在許多挑戰(zhàn)，如固化周期長(zhǎng)、高能耗和高成本。電阻加熱固化(ERHC)方法可以對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行定向加熱，這有可能實(shí)現(xiàn)均勻固化并最大限度地減少整體能源需求。

因此，ERHC方法對(duì)制備低能耗和高質(zhì)量PC具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在本綜述中，我們首先簡(jiǎn)要介紹了ERHC的加熱機(jī)制。然后，根據(jù)用于ERHC的不同形式的電加熱元件，ERHC方法分為三種類(lèi)型：纖維、填料和膜片。隨后，總結(jié)了三種電加熱元件的制備方法。最后，通過(guò)分析和比較，獲得了ERHC的優(yōu)勢(shì)。

1、引言

聚合物基復(fù)合材料(PMC)因其重量輕、比強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在特殊和惡劣的情況下被廣泛使用。PMC的最終性能與成型過(guò)程密不可分。固化過(guò)程對(duì)材料的制備周期和成本有影響，同時(shí)也對(duì)材料的性能有影響，而材料的性能對(duì)PC的成型過(guò)程是必不可少的。

傳統(tǒng)（高壓滅菌器）加熱固化 (OHC) 方法基于對(duì)流傳導(dǎo)相互作用加熱過(guò)程，通常是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，并伴隨著低能效。由于無(wú)論準(zhǔn)備材料的大小和形狀如何，整個(gè)容器體積都需要加熱，因此熱量流將逐層轉(zhuǎn)移到多個(gè)隔熱屏障上。

因此，能量損失將隨著材料結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和尺寸的規(guī)模而增加，導(dǎo)致加熱效率低下。此外，對(duì)于一定厚度的材料，首先接觸加熱層的外層材料將比內(nèi)層固化得更快。它最終會(huì)導(dǎo)致微裂紋和變形材料。總的來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的OHC方法存在許多問(wèn)題，例如產(chǎn)生長(zhǎng)固化周期、高能耗、不可避免的溫度梯度大殘余應(yīng)力引起的固化不均勻、高投資和運(yùn)營(yíng)成本。為了突破OHC加工周期和產(chǎn)品性能缺陷的局限性，提出新的固化方法是最佳選擇之一。

與傳統(tǒng)的OHC方法相比，微波加熱固化(MHC)、輻射固化(RC)、電阻加熱固化(RHC)和其他新的固化方法都可以有效地縮短固化周期并降低能耗。應(yīng)該注意的是，在MHC固化過(guò)程中，MHC的均勻性取決于電磁場(chǎng)。不均勻的電磁場(chǎng)將導(dǎo)致不均勻的輻射穿透深度現(xiàn)象，這將沿復(fù)合材料的厚度方向產(chǎn)生溫差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)均勻固化。此外，MHC對(duì)樹(shù)脂和固化劑極性基的選擇性同樣會(huì)影響加熱效果。換句話說(shuō)，普遍性很差。此外，高放射性也存在潛在風(fēng)險(xiǎn)。

除了上述方法外，最近使用高導(dǎo)電性金屬材料或具有優(yōu)導(dǎo)電性的非金屬材料作為固化耐熱元件，可以對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行有針對(duì)性的加熱，從而使加熱固化過(guò)程更簡(jiǎn)單、更方便，并有可能最大限廈地減少整體能源需求。但在某些情況下，金屬加熱元件存在電熱轉(zhuǎn)換效率低和外殼疲勞的問(wèn)題。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，使用銅網(wǎng)進(jìn)行電阻固化會(huì)導(dǎo)致材料的層間剪切強(qiáng)度降低，這與預(yù)浸料的層間空隙有關(guān)。大量空隙的存在導(dǎo)致材料均勻性的破壞，并使材料更容易發(fā)生故障。

為了克服上述固化方法的局限性，最近使用具有出色導(dǎo)電性和優(yōu)異導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的非金屬材料作為原材料，為固化研究制作不同形式的電陽(yáng)加熱元件，如碳納米管、石墨烯、碳纖維等。縣體來(lái)說(shuō)，它可以分為三種類(lèi)型：纖維材料、填料和膜片材料。圖1顯示了由不同材料制成的不同形式的電加熱元件，用于固化復(fù)合材料。上述固化方法不僅具有針對(duì)不同結(jié)構(gòu)材料或特定區(qū)域進(jìn)行定向加熱的優(yōu)點(diǎn)，而且具有最大限度地減少整體能耗的潛力。金屬材料作為復(fù)合材料固化中的電阻加熱元件，回顧了近年來(lái)用ERHC方法形成復(fù)合材料的研究進(jìn)展。總結(jié)了電加熱法的加熱機(jī)理、ERHC電加熱元件的制備方法以及ERHC制備復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)，目的是提高對(duì)使用ERHC制備復(fù)合材料的理解。

圖1 不同方法用于聚合物復(fù)合材料固化成型

2.電阻加熱固化的基本機(jī)理和步驟

固化過(guò)程與溫度、壓力和時(shí)間密切相關(guān)。ERHC方法主要利用電能和熱量的轉(zhuǎn)換來(lái)滿足固化加熱要求。ERHC的基本加熱機(jī)制主要是通過(guò)將電流應(yīng)用于電阻材料，然后材料的電阻產(chǎn)生“焦耳加熱（歐姆加熱或電阻加熱）”效應(yīng)，即自由電子在外部電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)傳導(dǎo)電子通過(guò)碰撞時(shí)，能量可以轉(zhuǎn)移到預(yù)制件的原子中，熱量以微小的規(guī)模產(chǎn)生，并將能量轉(zhuǎn)移到預(yù)制件上，從而提高預(yù)制件的溫度以達(dá)到加熱效果。圖2簡(jiǎn)要說(shuō)明了電阻加熱的原理。外部電源施加的電壓。由于導(dǎo)電材料是電加熱元件的核心。由于不同材料的電阻不同，聚合物基質(zhì)的導(dǎo)電性必須高于一定范圍才能適合電加熱。因此，根據(jù)元素本身的材料、形狀和尺寸，加熱器可以分為三種類(lèi)型：纖維類(lèi)型、填料類(lèi)型和膜片類(lèi)型。外部電源施加的電流直接在光纖、填充網(wǎng)絡(luò)和膜片網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸，并根據(jù)電阻材料固有的電性能產(chǎn)生焦耳加熱電位。產(chǎn)生的熱量可以根據(jù)實(shí)際需要為不同結(jié)構(gòu)和形式的復(fù)合材料的固化提供直接熱源。

圖2 電阻加熱原理

根據(jù)焦耳定律，加熱器產(chǎn)生的熱量與電流有關(guān)。電流的變化將帶來(lái)溫度的變化。通過(guò)調(diào)整電流大小，可以控制聚合物在低溫（低電流）下流入微觀結(jié)構(gòu)，然后在高溫（高電流）下固化聚合物。在相同的其他條件下，加熱器可以達(dá)到的穩(wěn)態(tài)溫度由輸入功率直接決定。當(dāng)元

件的電阻較小或施加電壓大時(shí)，可實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)態(tài)因此，值得注意的是，復(fù)合固化加熱器正常有效運(yùn)行的一個(gè)重要先決條件是確保有一個(gè)完整的導(dǎo)電電路。

一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)完整的ERHC 工藝系統(tǒng)需要設(shè)置加熱元件、電極、電源、電纜、熱電偶、溫度記錄儀、紅外成像儀、控制系統(tǒng)和其他必要組件，以實(shí)現(xiàn)有效的電陽(yáng)加熱過(guò)程。組件之間的聯(lián)系如圖3所示.

ERHC工藝系統(tǒng)可以分為兩部分：電阻加熱系統(tǒng)和溫度熱成像系統(tǒng)。在電阻加熱系統(tǒng)中，加熱元件連接到電極堆棧，以確保電流有效通過(guò)整個(gè)加熱元件，最大限度地?cái)U(kuò)大加熱元件的整體熱生產(chǎn)范圍，并允許加熱元件充分利用自己的性能，以實(shí)現(xiàn)更均勻和同步的加熱效果。在電極和組件之間涂抹均勻的銀膏，以減少它們之間的接觸電阻。熱電偶的一端。通過(guò)電線連接到加熱元件和復(fù)合材料以監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)溫度，另一端直接連接到溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度反饋。溫度控制系統(tǒng)的另一端直接連接到外部電源，以根據(jù)溫度反饋調(diào)整設(shè)定的電壓并記錄電流。在溫度熱成像系統(tǒng)中，使用紅外成像儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和觀察ERHC 過(guò)程的溫度場(chǎng)并連接到計(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算和分析夾計(jì)算和控制樣品的加熱速率。也就是說(shuō)，加熱器數(shù)量，加熱器和電極位置等因素也會(huì)影響復(fù)合材料的固化效果。

圖3 組件之間的聯(lián)系

用于復(fù)合固化的不同類(lèi)型的加熱器之間存在細(xì)微的差異。因此，加熱元件的存在形式和制備方法是促進(jìn)電阻加熱方法的重要組成部分復(fù)合固化的發(fā)展。因此，我們將在下一節(jié)中總結(jié)不同類(lèi)型的電加熱元件的制備方法。

此文由中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)翻譯，文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請(qǐng)注明出處。