ERHC方法固化聚合物基复合材料的研究（一）

固化过程通常是聚合物基复合材料（PMC)成型过程中的关键一步。传统的烤箱加热固化(OHC)方法存在许多挑战，如固化周期长、高能耗和高成本。电阻加热固化(ERHC)方法可以对特定区域进行定向加热，这有可能实现均匀固化并最大限度地减少整体能源需求。

因此，ERHC方法对制备低能耗和高质量PC具有重要的应用价值。在本综述中，我们首先简要介绍了ERHC的加热机制。然后，根据用于ERHC的不同形式的电加热元件，ERHC方法分为三种类型：纤维、填料和膜片。随后，总结了三种电加热元件的制备方法。最后，通过分析和比较，获得了ERHC的优势。

1、引言

聚合物基复合材料(PMC)因其重量轻、比强度高、可设计性强的优点，在特殊和恶劣的情况下被广泛使用。PMC的最终性能与成型过程密不可分。固化过程对材料的制备周期和成本有影响，同时也对材料的性能有影响，而材料的性能对PC的成型过程是必不可少的。

传统（高压灭菌器）加热固化 (OHC) 方法基于对流传导相互作用加热过程，通常是一个漫长的过程，并伴随着低能效。由于无论准备材料的大小和形状如何，整个容器体积都需要加热，因此热量流将逐层转移到多个隔热屏障上。

因此，能量损失将随着材料结构的复杂性和尺寸的规模而增加，导致加热效率低下。此外，对于一定厚度的材料，首先接触加热层的外层材料将比内层固化得更快。它最终会导致微裂纹和变形材料。总的来说，传统的OHC方法存在许多问题，例如产生长固化周期、高能耗、不可避免的温度梯度大残余应力引起的固化不均匀、高投资和运营成本。为了突破OHC加工周期和产品性能缺陷的局限性，提出新的固化方法是最佳选择之一。

与传统的OHC方法相比，微波加热固化(MHC)、辐射固化(RC)、电阻加热固化(RHC)和其他新的固化方法都可以有效地缩短固化周期并降低能耗。应该注意的是，在MHC固化过程中，MHC的均匀性取决于电磁场。不均匀的电磁场将导致不均匀的辐射穿透深度现象，这将沿复合材料的厚度方向产生温差，无法实现均匀固化。此外，MHC对树脂和固化剂极性基的选择性同样会影响加热效果。换句话说，普遍性很差。此外，高放射性也存在潜在风险。

除了上述方法外，最近使用高导电性金属材料或具有优导电性的非金属材料作为固化耐热元件，可以对特定区域进行有针对性的加热，从而使加热固化过程更简单、更方便，并有可能最大限廈地减少整体能源需求。但在某些情况下，金属加热元件存在电热转换效率低和外壳疲劳的问题。相关研究发现，使用铜网进行电阻固化会导致材料的层间剪切强度降低，这与预浸料的层间空隙有关。大量空隙的存在导致材料均匀性的破坏，并使材料更容易发生故障。

为了克服上述固化方法的局限性，最近使用具有出色导电性和优异导电网络的非金属材料作为原材料，为固化研究制作不同形式的电阳加热元件，如碳纳米管、石墨烯、碳纤维等。县体来说，它可以分为三种类型：纤维材料、填料和膜片材料。图1显示了由不同材料制成的不同形式的电加热元件，用于固化复合材料。上述固化方法不仅具有针对不同结构材料或特定区域进行定向加热的优点，而且具有最大限度地减少整体能耗的潜力。金属材料作为复合材料固化中的电阻加热元件，回顾了近年来用ERHC方法形成复合材料的研究进展。总结了电加热法的加热机理、ERHC电加热元件的制备方法以及ERHC制备复合材料的优点，目的是提高对使用ERHC制备复合材料的理解。

图1 不同方法用于聚合物复合材料固化成型

2.电阻加热固化的基本机理和步骤

固化过程与温度、压力和时间密切相关。ERHC方法主要利用电能和热量的转换来满足固化加热要求。ERHC的基本加热机制主要是通过将电流应用于电阻材料，然后材料的电阻产生“焦耳加热（欧姆加热或电阻加热）”效应，即自由电子在外部电场的作用下产生定向运动。当传导电子通过碰撞时，能量可以转移到预制件的原子中，热量以微小的规模产生，并将能量转移到预制件上，从而提高预制件的温度以达到加热效果。图2简要说明了电阻加热的原理。外部电源施加的电压。由于导电材料是电加热元件的核心。由于不同材料的电阻不同，聚合物基质的导电性必须高于一定范围才能适合电加热。因此，根据元素本身的材料、形状和尺寸，加热器可以分为三种类型：纤维类型、填料类型和膜片类型。外部电源施加的电流直接在光纤、填充网络和膜片网络内传输，并根据电阻材料固有的电性能产生焦耳加热电位。产生的热量可以根据实际需要为不同结构和形式的复合材料的固化提供直接热源。

图2 电阻加热原理

根据焦耳定律，加热器产生的热量与电流有关。电流的变化将带来温度的变化。通过调整电流大小，可以控制聚合物在低温（低电流）下流入微观结构，然后在高温（高电流）下固化聚合物。在相同的其他条件下，加热器可以达到的稳态温度由输入功率直接决定。当元

件的电阻较小或施加电压大时，可实现的稳态因此，值得注意的是，复合固化加热器正常有效运行的一个重要先决条件是确保有一个完整的导电电路。

一般来说，一个完整的ERHC 工艺系统需要设置加热元件、电极、电源、电缆、热电偶、温度记录仪、红外成像仪、控制系统和其他必要组件，以实现有效的电阳加热过程。组件之间的联系如图3所示.

ERHC工艺系统可以分为两部分：电阻加热系统和温度热成像系统。在电阻加热系统中，加热元件连接到电极堆栈，以确保电流有效通过整个加热元件，最大限度地扩大加热元件的整体热生产范围，并允许加热元件充分利用自己的性能，以实现更均匀和同步的加热效果。在电极和组件之间涂抹均匀的银膏，以减少它们之间的接触电阻。热电偶的一端。通过电线连接到加热元件和复合材料以监测实时温度，另一端直接连接到温度控制系统进行实时温度反馈。温度控制系统的另一端直接连接到外部电源，以根据温度反馈调整设定的电压并记录电流。在温度热成像系统中，使用红外成像仪实时监测和观察ERHC 过程的温度场并连接到计算机，通过计算和分析夹计算和控制样品的加热速率。也就是说，加热器数量，加热器和电极位置等因素也会影响复合材料的固化效果。

图3 组件之间的联系

用于复合固化的不同类型的加热器之间存在细微的差异。因此，加热元件的存在形式和制备方法是促进电阻加热方法的重要组成部分复合固化的发展。因此，我们将在下一节中总结不同类型的电加热元件的制备方法。

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