CN106814009A - 一种碳纤维丝束润湿性能的红外热成像观测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种碳纤维丝束润湿性能的红外热成像观测装置，包括红外热成像仪、数据采集PC、隔离罩、样品夹持装置、液位控制装置，所述液位控制装置为高度可调的升降装置，包括用于放置浸润液体的伸缩式垂直升降平台，固定在隔离罩内腔底部，所述液位控制装置的上方设置有用于固定碳纤维丝束的样品夹持装置，所述隔离罩的一侧相对浸润液体处设置有观察窗，红外热成像仪通过观察窗对碳纤维丝束的润湿性能进行红外热成像观测，同时将采集的数据传输至数据采集PC。本发明还公开了一种碳纤维丝束润湿性能的红外热成像观测方法。本发明实现了碳纤维丝束润湿过程的可视化研究与润湿性能的动态观测，数据准确可靠，操作简易。
Description
技术领域
本发明涉及材料润湿性能检测技术领域，具体是一种实现碳纤维丝束润湿性能可视化研究及动态观测的红外热成像观测装置及方法。
背景技术
碳纤维具有优异的力学、物理、化学等性能，如强度高、模量高、比重小、化学稳定性强等，制备的复合材料被广泛应用于航空航天、武器装备、交通运输和生物医疗等多个领域。
碳纤维复合材料性能与碳纤维和基体材料（树脂、塑料等）之间的界面性能密切相关，如果碳纤维表面的界面性能不佳，则制备的复合材料容易产生气孔缺陷，造成受载时层间应力集中，导致整体力学性能下降。
针对上述出现的问题，需要对碳纤维丝束的润湿性能进行深入***的研究。传统的润湿性能测试方法由于碳纤维丝径过小以及测量工质透明特征，导致在测试润湿性能时操作要求苛刻和润湿边界模糊，实验的可重复性小和误差较大。现有技术中有中国注册专利第200610032344.6号“润湿性能动态测试方法与测试***”中公开了焊料的润湿性能的动态测试方法，提及到纤维的润湿性能的动态评价，但是此发明是根据润湿过程相互作用力的变化以表征润湿性能，无法实现碳纤维丝束润湿过程的可视化研究以及润湿高度的动态测量。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了实现碳纤维丝束润湿过程的可视化研究以及润湿高度的动态测量的碳纤维丝束润湿性能的红外热成像观测装置及方法。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种碳纤维丝束润湿性能的红外热成像观测装置，包括红外热成像仪、数据采集PC、隔离罩、样品夹持装置、液位控制装置，
所述液位控制装置为高度可调的升降装置，包括用于放置浸润液体的伸缩式垂直升降平台，固定在隔离罩内腔底部，所述液位控制装置的上方设置有用于固定碳纤维丝束的样品夹持装置，所述隔离罩的一侧相对浸润液体处设置有观察窗，红外热成像仪通过观察窗对碳纤维丝束的润湿性能进行红外热成像观测，同时将采集的数据传输至数据采集PC。
进一步地，所述红外热成像仪温度范围为-40℃~150℃，采样频率为30Hz~100Hz。
一种基于所述装置的碳纤维丝束润湿性能的红外热成像观测方法，包括步骤：
将碳纤维丝束通过样品夹持装置保持竖直地固定在隔离罩内；
浸润液体由液位控制装置实现升降，控制浸润液体由下至上浸润碳纤维丝束底部0~20mm，红外热成像仪观察并记录碳纤维丝束和浸润液体从开始润湿至完全润湿过程并将数据保存在数据采集计算机；
数据采集计算机采用红外数据分析软件处理润湿高度，得出润湿高度随时间的变化曲线，实现碳纤维丝束润湿过程的可视化研究及润湿性能的动态观测。
进一步地，所述浸润液体为碳纤维复合材料基体，包括树脂、熔融金属。
进一步地，所述碳纤维丝束形状为柱状。
进一步地，所述润湿高度是根据红外热成像仪采集的红外图像中碳纤维丝束6轴向方向温度分布曲线图上的温度突变点经比例法计算而得。
进一步地，所述润湿高度随时间的变化曲线具体为在不同时间点处计算对应润湿高度，从而绘制出碳纤维丝束润湿高度变化曲线。
进一步地，将所述碳纤维丝束固定在隔离罩内之前进行碳纤维集束预处理，包括步骤：
将碳纤维丝束穿过带1mm直径小孔的集束化装置浸入盛满分散剂的容器中，在分散剂中完全分散1~10min后，控制碳纤维丝束缓慢脱离分散剂并通过集束装置集束，集束后的碳纤维丝束经烘干箱烘干后，放入恒温箱中的样品盒保存。
进一步地，所述分散剂为0.1g/100mL~5g/100mL的羧乙基纤维素溶液或去离子水。
本发明主要由红外热成像仪，数据采集PC，以及液位控制装置，样品夹持装置组成的一个完整的碳纤维丝束润湿性能测试装置。红外热成像仪实时记录隔离罩中碳纤维丝束的润湿过程，数据保存在数据采集计算机中。通过样品夹持装置实现碳纤维丝束的竖直浸润，通过液位控制装置控制浸润液位的升降，隔离罩一方面减少了直射光源对实验装置的照射，避免红外摄像仪在测试过程中受到外界环境的影响；另一方面，确保在实验过程中，内部的液体和碳纤维丝束不会受到外界环境，如空气流动等因素的干扰。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
1、本发明克服了传统的润湿性能测试方法操作要求苛刻与润湿边界模糊的缺点，实现了碳纤维丝束润湿过程的可视化与润湿性能的动态测试，具有很强的科研和工程意义。
2、碳纤维的集束性极大地影响了其毛细润湿性能。在观测碳纤维丝束润湿性能之前，对碳纤维丝束进行了集束预处理。保证了丝束的横截面直径的一致性，平均偏差为0.018mm，排除了集束性对观测结果的影响。
3、可从红外观测数据软件导出碳纤维丝束轴向方向上温度分布曲线，如图2所示，曲线上有明显的温度突变点，以该突变点为润湿分界点，可准确计算出润湿高度。根据这一方法，在不同时间点处计算对应润湿高度，将能绘制碳纤维丝束润湿高度变化曲线。
附图说明
图1是本发明的碳纤维丝束润湿性能的红外热成像观测装置示意图。
图2是本发明的红外观测的碳纤维温度分布曲线。
图中所示为：1-红外热成像仪；2-数据采集PC；3-液位控制装置；4-隔离罩；5-浸润液体；6-碳纤维丝束；7-样品夹持装置。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
如图1所示，一种碳纤维丝束润湿性能的红外热成像观测装置，包括红外热成像仪1、数据采集PC2、隔离罩4、样品夹持装置7、液位控制装置3，
所述液位控制装置3为高度可调的升降装置，包括用于放置浸润液体5的伸缩式垂直升降平台，固定在隔离罩4内腔底部，所述液位控制装置3的上方设置有用于固定碳纤维丝束6的样品夹持装置7，所述隔离罩4的一侧相对浸润液体5处设置有观察窗，红外热成像仪1通过观察窗对碳纤维丝束6的润湿性能进行红外热成像观测，同时将采集的数据传输至数据采集PC2。
具体而言，所述红外热成像仪温度范围为-40℃~150℃，采样频率为30Hz~100Hz。
利用碳纤维和树脂的辐射系数的不同，红外热成像对润湿过程的固液边界进行良好的区分，通过观测碳纤维丝束和树脂从开始润湿至完全润湿过程，采用红外数据分析软件处理润湿高度，得出润湿高度随时间的变化规律，即可实现碳纤维丝束润湿过程的可视化研究及润湿性能的动态观测，具体过程为：
一种基于所述装置的碳纤维丝束润湿性能的红外热成像观测方法，包括步骤：
碳纤维集束预处理，将柱状碳纤维丝束6穿过带1mm直径小孔的集束化装置浸入盛满分散剂的容器中，所述分散剂为0.1g/100mL~5g/100mL的羧乙基纤维素溶液或去离子水，在分散剂中完全分散1~10min后，控制碳纤维丝束6缓慢脱离分散剂并通过集束装置集束，集束后的碳纤维丝束6经烘干箱烘干后，放入恒温箱中的样品盒保存；
将碳纤维丝束6通过样品夹持装置7保持竖直地固定在隔离罩4内；
浸润液体5由液位控制装置3实现升降，控制浸润液体5由下至上浸润碳纤维丝束6底部0~20mm，红外热成像仪1观察并记录碳纤维丝束6和浸润液体5从开始润湿至完全润湿过程并将数据保存在数据采集计算机2；
数据采集计算机2采用红外数据分析软件处理润湿高度，得出润湿高度随时间的变化曲线，实现碳纤维丝束润湿过程的可视化研究及润湿性能的动态观测。
具体来说，所述浸润液体5为碳纤维复合材料基体，包括树脂、熔融金属，本实施例采用树脂。
具体来说，如图2所示，所述润湿高度是根据红外热成像仪1采集的红外图像中碳纤维丝束6轴向方向温度分布曲线图上的温度突变点经比例法计算而得，从红外观测数据软件导出碳纤维丝束轴向方向上温度分布曲线，如图2所示，曲线上有明显的温度突变点，以该突变点为润湿分界点，可得出准确的润湿高度，根据这一方法，所述润湿高度随时间的变化曲线具体为在不同时间点处计算对应润湿高度，从而绘制出碳纤维丝束6润湿高度变化曲线。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种碳纤维丝束润湿性能的红外热成像观测装置，其特征在于：包括红外热成像仪（1）、数据采集PC（2）、隔离罩（4）、样品夹持装置（7）、液位控制装置（3），
所述液位控制装置（3）为高度可调的升降装置，包括用于放置浸润液体的伸缩式垂直升降平台，固定在隔离罩（4）内腔底部，所述液位控制装置（3）的上方设置有用于固定碳纤维丝束（6）的样品夹持装置（7），所述隔离罩（4）的一侧相对浸润液体（5）处设置有观察窗，红外热成像仪（1）通过观察窗对碳纤维丝束（6）的润湿性能进行红外热成像观测，同时将采集的数据传输至数据采集PC（2）。
2.根据权利要求1所述的红外热成像观测装置，其特征在于：所述红外热成像仪温度范围为-40℃~150℃，采样频率为30Hz~100Hz。
3.一种基于权利要求1至2任一项所所述装置的碳纤维丝束润湿性能的红外热成像观测方法，其特征在于，包括步骤：
将碳纤维丝束（6）通过样品夹持装置（7）保持竖直地固定在隔离罩（4）内；
浸润液体（5）由液位控制装置（3）实现升降，控制浸润液体（5）由下至上浸润碳纤维丝束（6）底部0~20mm，红外热成像仪（1）观察并记录碳纤维丝束（6）和浸润液体（5）从开始润湿至完全润湿过程并将数据保存在数据采集计算机（2）；
数据采集计算机（2）采用红外数据分析软件处理润湿高度，得出润湿高度随时间的变化曲线，实现碳纤维丝束润湿过程的可视化研究及润湿性能的动态观测。
4.根据权利要求3所述的红外热成像观测方法，其特征在于：所述浸润液体（5）为碳纤维复合材料基体，包括树脂、熔融金属。
5.根据权利要求3所述的红外热成像观测方法，其特征在于：所述碳纤维丝束（6）形状为柱状。
6.根据权利要求3所述的红外热成像观测方法，其特征在于：所述润湿高度是根据红外热成像仪（1）采集的红外图像中碳纤维丝束（6）轴向方向温度分布曲线图上的温度突变点经比例法计算而得。
7.根据权利要求6所述的红外热成像观测方法，其特征在于：所述润湿高度随时间的变化曲线具体为在不同时间点处计算对应润湿高度，从而绘制出碳纤维丝束（6）润湿高度变化曲线。
8.根据权利要求6所述的红外热成像观测方法，其特征在于，将所述碳纤维丝束（6）固定在隔离罩（4）内之前进行碳纤维集束预处理，包括步骤：
将碳纤维丝束（6）穿过带1mm直径小孔的集束化装置浸入盛满分散剂的容器中，在分散剂中完全分散1~10min后，控制碳纤维丝束（6）缓慢脱离分散剂并通过集束装置集束，集束后的碳纤维丝束（6）经烘干箱烘干后，放入恒温箱中的样品盒保存。
9.根据权利要求8所述的红外热成像观测方法，其特征在于：所述分散剂为0.1g/100mL~5g/100mL的羧乙基纤维素溶液或去离子水。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170609 |