CN110927044A - 纤维增强复合材料预制件面外渗透率的测试装置和测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维增强复合材料预制件面外渗透率的测试装置和测试方法，该测试装置包括螺杆、十字钢架、定位柱、超声接受装置、压力表、超声发射装置、下模支撑板、下模板、模腔厚度支架、上模板、测量表、螺杆安装板，上模板中心处安装超声接收装置，同时上模板靠近中心开有抽气孔，下模板的中心开有一个注入孔，注入孔连接进油的软管，在进油的软管上安装有一个压力表；该测试方法包括步骤1、测试操作过程；步骤2、面外渗透率计算：根据面外渗透率计算公式计算得到面外渗透率。本发明的技术效果是：能够测量复合材料厚度方向的渗透率，准确反映复合材料的浸润效果，提高复合材料液态模型成型的质量。

Description

纤维增强复合材料预制件面外渗透率的测试装置和测试方法

技术领域

本发明属于渗透率测试技术领域，具体涉及一种复合材料预制件面外渗透率的测试装置和测试方法。

背景技术

复合材料液体模塑成型技术是指将液态聚合物注入铺有纤维预成型体的闭合模腔中，或加热熔化预先放入模腔内的树脂膜，液态聚合物在流动充模的同时完成树脂/纤维的浸润并经固化成型为制品。该工艺技术是先进复合材料低成本的主要发展方向，具有能制造出具有良好表面品质的、高精度的复杂构件，原材料及能源消耗少等优点，但是由于在成型的过程中，常有浸润不够理想和模塑过程中树脂的流动不均衡等情况出现，这常常与注入口和溢料口的位置、纤维织物的渗透性有关。为了改善RTM注射时模腔内树脂的流动性、浸润性，更好的排尽气泡，出现了一些新工艺：在腔内抽真空，再用注射机注入树脂；或者仅靠型腔真空造成的内外压力差注入树脂。但这些工艺上缺乏液态聚合物渗透率的测试手段，无法判断液态聚合物的浸润效果。

本申请所述的面外渗透率是指复合材料厚度方向的渗透率。目前,一般用达西(Darcy)定律描述各类增强材料及预型件中的液体流动渗透过程。达西定律是流体经过多孔介质的典型基本方程，即：

其中，v为液体在介质中的平均流动速度，k为多孔介质的渗透张量，μ为流体的黏度，Δp为流动前沿与注入口之间的压力差。而k又分为坐标轴X方向的主渗透率kx、Y方向的主渗透率ky、Z方向的主渗透率kz，此处的kz即为面外渗透率。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种纤维增强复合材料预制件面外渗透率的测试装置，它能准确预测复合材料的浸润缺陷，完善复合材料液态模型成型工艺。本发明还提供一种使用该测试装置测试复合材料预制件面外渗透率的方法。

为了解决上述技术问题：

本发明提供的一种纤维增强复合材料预制件面外渗透率的测试装置，包括螺杆、十字钢架、定位柱、超声接受装置、压力表、超声发射装置、下模支撑板、下模板、模腔厚度支架、上模板、测量表、螺杆安装板；

螺杆安装板为圆形金属板，螺杆安装板的下表面与下模支撑板之间均匀设置有四个定位柱，螺杆配合螺杆安装板中心的螺纹孔，螺杆下端连接十字钢架，十字钢架的支杆端头由套筒滑动套接在定位柱上，十字钢架下方固定上模板，上模板中心处安装超声接收装置，同时上模板靠近中心开有抽气孔，测量表装在十字钢架支杆端头的套管上；

上模板和下模板平行放置，上模板的大小和位置与模腔厚度支架的内腔相匹配，上模板柱面下方的凹槽内套有相应大小的密封圈；

模腔厚度支架为圆筒形框架，对中布置于下模板上，下模板的中心开有一个注入孔，注入孔连接进油的软管，在进油的软管上安装有一个压力表；下模板与模腔厚度支架构成模腔，下模板和模腔厚度支架分别固定于下模支撑板上，超声发射装置内嵌于下模板支撑板中央。

本发明提供的一种使用上述测试装置测试复合材料预制件面外渗透率的方法，包括以下步骤：

步骤1、测试操作过程：

1)、将预制件裁剪成方形块，并用胶带将预制件方形块边缘锁边；

2)、将模腔用酒精布擦拭干净，保证腔内无油脂或杂质；对软管进行检查，保证软管通畅无杂质；

3)、将超声发射装置和超声接收装置分别安装在对应位置，并将超声探头用数据线缆与超声设备连接；

4)、真空泵用软管与缓冲罐入口连接，缓冲罐出口与测试装置上模板上的抽气孔用软管进行连接，测试装置的注入孔与压力表下端一侧用直径较小的软管连接，并在压力表下端另一侧外接软管作为进油软管；

5)、调节螺杆，观察测量表，使上模板移动至距离下模板10mm位置处固定不动；将连接压力表的进油软管用燕尾夹夹紧，随后打开真空泵，观察压力表示数变化，当压力表示数达到-95kPa以下，并趋于稳定，则认为测试装置气密性良好，可进行渗透率测试实验；

6)、松开燕尾夹，通过调节螺杆抬升上模板脱离模腔厚度支架的模腔，将裁剪称量好的预制件铺设在模腔厚度支架的模腔中，调节螺杆使得上模板与预制件紧密贴合，使测量表的示数接近预设的厚度值H，差1mm到2mm为宜；

7)、再用燕尾夹夹住压力表的进油软管，然后打开真空泵，使腔内压强达到-95Kpa以下，当达到某一稳定值时记录该稳定压强。轻微调节螺杆使上模板继续下降，使得测量表示数达到预设的厚度值H；

8)、打开超声设备和计算机，超声设备设置输入信号为1周期汉宁窗调制信号，频率为100kHz，周期为1，采样点为10000，并调节超声装置使接收信号达到稳定值；打开计算机中的数据采用软件，保存输入信号，将信号采集间隔设置为100ms，随后点击保存输出信号，计算机开始记录输出信号；

9)、将进油软管的端口放入烧杯内液面以下，打开燕尾夹；

10)、当液态聚合物浸润到预制件最上层时停止试验，并将进油管从烧杯中取出，关闭真空泵，测试操作完成；

步骤2、面外渗透率计算：

1)、计算机将提取的信号用MATLAB软件进行处理分析，得到流动前锋位移距离与时间的关系，并绘制成图；

2)、根据面外渗透率计算公式：

式中，η为植物油粘度，Φ为空隙率，Z_f为流动前峰位置，m为流体质量，ρ为流体密度，R₀为注射孔半径；r_f为扩散前锋球面半径，ΔP是流动前锋和注入口的压力差，t是流动时间，K_e是扩散前锋球面半径r_f处的有效渗透率，K_z是Z轴方向的渗透率；

计算得到面外渗透率。

本发明利用流动超声波技术，一方面不用嵌入传感器到预制件内，与待测材料不直接接触，传感器也可反复使用，不会影响液态聚合物在预型件中的流动渗透行为；另一方面在复合材料加工过程中，当液态聚合物注入预制件中时，能利用流动超声波技术间接测出厚度方向的流动前锋位置，从而算出厚度方向的渗透率，获得面外渗透率。

本发明的技术效果是：能够测量复合材料厚度方向的渗透率，准确反映复合材料的浸润效果，提高复合材料液态模型成型的质量。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明的面外渗透率测试装置结构示意图；

图2为图1中十字钢架、上模板等的装配示意图；

图3为图1中下模板与模腔厚度支架的装配示意图；

图4为本发明测试装置与配合使用部件的连接图。

图中，1、螺杆；2、十字钢架；3、定位柱；4、超声接受装置；5、密封圈；6、压力表；7、超声发射装置；8、下模支架；9、下模支撑板；10、下模板；11、模腔厚度支架；12、上模板；13、测量表；14、螺杆安装板；15、真空泵；16、缓冲罐；17、烧杯；18、测试装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，本实施例的测试装置包括螺杆1、十字钢架2、定位柱3、超声接受装置4、压力表6、超声发射装置7、下模支撑板9、下模板10、模腔厚度支架11、上模板12、测量表13、螺杆安装板14；

如图1和图2所示，螺杆安装板14为圆形金属板，螺杆安装板14的下表面与下模支撑板9之间均匀设置有四个定位柱3，螺杆1配合螺杆安装板14中心的螺纹孔，螺杆1下端连接十字钢架2，十字钢架2的支杆端头由套筒滑动套接在定位柱3上，十字架钢架2下方通过螺钉固定上模板12，上模板12中心处安装超声接收装置4，同时上模板12靠近中心开有抽气孔，为了准确测量预制体成型后厚度，测量表13装在十字钢架2支杆端头的套管上，能随上模板的上下移动而移动。

上模板12采用透明材料制作，上模板12和下模板10平行放置，上模板12的大小和位置与模腔厚度支架11的内腔相匹配，上模板12柱面下方的凹槽内套有相应大小的密封圈5。

如图1和图3所示,下模板10为透明材料的圆形板，模腔厚度支架11为透明圆筒形框架，对中布置于下模板10上，下模板10的中心开有一个注入孔，注入孔连接进油的软管，在进油的软管上安装有一个压力表6，压力表显示注入压力；下模板10与模腔厚度支架11构成模腔，下模板10和模腔厚度支架11分别通过螺栓固定于下模支撑板9上，超声发射装置7内嵌于下模板支撑板9中央。

如图1所示，下模支撑板9下方有起支撑作用的下模支架8。

如图4所示，与本测试装置配合使用的部件包括真空泵15、缓冲罐16和烧杯17，烧杯17中的液态聚合物通过软管,再经过测试装置18的下模板注入孔注入模腔；缓冲罐16连接于真空泵15与测试装置18之间，从上模板抽气。真空泵15的作用是使模腔内形成真空，而缓冲罐16是为了防止液态聚合物被吸入真空泵。

本发明提供一种使用上述测试装置测试复合材料预制件面外渗透率的方法，按以下步骤：

步骤1、测试操作过程：

1)、将预制件裁剪成边长为10-15cm的方形块，并用胶带将预制件方形块边缘锁边。将方形块烘干之后用电子秤称量方形块质量，据此计算出预制体方形块的体积分数，由此得到预制体的空隙率Φ，如需打孔则用打孔机打孔备用，打孔是为预制件中心处有、无孔的进行对比试验探究。

2)、将模腔用酒精布擦拭干净，保证腔内无油脂或杂质；对软管进行检查，保证软管通畅无杂质。

3)、将超声发射装置和超声接收装置分别安装在对应位置，并将超声探头用数据线缆与超声设备连接。

4)、真空泵用软管与缓冲罐入口连接，缓冲罐出口与测试装置上模板上的抽气孔用软管进行连接，测试装置的注入孔与压力表下端一侧用直径较小的软管连接，并在压力表下端另一侧外接软管作为进油软管。

5)、调节螺杆，观察测量表，使上模板移动至距离下模板10mm位置处固定不动；将连接压力表的进油软管用燕尾夹夹紧，随后打开真空泵，观察压力表示数变化，当压力表示数达到-95kPa以下，并趋于稳定，则认为测试装置气密性良好，可进行渗透率测试实验。

6)、松开燕尾夹，通过调节螺杆抬升上模板脱离模腔厚度支架的模腔，将裁剪称量好的预制件铺设在模腔厚度支架的模腔中，调节螺杆使得上模板与预制件紧密贴合，使测量表的示数接近预设的厚度值H，差1mm到2mm为宜。

7)、再用燕尾夹夹住压力表的进油软管，然后打开真空泵，使腔内压强达到-95Kpa以下，当达到某一稳定值时记录该稳定压强。轻微调节螺杆使上模板继续下降，使得测量表示数达到预设的厚度值H。

8)、打开超声设备和计算机，超声设备设置输入信号为1周期汉宁窗调制信号，频率为100kHz，周期为1，采样点为10000，并调节超声装置使接收信号达到稳定值；打开计算机中的数据采用软件，保存输入信号，将信号采集间隔设置为100ms，随后点击保存输出信号，计算机开始记录输出信号。

9)、将进油软管的端口放入烧杯内液面以下，打开燕尾夹；

10)、当液态聚合物浸润到预制件最上层时停止试验，并将进油管从烧杯中取出，关闭真空泵，测试操作完成；

进行多组试验时，重复上述步骤。

步骤2、面外渗透率计算：

1)、计算机将提取的信号用MATLAB软件进行处理分析，得到流动前锋位移距离与时间的关系，并绘制成图；

2)、根据文献“纺织预型件结构参数与模具成型复合材料树脂渗透性关系的研究”，蒋金华，博士论文，第19页，2.2.1节“3D渗透率测试机理”，记载的面外渗透率计算公式：

式中，η为植物油粘度，Φ为空隙率，Z_f为流动前峰位置，m为流体质量，ρ为流体密度，R₀为注射孔半径；r_f为扩散前锋球面半径，ΔP是流动前锋和注入口的压力差，t是流动时间，K_e是扩散前锋球面半径r_f处的有效渗透率，K_z是Z轴方向的渗透率，即面外渗透率；

计算得到面外渗透率。

重复试验，取渗透率平均值。

Claims (3)

1.纤维增强复合材料预制件面外渗透率的测试装置，其特征是：包括螺杆、十字钢架、定位柱、超声接受装置、压力表、超声发射装置、下模支撑板、下模板、模腔厚度支架、上模板、测量表、螺杆安装板；

螺杆安装板为圆形金属板，螺杆安装板的下表面与下模支撑板之间均匀设置有四个定位柱，螺杆配合螺杆安装板中心的螺纹孔，螺杆下端连接十字钢架，十字钢架的支杆端头由套筒滑动套接在定位柱上，十字钢架下方固定上模板，上模板中心处安装超声接收装置，同时上模板靠近中心装有开有抽气孔，测量表装在十字钢架支杆端头的套管上；

上模板和下模板平行放置，上模板的大小和位置与模腔厚度支架的内腔相匹配，上模板柱面下方的凹槽内套有相应大小的密封圈；

模腔厚度支架为圆筒形框架，对中布置于下模板上，下模板的中心开有一个注入孔，注入孔连接进油的软管，在进油的软管上安装有一个压力表；下模板与模腔厚度支架构成模腔，下模板和模腔厚度支架分别固定于下模支撑板上，超声发射装置内嵌于下模板支撑板中央。

2.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料预制件面外渗透率的测试装置，其特征是：上模板和下模板、模腔厚度支架均采用透明材料；下模支撑板下方有起支撑作用的下模支架。

3.一种使用权利要求1或2所述的测试装置测试复合材料预制件面外渗透率的方法，包括以下步骤：

步骤1、测试操作过程：

1)、将预制件裁剪成方形块，并用胶带将预制件方形块边缘锁边；

2)、将模腔用酒精布擦拭干净，保证腔内无油脂或杂质；对软管进行检查，保证软管通畅无杂质；

3)、将超声发射装置和超声接收装置分别安装在对应位置，并将超声探头用数据线缆与超声设备连接；

4)、真空泵用软管与缓冲罐入口连接，缓冲罐出口与测试装置上模板上的抽气孔用软管进行连接，测试装置的注入孔与压力表下端一侧用直径较小的软管连接，并在压力表下端另一侧外接软管作为进油软管；

5)、调节螺杆，观察测量表，使上模板移动至距离下模板10mm位置处固定不动；将连接压力表的进油软管用燕尾夹夹紧，随后打开真空泵，观察压力表示数变化，当压力表示数达到-95kPa以下，并趋于稳定，则认为测试装置气密性良好，可进行渗透率测试实验；

6)、松开燕尾夹，通过调节螺杆抬升上模板脱离模腔厚度支架的模腔，将裁剪称量好的预制件铺设在模腔厚度支架的模腔中，调节螺杆使得上模板与预制件紧密贴合，使测量表的示数接近预设的厚度值H，差1mm到2mm为宜；

7)、再用燕尾夹夹住压力表的进油软管，然后打开真空泵，使腔内压强达到-95Kpa以下，当达到某一稳定值时记录该稳定压强。轻微调节螺杆使上模板继续下降，使得测量表示数达到预设的厚度值H；

8)、打开超声设备和计算机，超声设备设置输入信号为1周期汉宁窗调制信号，频率为100kHz，周期为1，采样点为10000，并调节超声装置使接收信号达到稳定值；打开计算机中的数据采用软件，保存输入信号，将信号采集间隔设置为100ms，随后点击保存输出信号，计算机开始记录输出信号；

9)、将进油软管的端口放入烧杯内液面以下，打开燕尾夹；

10)、当液态聚合物浸润到预制件最上层时停止试验，并将进油管从烧杯中取出，关闭真空泵，测试操作完成；

步骤2、面外渗透率计算：

1)、计算机将提取的信号用MATLAB软件进行处理分析，得到流动前锋位移距离与时间的关系，并绘制成图；

2)、根据面外渗透率计算公式：

式中，η为植物油粘度，Φ为空隙率，Z_f为流动前峰位置，m为流体质量，ρ为流体密度，R₀为注射孔半径；r_f为扩散前锋球面半径，ΔP是流动前锋和注入口的压力差，t是流动时间，K_e是扩散前锋球面半径r_f处的有效渗透率，K_z是Z轴方向的渗透率；

计算得到面外渗透率。

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