真空辅助成型工艺纤维织物压实特性及渗透率性能一体化测试装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种真空辅助成型工艺中织物压实特性与渗透率性能一体化测试设备。本发明首次提出真空辅助成型工艺中纤维织物压实特性及渗透率性能一体化测试思路，本发明的测试装置可对纤维织物的压实特性及渗透率性能进行一体化实验测试，它既可准确研究压实力大小，压实时间，循环加载，织物层数和织物编织方法等因素对织物干态和湿态下压实特性影响，又能用来测试织物的面内和厚度方向渗透率。本发明所涉及的测试装置实现了纤维织物性能在真空辅助成型工艺相同条件下进行测试，采用自行设计的负压控制器，压力测试器和涡流位移传感器能够实现各种影响因素的自动控制，能够显著提高纤维织物压实特性及渗透率性能测试的实验效率及优化测试成本。
【专利说明】真空辅助成型工艺纤维织物压实特性及渗透率性能一体化测试装置
[0001]【技术领域】
本发明涉及一种真空辅助成型工艺中纤维织物的压实特性及渗透率性能一体化测试装置，具体地说是一种光纤光栅测试和压力控制技术对树脂基复合材料材料真空辅助成型工艺制造方法中，对纤维预成型体在工艺压实特性及渗透率性能进行测试。具体而言是涉及一种纤维织物在干态和湿态情形下的压实特性及面内和厚度方向渗透率性能进行一体化测试的装置。
[0002]【背景技术】
碳纤维增强树脂基复合材料的真空辅助成型工艺以成本低、易于制造大尺寸构件，已被广泛用于航空航天、汽车工业和船舶领域。纤维织物的压实特性及渗透率性能是真空辅助成型工艺中两个重要的工艺参数，压实特性是表征压力作用下纤维织物预成型体的厚度或纤维体积分数的变化关系，它跟压实力大小、压实时间、循环加载、织物层数及编织方式等因素有关，对复合材料结构件的厚度或纤维体积分数分布及力学性能有重要影响。渗透率是表征压力作用下浸润流体在多孔介质中流动难易程度的参数，体现出多孔介质对流体的流动阻力大小。在连续纤维增加树脂基复合材料的真空辅助成型工艺的制造过程中，纤维的渗透率是影响树脂流动状态的重要因素，它由纤维的物理特性和纤维网格的内部结构所决定，同时也与树脂的物理特性、流动方向以及树脂对纤维的浸润状态有关。
[0003]纤维织物的压实特性及渗透率性能是采用真空辅助成型工艺成功制造高性能复合材料的重要参数，也是复合材料成型过程计算机模拟和工艺优化设计中必不可少的输入参数。近些年来复合材料的制造工艺有限元模拟已成为复合材料领域研究的热点，建立可靠准确、高效低成本的压实特性及渗透率性能测试装置是获得纤维织物性能准确参数的重要前提，也是保证模拟结果准确度的前提条件之一。目前针对纤维织物压实特性及渗透率性能测试的研究常需采用不同的实验装置进行测试，将两种性能测试进行一体化测试的报道并未见到。目前已有研究针对纤维织物压实特性的研究的方法有:(1)将纤维织物放置在硬性的RTM模腔模具中，直接通过万能力学试验机来控制压实力施加过程进行测试；通过设置程序来考察压实时间和压实力大小对压实特性的影响，但这种测试方法与实际工艺中压实力通过柔性真空袋薄膜作用在纤维织物实验条件上不符；(2)亦有文献报道采用真空袋法对真空辅助成型工艺中纤维织物的压实特性进行实验研究，但实验过程对压实力和压实时间等影响因素的控制方向简陋，实验过程的随机性降低了实验结果的准确可靠性；3)已有研究针对真空辅助成型工艺中纤维织物压实特性研究常将干态和湿态压实截然分开，这与实际的真空辅助成型工艺中纤维织物的干态/湿态压实过程连续性进行不符合，不能观测到织物压实特性中织物厚度变化的重要机理一树脂的润滑效应。纤维织物的渗透率的测试在相关研究中已有相关的报道，根据达西定律织物渗透率可以通过树脂流动前锋随时间的变化关系计算得到。因此针对织物渗透率的测试方法主要集中在树脂流动前锋的监测上，这方面的研究有较多的文献，常用的研究方法主要有:I)相机录像法，这是广泛使用的监测树脂流动前锋位置随时间关系的方法，该方法操作便捷简单但在数据处理时麻烦且实验准确性较差；2)压力传感器法，有研究人员采用自行设计的实验装置，采用在装置底面等间距布设辐射状的压力传感器来监测流动前锋随时间的关系，当树脂流经某处时压力传感器可以采集到树脂压力信号，进而通过压力信号调制系统得到树脂流动前锋与时间的变化关系，这种方法具有操作简单且可获得较为准确的实验结果，但实验清理过程复杂且实验装置加工费用昂贵；3)光纤光栅传感器法，是近年来用来监测树脂流动前锋方法的新进展，方法利用光纤光栅传感器高灵敏度及抗干扰能力强等优点，采用多栅点的光纤光栅传感器直接铺设在纤维织物内部。当树脂流动前锋经过光纤光栅所在处位置时浸润树脂的温度与纤维织物温度的差异会产生光纤光栅波长的变化，可定制不同栅距和多光栅点的光纤光栅传感器以增大测试的精准度，该方法能显著提高了实验结果的精度，但光纤光栅传感器的易脆断及高昂的定制成本增大了成本。由此可见，常规和近期发展的纤维织物渗透率测试方法存在着精度不高和高昂测试成本的问题，真空辅助成型工艺中纤维织物压实特性及渗透率性能一体化测试装置实现了对纤维织物压实特性及渗透率性能集成测试，不但具有重要的应用价值，而且具有一定的技术难度，需要兼顾多方面因素的影响才能实现准确的测量。
[0004]
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种纤维增强树脂基复合材料真空辅助成型工艺中纤维织物压实特性及渗透率性能一体化测试装置，具体地说是一种基于光纤布拉格光栅结合非接触涡流位移传感器技术应用于纤维织物的压实特性及渗透率性能一体化测试中，对纤维织物的厚度、所受压实力、面内和厚度方向渗透率等关键工艺参数进行精确测试的装置。
[0005]本发明的目的是这样实现的:该测试装置由压力控制系统、织物性能测试装置、纤维织物厚度测试系统、纤维织物压力测试系统、盛放浸润液体的烧杯和上位计算机组成，压力控制系统通过树脂导流管与纤维织物性能测试装置连接在一起，纤维织物厚度测试系统通过在铝板横梁上下方采用螺母与纤维织物性能测试装置相连，并通过USB数据连接线与上位计算机相连。纤维织物压力测试系统通过沉头螺钉固定在纤维织物性能测试装置上，并通过USB数据连接线与上位计算机相连。压力控制系统由真空泵、负压控制器和树脂收集器组成，真空泵通过真空软管与负压控制器的出气口连接，负压控制器的进气口通过真空软管与树脂收集器的树脂收集器出气口相连，树脂收集器的进气口通过导流管与纤维织物性能测试装置的出射口相连，树脂收集器的真空压力表用来显示过程压力值。纤维织物性能测试装置由铝合金平板模具、不锈钢立柱、铝合金中间带有通孔槽的铝板横梁、中心注射口接头组成，铝合金平板模具正面加工有四周凹槽用于铺放密封胶，在长度方向两端分别加工有出射口和注射口，在长度中心位置处加工有圆形台阶，当进行干态、湿态压实及面内渗透率测试时采用匹配尺寸不带孔不锈钢圆形板并采用密封胶密封，进行厚度方向渗透率性能测试时采用匹配尺寸的带孔不锈钢圆形板并采用密封胶密封。在长度方向中心线对称位置上加工有两个方形台阶，台阶上两端分别加工有两个螺纹孔，沿两个方形台阶中心线处加工有过渡凹槽并延伸至模具边缘的四周凹槽，在铝合金平板模具宽度方向中心线上加工出两个螺纹孔用以安放正置于纤维织物性能测试装置上方的铝合金中间带有通孔槽的铝板横梁，并采用上下螺母进行固定在铝板横梁上。纤维织物厚度测试系统由涡流位移传感器、位移信号放大器和位移信号调制解调器组成，涡流位移传感器通过匹配的数据连接线与位移信号放大器连接，位移信号放大器采用匹配的数据连接线与位移信号调制解调器相连，位移信号调制解调器最终通过USB数据连接线与上位计算机相连。纤维织物压力测试系统由铝合金薄板、沉头螺钉、光纤光栅专用胶黏剂、光纤光栅传感器、光纤信号调制解调器组成，铝合金薄板通过沉头螺钉铆接在纤维织物性能测试平台的铝合金模具的方形台阶上的沉头螺孔中，光纤光栅传感器通过采用光纤光栅专用胶黏剂粘接在铝合金薄板背面宽度方向中心处，光纤光栅传感器沿着铝合金模具正面处的过渡凹槽延伸至四周凹槽，通过光纤调制连接线与光纤信号调制解调器的光纤光栅信号连接通道连接，光纤信号调制解调器通过USB数据连接线与上位计算机连接，通过配套采集软件获得位移信号变化信肩、O
[0006]在本发明中，放置在织物性能测试装置正上面的涡流位移传感器在纤维织物压实特性及面内渗透率性能的测试实验中分别用来测试纤维织物厚度随压实力变化的关系及树脂流动前锋位置随时间的关系。由于压实过程和面内渗透率测试过程随着作用于纤维织物的压力变化进而导致织物厚度变化，通过自行设计的织物性能测试装置及本发明采用的涡流位移传感器可以高效、低成本的测试纤维织物的压实特性及渗透率性能。自行设计并集成于织物性能压实装置方形台阶上的光纤光栅压力传感器在通过实验标定出光纤光栅传感器波长变化与压实力间的函数关系，被用来测量纤维织物受到的真实压实力。纤维织物厚度方向的渗透率测试是将裁剪好的纤维织物整齐叠放在测试装置上，采用树脂中心注模方式进行实验，在纤维织物厚度方向上相隔一定间距处放置一个压力传感器，当树脂流经该处时压力传感器会产生信号的变化并通过解调器得到信号变化随时间的关系，通过的达西定律计算得到纤维织物厚度方向上的渗透率数值。
[0007]在本发明中，采用了自行设计的负压控制器及配套信号采集软件用来精确控制压实力大小及压实时间对纤维织物压实特性的影响，通过设计不同的实验，可以实现对压实力大小、压实时间、织物层数、循环加载和织物种类等因素对压实特性的影响。通过自行设计的织物性能测试装置，实现了纤维织物压实特性及渗透率性能的一体化测试，实现了对织物干态和湿态情形下的压实特性连续性测试，最大程度的与实际的真空辅助成型工艺过程相同，集成了纤维织物面内和厚度方向渗透率测试，优化了测试成本和效率。
[0008]本发明具有以下几个主要技术特征:
1、通过基于自行设计的负压控制器在内压力控制系统及配套信号采集软件，实现了纤维织物压实特性研究中对于性能影响因素的精确化控制及测量；
2、采用自行设计的织物性能测试装置，集成了测试纤维织物厚度及承受压力的传感器，实现了织物厚度变化与压实力关系的同时性测试；
3、基于本发明设计的织物性能测试装置，用于测试纤维织物厚度变化的涡流位移传感器同时可用于织物面内渗透率性能的测试，实现了织物面内渗透率性能高效和低成本测试；
4、通过改变实验封装方式方便的实现了在织物性能测试装置上进行纤维织物厚度渗透率的测试，优化了实验成本及效率。
[0009]本发明采用基于光纤光栅传感器自制的光纤光栅压力传感器和负压控制器来分别用于纤维织物压实特性实验中受到的真实压实力大小和控制影响织物压实性能的工艺参数，克服了已有研究中控制精度低和真实真空辅助成型工艺条件不符合的因素，实现了工艺参数研究的程序化控制。本发明的涡流位移传感器既可用于压实特性测试中纤维织物的厚度变化，又能高效低成本的测试织物面内渗透率性能，实现了真空辅助成型工艺中纤维织物压实特性及渗透率性能的一体化测试，优化了实验成本及可靠性。
[0010]本发明主体是基于自行设计集成了织物用于测试织物厚度的涡流位移传感器和用于测试织物所受真实压实力的光纤光栅压力传感器的织物性能测试装置，在自行设计的负压控制器基本上结合真空泵和树脂收集器构成的压实控制系统通过编程程序化控制实验条件，达到对实验影响因素的精确化控制，通过采用设计的负压控制器、光纤光栅压力传感器和涡流位移传感器使得织物性能测试装置具备了纤维织物的压实特性及渗透率性能测试的双重功能，实现了对真空辅助成型工艺中纤维织物关键工艺参数的一体化测试装置。
[0011]【专利附图】
【附图说明】
附图1是本发明的真空辅助成型工艺纤维织物压实特性及渗透率性能一体化测试装置装配图。
[0012]附图2是本发明的真空辅助成型工艺纤维织物压实特性及渗透率性能一体化测试装置外部结构示意图。
[0013]附图3是本发明的纤维织物压力控制系统示意图。
[0014]附图4是本发明的纤维织物性能测试装置与厚度测试系统侧视图。
[0015]附图5本发明的纤维织物性能测试装置正视图。
[0016]附图6是本发明的纤维织物压力测试系统示意图。
[0017]附图7是本发明的纤维织物压实特性及面内渗透率性能实验织物性能测试装置的实验封装示意图
附图8是本发明的纤维织物厚度方向渗透率性能测试的实验封装示意图。
[0018]图中:1.压力控制系统2.纤维织物性能测试装置3.纤维织物厚度测试系统4.纤维织物压力测试系统5.上位计算机6.容器7.导流管8.螺母9.沉头螺钉
10.USB数据连接线11.真空泵12.负压控制器13.树脂收集器14.真空软管15.铝合金模具16.四周凹槽17.立柱18.出射口 19.真空袋20.纤维织物21.铝板横梁22.方形台阶23.圆形台阶24.涡流位移传感器25.注射口 26.位移信号调制解调器27.位移信号放大器28.光纤调制连接线29.中心注射口接头30.光纤信号调制解调器31.负压控制器出气口 32.负压控制器进气口 33.树脂收集器出气口 34.真空压力表35.树脂收集器进气口 37.过渡凹槽38.铝合金薄板39.沉头螺孔40.光纤专用胶黏剂41.沉头螺钉42.光纤光栅传感器43.光纤光栅信号连接通道44.密封胶黏剂45.树脂螺线管46.不锈钢薄盖板47.导流网48.薄膜压力传感器49.真空快速接头50.压力信号调制解调器51.金属导线52.真空快速接头匹配夹头。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图举例对本发明作更详细的描述:
本发明是一种应用于真空辅助成型工艺纤维织物压实特性及渗透率性能一体化测试装置(请参见图1和图2)，该测试装置由压力控制系统1、织物性能测试装置2、纤维织物厚度测试系统3、纤维织物压力测试系统4、盛放浸润液体的容器6和上位计算机5组成，压力控制系统I通过导流管7与纤维织物性能测试装置2连接在一起，纤维织物厚度测试系统3通过在铝板横梁21上下方采用螺母8与纤维织物性能测试装置2相连，并通过USB数据连接线10与上位计算机5相连。纤维织物压力测试系统4通过沉头螺钉39固定在纤维织物性能测试装置2上，纤维织物性能测试装置2通过导流管7与树脂盛放容器6相连。纤维织物压力测试系统4通过USB数据连接线10与上位计算机相连。
[0020]所述的压力控制系统I (参加图3)由真空泵11、负压控制器12和树脂收集器13组成，真空泵11通过真空软管14与负压控制器12的出气口 31连接，负压控制器12的进气口 32通过真空软管14与树脂收集器13的树脂收集器出气口 33相连，树脂收集器的进气口 35通过导流管7与纤维织物性能测试装置2的出射口 18相连，树脂收集器13的真空压力表34用来显示过程压力值。
[0021]所述的纤维织物性能测试装置2 (参加图4和5)由铝合金平板模具15、不锈钢立柱17、铝合金中间带有通孔槽的铝板横梁21、中心注射口接头29组成，铝合金平板模具15的正视图如图5所示，在模具正面加工有四周凹槽16用于铺放密封胶，在长度方向两端分别加工有出射口 18和注射口 25，在长度中心位置处加工有圆形台阶23，当进行干态、湿态压实及面内渗透率测试时采用匹配尺寸不带孔不锈钢圆形板46并采用密封胶密封，进行厚度方向渗透率性能测试时采用匹配尺寸的带孔不锈钢圆形板46并采用密封胶密封。在长度方向中心线对称位置上加工有两个方形台阶22，台阶上两端分别加工有两个螺纹孔36，沿两个方形台阶中心线处加工有过渡凹槽37并延伸至模具边缘的四周凹槽16，在铝合金平板模具15宽度方向中心线上加工出两个螺纹孔17用以安放正置于纤维织物性能测试装置2上方的铝合金中间带有通孔槽的铝板横梁21，并采用上下螺母8进行固定在铝板横梁21上。
[0022]所述的纤维织物厚度测试系统3 (参见附图1和图4)由涡流位移传感器24、位移信号放大器27和位移信号调制解调器26组成，涡流位移传感器24通过匹配的数据连接线与位移信号放大器27连接，位移信号放大器采用匹配的数据连接线与位移信号调制解调器26相连，位移信号调制解调器26最终通过USB数据连接线10与上位计算机5相连。
[0023]所述的纤维织物压力测试系统4 (参见附图6)由铝合金薄板38、沉头螺钉41、光纤光栅专用胶黏剂40、光纤光栅传感器42、光纤信号调制解调器30组成，铝合金薄板38通过沉头螺钉41铆接在纤维织物性能测试平台2的铝合金模具15的方形台阶38上的沉头螺孔39中，光纤光栅传感器42通过采用光纤光栅专用胶黏剂40粘接在铝合金薄板38背面宽度方向中心处，光纤光栅传感器42沿着铝合金模具15正面处的过渡凹槽37延伸至四周凹槽16，通过光纤调制连接线28与光纤信号调制解调器30的光纤光栅信号连接通道43连接，光纤信号调制解调器30通过USB数据连接线10与上位计算机5连接。
[0024]本发明是一种应用于纤维增强树脂基复合材料真空辅助成型工艺纤维织物压实特性及渗透率性能一体化测试的测试方法，本发明的测试装置通过采用自行设计各组成系统及合理的连接能够对压实力大小、压实时间、循环加载、织物层数和织物种类及编制方式对压实特性的影响进行精确测定，采用本发明的实验装置可以根据几近相同的实验封装方式进行纤维织物的压实特性包括干态和湿态两种实验情形下及面内渗透率性能的测试，由于纤维织物厚度方向渗透率性能测试时浸润液体的流动方向和面内渗透率及湿态压实性能的流动方向不相同，当在对纤维织物厚度方向进行渗透率测试时采用另一个实验方法，以下分成两组对采用本发明的测试装置进行纤维织物压实特性及渗透率性能的测试实验步骤进行介绍:
5.1纤维织物压实性能及面内渗透率测试方法 第一步:试样选取
将纤维织物20剪裁成与铝合金模具15正面上方的树脂注射口 25和出射口 18之间距离相匹配大小的尺寸，然后按照实验目的预设的铺层方向和铺层层数η进行铺放，注意纤维织物的裁剪要整齐，不能出现边缘毛刺或尺寸不精确，叠放纤维织物时应整齐叠放。
[0025]所述试样为不含树脂的纤维织物，可以包括平纹织物、斜纹织物、缎纹织物、单向织物等。
[0026]所述铺层方式可以根据复合材料构件设计的需要进行设计，可以是单向铺层、正交铺层、准各向同性铺层等。
[0027]所述铺层层数η仅需按照实验测试的需求确定。
[0028]第二步:压实特性及面内渗透率性能测试预准备
在进行正式实验前，首先将压力控制系统1、厚度测试系统3、压力测试系统4与上位计算机按照附图1的装配图连接起来。每一个系统的各组成部件的连接方式如前文介绍各系统部分所述。具体来说:真空泵11通过真空软管14与负压控制器12的出气口 31连接，负压控制器12的进气口 32通过真空软管14与树脂收集器13的树脂收集器出气口 33相连，树脂收集器的进气口 35通过导流管7与纤维织物性能测试装置2的出射口 18相连，树脂收集器13的真空压力表34用来显示过程压力值。铝合金模具15正面加工有四周凹槽16用于铺放密封胶，在长度方向两端分别加工有出射口 18和注射口 25，在长度中心位置处加工有圆形台阶23，在圆形台阶上用匹配尺寸不带孔不锈钢圆形板46覆盖并采用密封胶密封，在长度方向中心线对称位置上加工有两个方形台阶22，台阶上两端分别加工有两个螺纹孔36，将用光纤专用胶黏剂40粘附有光纤光栅传感器42的铝合金薄板38采用沉头螺钉41通过连接方形台阶22的沉头螺孔39固定在方形台阶22上，将光纤光栅传感器42沿着铝合金模具15表面加工出的过渡凹槽37并延伸至模具边缘的四周凹槽16，在铝合金平板模具15宽度方向中心线上加工出两个螺纹孔17用以安放正置于纤维织物性能测试装置
2上方的铝合金中间带有通孔槽的铝板横梁21，并采用上下螺母8进行固定在铝板横梁21上。涡流位移传感器24通过匹配的数据连接线与位移信号放大器27连接，位移信号放大器采用匹配的数据连接线与位移信号调制解调器26相连，位移信号调制解调器26最终通过USB数据连接线10与上位计算机5相连。铝合金薄板38通过沉头螺钉41铆接在纤维织物性能测试平台2的铝合金模具15的方形台阶38上的沉头螺孔39中，光纤光栅传感器42通过采用光纤光栅专用胶黏剂40粘接在铝合金薄板38背面宽度方向中心处，光纤光栅传感器42沿着铝合金模具15正面处的过渡凹槽37延伸至四周凹槽16，通过光纤调制连接线28与光纤信号调制解调器30的光纤光栅信号连接通道43连接，光纤信号调制解调器30通过USB数据连接线10与上位计算机5连接，连接完成后根据实验需求设置好相应参数采集频率及数据存储目录。
[0029]第三步:纤维织物的铺放与封装
第二步完成后，将裁剪完成的纤维织物20按照实验需求叠放整齐在铝合金模具15的注射口 25及出射口 18之间(参见附图7)，分别在注射口 25及出射口 18位置处放置一个与纤维织物宽度相等的树脂螺线管45并采用密封胶与铺放在四周凹槽16处的密封胶44连接成一体，并与导流管7相连，导流管7与盛放浸润液体的容器6相连，在进行干态压实时将树脂注射口 26密封，防止漏气。在进行纤维织物的湿态压实及面内渗透率测试时将树脂注射口 26插入到浸润液体内部。另外一端的树脂螺线管45引出至四周凹槽16处的密封胶44外，采用导流管7与树脂收集器13的进气口 35相连。待安放完毕后，裁剪处适当大小的真空袋薄膜19，采用密封胶44在铝合金模具15正面上面的四周密封胶44上密封，在适当的位置打褶皱以保证注射口 25和出射口 18之间的纤维织物所在处的真空袋19平整，在真空袋表面对应涡流位移传感器24的正下面粘贴一列铝箔纸以增大真空袋19的导电性。铝合金模具15两侧的立体17用于放置中间开有通槽的铝板横梁21，并采用螺母8进行固定，用于纤维织物厚度测量的涡流位移传感器24通过上下方用匹配螺母25的方式固置在铝板横梁21上。涡流位移传感器24通过位移信号放大器27与位移信号调制解调器26连接,并通过USB数据连接线与上位计算机5相接。
[0030]待封装完成后，在相应控制程序中设置好实验所需的实验参数，待清零后即可进行干态压实特性的实验。实验开始前，采用两个涡流位移传感器首先测试出欲实验纤维织物预成型体的初始厚度，实验方法内容如另一在申报专利。实验过程同时采集纤维织物的厚度变化和受到的压实力数据，涡流位置传感器可以监测纤维织物的厚度在不同作用力下的变化，光纤光栅压力传感器用于监测实验过程中作用在纤维织物上的压实力大小。根据初始厚度和厚度变化即可得到该压实力下纤维织物的厚度，从而可得到纤维织物厚度随压实力的变化关系，再根据纤维织物厚度与纤维体积分数的关系式进而可以得到纤维织物纤维体积分数与压实力间的函数关系。
[0031]纤维织物的湿态压实性能的测试时只需将盛放浸润树脂的容器6放置在注射口25处的导流管7附近，测试时直接将导流管7插入到容器6内部的浸润液体中即可，其他步骤与干态压实特性实验过程相同，即:待封装完成后，设计好所需的实验参数，完成测试软件的平衡清零步骤，即可进行实验。树脂浸润过程中同时保持所有实验数据的采集。纤维织物湿态压实特性的实验结果获得方法如干态压实实验步骤。
[0032]基于本发明设计的纤维织物压实特性及渗透率性能测试一体化装置，纤维织物面内渗透率性能可以几乎不经改动的采用纤维织物湿态压实特性测试的实验方法进行获得。本发明设计的装置是采用线注射方式进行纤维织物湿态压实特性实验测试，根据达西定律可知，在线注射的情形下，纤维织物的面内渗透率可以通过检测浸润液体在纤维织物中的流动前锋位置随时间的函数关系得到，采用本发明的纤维织物厚度测试系统3中的涡流位移传感器24可对浸润树脂在纤维织物内部的流动前锋进行准确的测试，不仅对非饱和渗透率进行测试，同时可以对饱和渗透率的测试具有高效低成本的优势。实验方法是将涡流位移传感器均布在铝合金模具15正上方横置的铝板横梁21上，在树脂流动前锋测试时在铝板横梁21上等间距的放置六个相同的涡流位移传感器24，它们可以用来得到五个树脂流动前锋随时间的实验数据，根据达西定律的相关原理，可以方便的得到纤维织物面内渗透率性能的实验数据。采用涡流位移传感器监测浸润树脂在纤维织物的树脂流动过程的原理是:复合材料的真空辅助成型工艺的制造工艺中，不管是测试非饱和渗透率或饱和渗透率性能，浸润液体的注模流动会造成作用在纤维织物上的压力减少，进而产生纤维织物厚度发生变化，位于纤维织物上方铝板横梁21通孔槽中的涡流位移传感器24可以方便准确的监测纤维织物的厚度变化，并通过位移信号调制解调器获得信号变化随时间的关系，从而低成本、高效率的监测树脂流动前锋的位置，本发明中的浸润液体可以是大豆油、玉米浆、不饱和聚酯或其他可用于真空辅助成型工艺的树脂。
[0033]5.2纤维织物厚度方向渗透率测试方法步骤
本发明是一种应用于纤维增强树脂基复合材料真空辅助成型工艺中纤维织物压实特性及渗透率性能一体化的测试装置，由于浸润液体在面内渗透率、湿态压实特性测试实验与厚度方向渗透率性能的流动方向是不同的，在进行相关的测试时采用不同的实验封装方式。当在对纤维织物铺层厚度方向进行渗透率测试时，其厚度方向渗透率测试方法有如下步骤:
在进行厚度方向渗透率测试实验前，首先将用于纤维织物干态、湿态压实特性测试及面内渗透率性能测试过程中放置在铝合金模具15正面圆形台阶23上的不带孔不锈钢圆形薄板46替换成带孔的不锈钢薄板46，并采用密封胶密封待固化完全后方可进行实验。在进行纤维织物厚度方向渗透率的实验时采用的是中心注射的方式进行，通过采用本发明的实验装置及针对纤维织物厚度渗透率性能测试特定的实验封装方式可以方便准确的测试所需的厚度方向渗透率参数。
[0034]第一步:试样选取
将纤维织物20裁剪成与尺寸为50*50mm的方形试样，然后按照铺层方式和铺层层数η进行铺叠形成纤维织物预成型体；
所述试样为不含树脂的纤维织物，可以包括平纹织物、斜纹织物、缎纹织物、单向织物
坐寸ο
[0035]所述铺层方式可以根据复合材料构件设计的需要进行设计，可以是单向铺层、正交铺层、准各向同性铺层等。
[0036]所述铺层层数η仅需按照实验测试的需求确定。
[0037]第二步:实验封装
将清理完成的铝合金模具15的正面圆形台阶23的带孔不锈钢薄盖板46上覆盖三层导流网47 (参见附图8)以将从中心注射口出来的树脂首先在铝合金模具15表面流动，导流网47的渗透率相比于纤维织物高两个数量级，覆盖的三层导流网可保证树脂首先在形成模具表面的均匀流动；接着在导流网47上方整齐将裁剪完成的纤维织物20，在沿纤维织物20厚度方向上相等间距处放置一个薄膜压力传感器48以用于当浸润液体流动前锋经过时记录时会产生信号变化，由于薄膜压力传感器48的安放位置由实验操作人员自行控制，通过压力信号调制解调器50可以方便读取出浸润液体流动前锋随时间的关系，纤维织物的厚度应IOmm以上以保证厚度方向树脂流动前锋位置测试的准确性。在织物上方铺放三层导流网47用于均流从纤维织物20底面注入的浸润液体，在导流网47上方放置一个与纤维织物尺寸相同的真空快速接头49，将整个装置采用真空袋19覆盖，并利用密封胶黏剂44密封，封装过程中要保证真空袋19的外形在真空压实力下与纤维织物20形状相一致，将真空快速接头49与真空快速接头匹配接头52直接相连，真空快速接头匹配接头52通过导流管7与树脂收集器13的入气口 35连接。压力信号调制解调器50通过USB数据连接线与上位计算机5连接。铝合金模具15下方的中心注射口接头29通过导流管7与盛放浸润液体的容器6相连。
[0038]待封装完成后，在相应控制程序中设置好实验所需的实验参数，待清零后即可进行干态压实特性的实验。纤维织物厚度方向的渗透率性能的数据获得采用纤维织物面内渗透率性能测试相同的方式处理。本发明中的浸润液体可以是大豆油、玉米浆、不饱和聚酯或其他可用于真空辅助成型工艺的树脂。
【权利要求】
1.一种应用于纤维增强树脂基复合材料真空辅助成型工艺纤维织物压实特性及渗透率性能一体化测试装置，其特征在于: 包括压力控制系统(1)、织物性能测试装置(2)、纤维织物厚度测试系统(3)、纤维织物压力测试系统(4)、容器(6)和上位计算机(5)， 所述的压力控制系统(1)通过导流管(7)与纤维织物性能测试装置(2)连接在一起，纤维织物厚度测试系统(3)通过铝板横梁(21)上方和下方的螺母(8)与纤维织物性能测试装置(2)相连，并通过USB数据连接线(10)与上位计算机(5)相连，纤维织物压力测试系统 (4)通过沉头螺钉(41)固定在纤维织物性能测试装置(2)上，纤维织物性能测试装置(2)通过导流管(7)与容器(6)相连，纤维织物压力测试系统(4)通过USB数据连接线(10)与上位计算机相连； 所述的压力控制系统(1)由真空泵(11)、负压控制器(12)和树脂收集器(13)组成，真空泵(11)通过真空软管(14)与负压控制器(12)的出气口(31)连接，负压控制器(12)的进气口( 32)通过真空软管(14)与树脂收集器(13)的树脂收集器出气口(33)相连，树脂收集器的进气口(35)通过导流管(7)与纤维织物性能测试装置(2)的出射口( 18)相连，树脂收集器(13)的真空压力表(34)用来显示过程压力值； 所述的纤维织物性能测试装置(2)由铝合金平板模具(15)、不锈钢立柱(17)、铝板横梁(21)、中心注射口接头(29)组成，铝合金平板模具(15)正面加工有四周凹槽(16)，在长度方向两端分别加工有出射口(18)和注射口(25)，在长度中心位置处加工有圆形台阶(23)，圆形台阶(23)上配有尺寸匹配的带孔或不带孔不锈钢圆形板(46)，并用密封胶密封；在长度方向中心线对称位置上加工有两个方形台阶(22)，台阶上两端分别加工有两个螺纹孔(39)，沿两个方形台阶中心线处加工有过渡凹槽(37)并延伸至模具边缘的四周凹槽(16)，在铝合金平板模具(15)宽度方向中心线上加工出两个螺纹孔，所述螺纹孔与不锈钢立柱(17 )配合使用，铝板横梁(21)通过上下螺母(8 )固定在不锈钢立柱(17 )上； 所述的纤维织物厚度测试系统(3)由涡流位移传感器(24)、位移信号放大器(27)和位移信号调制解调器(26)组成，所述涡流位移传感器(24)位于铝板横梁(21)的通孔槽中，并用螺母(8)固定；涡流位移传感器(24)通过匹配的数据连接线与位移信号放大器(27)连接，位移信号放大器采用匹配的数据连接线与位移信号调制解调器(26)相连，位移信号调制解调器(26 )通过USB数据连接线(10 )与上位计算机(5 )相连； 所述的纤维织物压力测试系统(4)由铝合金薄板(38)、沉头螺钉(41)、光纤光栅专用胶黏剂(40)、光纤光栅传感器(42)、光纤信号调制解调器(30)组成，铝合金薄板(38)通过沉头螺钉(41)铆接在纤维织物性能测试装置(2)的铝合金模具(15)的方形台阶(22)上，光纤光栅传感器(42 )通过采用光纤光栅专用胶黏剂(40 )粘接在铝合金薄板(38 )背面宽度方向中心处，光纤光栅传感器(42)沿着铝合金模具(15)正面处的过渡凹槽(37)延伸至四周凹槽(16)，通过光纤调制连接线(28)与光纤信号调制解调器(30)的光纤光栅信号连接通道(43)连接，光纤信号调制解调器(30)通过USB数据连接线(10)与上位计算机(5)连接。
2.根据权利要求1所述的一体化测试装置，其特征在于:所述容器为烧杯，烧杯中盛放有浸润液体。
3.根据权利要求1所述的一体化测试装置，其特征在于:所述导流管为树脂导流管。
4.根据权利要求1所述的一体化测试装置，其特征在于:所述铝板横梁为铝合金材质，其中间带有通孔槽。
5.根据权利要求1所述的一体化测试装置，其特征在于:所述涡流位移传感器的数量为4-10个，等间距放置。
6.根据权利要求1-4任意一项的一体化测试装置的应用，应用于真空辅助成型工艺的纤维织物。
7.根据权利要求1-5任意一项的一体化测试装置的纤维织物压实性能及面内渗透率测试方法，其特征在于包括如下步骤: 第一步:试样选取 将纤维织 物(20 )剪裁成与铝合金模具(15)正面上方的树脂注射口( 25 )和出射口( 18 )之间距离相匹配大小的尺寸，然后按照实验目的预设的铺层方向和铺层层数η进行铺放，注意纤维织物的裁剪要整齐，不能出现边缘毛刺或尺寸不精确，叠放纤维织物时应整齐叠放； 第二步:压实特性及面内渗透率性能测试预准备 在进行正式实验前，首先将压力控制系统(I)、纤维织物厚度测试系统(3)、纤维织物压力测试系统(4)与上位计算机(5)连接起来；真空泵(11)通过真空软管(14)与负压控制器(12)的出气口(31)连接，负压控制器(12)的进气口(32)通过真空软管(14)与树脂收集器(13)的树脂收集器出气口(33)相连，树脂收集器的进气口(35)通过导流管(7)与纤维织物性能测试装置(2)的出射口(18)相连，树脂收集器(13)的真空压力表(34)用来显示过程压力值；铝合金模具(15)正面加工有四周凹槽(16)用于铺放密封胶，在长度方向两端分别加工有出射口(18)和注射口(25)，在长度中心位置处加工出圆形台阶(23)，在圆形台阶上用匹配尺寸不带孔不锈钢圆形板(46)覆盖并采用密封胶密封，在长度方向中心线对称位置上加工有两个方形台阶(22)，台阶上两端分别加工有两个螺纹孔，将用光纤专用胶黏剂(40)粘附有光纤光栅传感器(42)的铝合金薄板(38)采用沉头螺钉(41)通过连接方形台阶(22 )的沉头螺孔(39 )固定在方形台阶(22 )上，将光纤光栅传感器(42 )沿着铝合金模具(15)表面加工出的过渡凹槽(37)并延伸至模具边缘的四周凹槽(16)，在铝合金平板模具(15)宽度方向中心线上加工出两个螺纹孔用以安放正置于纤维织物性能测试装置(2)上方的铝合金中间带有通孔槽的铝板横梁(21)，并采用上下螺母(8)进行固定在铝板横梁(21)上；涡流位移传感器(24)通过匹配的数据连接线与位移信号放大器(27)连接，位移信号放大器采用匹配的数据连接线与位移信号调制解调器(26)相连，位移信号调制解调器(26 )最终通过USB数据连接线(10 )与上位计算机(5 )相连；铝合金薄板(38 )通过沉头螺钉(41)铆接在纤维织物性能测试平台(2)的铝合金模具(15)的方形台阶(38)上的沉头螺孔(39 )中，光纤光栅传感器(42 )通过采用光纤光栅专用胶黏剂(40 )粘接在铝合金薄板(38)背面宽度方向中心处，光纤光栅传感器(42)沿着铝合金模具(15)正面处的过渡凹槽(37)延伸至四周凹槽(16)，通过光纤调制连接线(28)与光纤信号调制解调器(30)的光纤光栅信号连接通道(43 )连接，光纤信号调制解调器(30 )通过USB数据连接线(10 )与上位计算机(5)连接，连接完成后根据实验需求设置好相应参数采集频率及数据存储目录； 第三步:纤维织物的铺放与封装 第二步完成后，将裁剪完成的纤维织物(20)按照实验需求叠放整齐在铝合金模具(15)的注射口(25)及出射口( 18)之间，分别在注射口(25)及出射口(18)位置处放置一个与纤维织物宽度相等的树脂螺线管(45)并采用密封胶与铺放在四周凹槽(16)处的密封胶(44)连接成一体，并与导流管(7)相连，导流管(7)与盛放浸润液体的容器(6)相连，在进行干态压实时将树脂注射口(26)密封，防止漏气；在进行纤维织物的湿态压实及面内渗透率测试时将树脂注射口(26)插入到浸润液体内部，另外一端的树脂螺线管(45)引出至四周凹槽(16)处的密封胶(44)外，采用导流管(7)与树脂收集器(13)的进气口(35)相连；待安放完毕后，裁剪处适当大小的真空袋薄膜(19 )，采用密封胶(44)在铝合金模具(15 )正面上面的四周密封胶(44)上密封，在适当的位置打褶皱以保证注射口(25)和出射口(18)之间的纤维织物所在处的真空袋(19)平整，在真空袋表面对应涡流位移传感器(24)的正下面粘贴一列铝箔纸以增大真空袋(19)的导电性；铝合金模具(15)两侧的立柱(17)用于放置中间开有通槽的铝板横梁(21)，并采用螺母(8)进行固定，用于纤维织物厚度测量的涡流位移传感器(24)通过上下方用匹配螺母(25)的方式固置在铝板横梁(21)上；涡流位移传感器(24)通过位移信号放大器(27)与位移信号调制解调器(26)连接，并通过USB数据连接线与上位计算机(5)相接； 待封装完成后，在相应控制程序中设置好实验所需的实验参数，待清零后即可进行干态压实特性的实验；实验开始前，采用两个涡流位移传感器首先测试出欲实验纤维织物预成型体的初始厚度；实验过程同时采集纤维织物的厚度变化和受到的压实力数据，涡流位置传感器可以监测纤维织物的厚度在不同作用力下的变化，光纤光栅压力传感器用于监测实验过程中作用在纤维织物上的压实力大小；根据初始厚度和厚度变化即可得到该压实力下纤维织物的厚度，从而可得到纤维织物厚度随压实力的变化关系，再根据纤维织物厚度与纤维体积分数的关系式进而可以得到纤维织物纤维体积分数与压实力间的函数关系；纤维织物的湿态压实性能的测 试时只需将盛放浸润树脂的容器(6)放置在注射口(25)处的导流管(7)附近，测试时直接将导流管(7)插入到容器(6)内部的浸润液体中即可，其他步骤与干态压实特性实验过程相同，即:待封装完成后，设计好所需的实验参数，完成测试软件的平衡清零步骤，即可进行实验；树脂浸润过程中同时保持所有实验数据的采集；纤维织物湿态压实特性的实验结果获得方法如干态压实实验步骤。
8.根据权利要求1-5任意一项的一体化测试装置的纤维织物厚度方向渗透率测试方法，其特征在于包括如下步骤: 第一步:试样选取 将纤维织物(20)裁剪成与尺寸为50*50mm的方形试样，然后按照铺层方式和铺层层数η进行铺叠成纤维织物预成型体； 第二步:实验封装 将清理完成的铝合金模具(15)的正面圆形台阶(23)的带孔不锈钢薄盖板(46)上覆盖三层导流网47，使得从中心注射口出来的树脂首先在铝合金模具(15)表面流动，导流网(47)的渗透率相比于纤维织物高两个数量级，覆盖的三层导流网可保证树脂首先在形成模具表面的均匀流动；接着在树脂导流网(47)上方整齐将裁剪完成的纤维织物(20)，在沿纤维织物(20)厚度方向上相等间距处放置一个薄膜压力传感器(48)以用于当浸润液体流动前锋经过时记录时会产生信号变化，由于薄膜压力传感器(48)的安放位置由实验操作人员自行控制，通过压力信号调制解调器(50)可以方便读取出浸润液体流动前锋随时间的关系，纤维织物的厚度应IOmm以上以保证厚度方向树脂流动前锋位置测试的准确性；在织物上方铺放三层导流网(47)来均流从纤维织物(20)底面注入的浸润液体，在导流网(47)上方放置一个与纤维织物尺寸相同的真空快速接头(49)，将整个装置采用真空袋(19)覆盖，并利用密封胶黏剂(44)密封，封装过程中要保证真空袋(19)的外形在真空压实力下与纤维织物(20 )形状相一致，将真空快速接头(49 )与真空快速接头匹配接头(52 )直接相连，真空快速接头匹配接头(52)通过导流管(7)与树脂收集器(13)的入气口(35)连接；压力信号调制解调器(50)通过USB数据连接线与上位计算机(5)连接，铝合金模具(15)下方的中心注射口接头(29)通过导流管(7)与盛放浸润液体的容器(6)相连； 待封装完成后，在相应控制程序中设置好实验所需的实验参数，待清零后即可进行干态压实特性的实验；纤维织物厚度方向的渗透率性能的数据获得采用纤维织物面内渗透率性能测试相同的方式处理。
9.根据权利要求7或8所述的测试方法，其特征在于:所述试样为不含树脂的纤维织物，可以包括平纹织物、斜纹织物、缎纹织物、单向织物等； 所述铺层方式可以根据复合材料构件设计的需要进行设计，可以是单向铺层、正交铺层、准各向同性铺层等； 所述铺层层数η仅需按照实验测试的需求确定。
10.根据权利要求7或8所述的测试方法，其特征在于:所述浸润液体可以是大豆油、玉米浆、不饱和聚酯或其他可用于真空辅助成型工艺的树脂。
【文档编号】G01N15/08GK103954743SQ201410129959
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】蒙邦克, 郭艳丽, 王长春, 甘民可, 白光辉, 张博明 申请人:北京博简复才技术咨询有限公司