一种基于叉指电极的树脂基复合材料纤维取向测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于树脂基复合材料纤维取向测量领域。
【背景技术】
[0002] 树脂基复合材料，也称纤维增强塑料，其特点是比重小、比强度和比模量大，因此 在航天，汽车，化工及医学等领域得到广泛的应用。这种材料是由短、长纤维或连续纤维增 强热固性或热塑性树脂基体，经复合而成。在其的加工过程中，纤维随熔体流动方向取向， 并随恪体各处剪切与温度的不同，呈现一定的取向分布。纤维在最终产品的取向决定着最 终产品的力学性能、光学性能及热物理性能。纤维取向的测量是复合材料物理机械性能研 究的一个重要指标，而快速，准确地获取纤维取向结果显得尤为关键。
[0003] 目前，公开报道的复合材料纤维取向测量方法主要分为两大类，一类是直接观测 法，显微图量角法和显微镜标尺法；另一类是间接表示法，利用其各向异性的特征，采用声 学，热学或电磁学的方法表征纤维取向。然而对于直接观测法，为了获取较好的纤维与基 体的对比度，待测试样准备过程较复杂。对于间接表征方法，均需要声学，热学或电磁学的 测试仪器，设备平台安装与调试复杂，且成本较高。1983年，S.H.McGee提出一种显微照相 结合小孔散射技术快速获得取向特征的方法测定纤维取向。1988年，G.Fischer发明了一 种图像分析法，通过分析相互垂直截面纤维取向，来获得纤维的三维取向，并进行了误差校 正。到了 20世纪90年代，随着图像处理技术的发展，F.Gadala-maria开发了一种数字图 像处理技术来测定纤维取向。而随着显微照相技术的提高，A.R.Clarke采用共焦激光扫描 显微镜来研究纤维取向，成为一种研究纤维取向的新标准。到2000年以后，越来越多研究 各向异性的方法被用于研究纤维取向测定。2002年，YoshimiWatanabe将电磁各向异性检 测方法应用于具有磁性纤维的取向测定。2008年，Η.Y.Lee根据材料介电性质的各向异性， 实验测定了石墨纤维环氧树脂材料的纤维取向。2009年，I.Y.Yang采用一种单边一发一收 超声技术，实现了对碳纤维增强塑料的纤维取向测定。最近的2015年，H.Fernandes发掘 了主动热红外成像技术在纤维取向测定上应用。
[0004] 目前，公开专利中大都是对非织造布纤维取向的测定方法，非织造布的材料较薄， 可结合非接触测量及图像识别技术，来进行平均取向的测量。但由于大部分树脂基复合材 料均的成型件厚度不一，若采用上面方法测量取向，需要对材料进行切片处理，这过程容易 影响其本身原始取向。现有的一些采用无损检测技术类复合材料取向测量方法利用材料的 各向异性，即光学各向异性与声学各向异性来进行测量，一方面对待测试样的光学与声学 特性有要求，且测试设备较复杂，实施不易。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于叉指电极的树脂基 复合材料纤维取向测量方法，使用叉指电极可对树脂基复合材料在不同电场方向上的电容 值进行分析，测量出其纤维取向角。
[0006] 为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于叉指电极的树脂基复合材料纤维 取向测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007] 1)将由树脂基复合材料制成的待测试样固定在旋转载物台上，其中，所述旋转载 物台包括固定支架、电机和载物平台，所述电机安装在所述固定支架上并且其转轴竖直设 置，所述载物平台固定安装在所述电机的转轴上，以承接所述待测试样并带动所述待测试 样旋转，所述待测试样水平放置在所述载物平台上；
[0008] 2)在待测试样上表面涂一层润滑油，将叉指电极与待测试样上表面贴合并将叉 指电极与电容测试仪连接；其中，所述叉指电极贴在基底上，所述基底固定在所述固定支架 上，所述叉指电极包括多根相互平行的叉指，所述叉指浸入待测试样上表面的润滑油中，此 外，从俯视图上看，叉指电极在待测试样上的投影位于待测试样的边缘所围区域内；
[0009] 3)让载物平台带动待测样品旋转360度，并采用电容测试仪测量在待测样品旋转 时叉指电极的电容变化情况，其中，载物平台的转速为ωρ圈/分，电容数据采集频率ω3欠 / 秒，且 1〇3ΧωΡ;
[0010] 4)获取电容值最大时所述电容测试仪采集数据量的个数Ν，则获得纤维取向与所 述叉指宽度方向所成的角~ =--=，单位为度。 &c
[0011] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有 益效果：本发明利用叉指电极的结构优势，实现了通过材料的介电各向异性测量树脂基复 合材料的纤维取向。本发明无需待测试样准备过程，采用无损检测技术，方法简单，易实施， 且为电学量测量，精度高，便于树脂基复合材料物理机械性能的判断。
【附图说明】
[0012] 图1为本发明中附在基底上的叉指电极的结构示意图；
[0013] 图2为叉指电极贴在待测试样上时的剖面图；
[0014] 图3为本发明的测量原理示意图；
[0015] 图4为本发明中Ce与Θ的关系示意图；
[0016]图5为本发明中的测量装置测量树脂基复合材料纤维取向角时的结构示意图。
【具体实施方式】
[0017] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0018] 参照图1~图5,本发明的叉指电极2结构能提供单向测量便利，相对于平行平板 电容，对受测材料没有过多边界约束，其示意图见图1，叉指电极2具有一对电极，每个电极 具有多根相互平行的叉指21并且每个电极均附着在基底3上，其中一个电极接电源的正 极，另一个接电源的负极。
[0019] 图2中电极以下为基底3,基底3的介电常数为εs，电极以上空间包括待测试样5 和待测试样5上的一层润滑油4,此处润滑油4 一方面起到隔绝水汽与空气的作用，一方面 增强待测材料与电极之间的介电耦合。
[0020] 叉指电极2与上介电质（即待测试样5和润滑油4)和下介电质（即基底3)构成 的电容为Ce，如公式（1)，
[0021]
[0022] 其中C。