一种纤维织物面内、面外渗透率测试装置的制作方法

本发明实施例涉及复合材料测试技术领域，具体涉及一种纤维织物面内、面外渗透率测试装置。

背景技术：

为了提高资源和能源的利用率，满足制造业高效、清洁和绿色生产的要求，以及在“大飞机”国家重大科技专项的发展趋势下，开发出高效、节材和节能的绿色制造工艺及产品，提高制造业的工艺水平和掌握核心生产工艺是当前形势下的迫切要求。复合材料液体成型工艺(LCM)因具有低成本、一体化和尺寸精确的特点而成为一种关键的新型液体成型技术。在复合材料液体成型技术中由于纤维预成型体的渗透性能不同可能会出现干斑和缺陷，与渗透性能相关的重要参数就是获得工业界关注的增强材料的渗透率。纤维渗透率可分为面内渗透率和面外渗透率。纤维织物的面内渗透率和面外渗透率是复合材料液体成型工艺中模拟注模过程、设计模具和优化工艺的重要参数。面内渗透率是液体流过平面内纤维织物时所受的阻力参数。面外渗透率是液体通过纤维织物厚度方向时所受的阻力参数。对于薄壁壳复合材料结构件，有很大的表面积，与结构件的厚度相比，厚度可以忽略，只考虑增强材料的面内渗透率，故在复合材料液体成型过程中，可将液体充模简化为二维流动。而对于厚度较大的复合材料结构件，树脂流动分为三个方向，树脂沿厚度方向的渗透率分量不能忽略。随着大面积和厚截面复合材料结构件在液体成型工艺中的应用，纤维织物的面内和面外渗透率的测试装置的建立和测试技术的开发都表现出重要的理论意义和实际的应用价值。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下缺陷：

采用的面内和面外渗透率的测试装置结构都比较复杂，并且成本高，而测试方法也比较复杂，数据的获取比较困难，例如液体流动前锋对应的时间参数。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种采用真空袋封装预成型体，以及在预成型体上表面设置流量计，从而使得数据获取简单化的纤维织物面内、面外渗透率测试装置。

根据本发明的一个方面，提供一种纤维织物面外渗透率测试装置，包括：第一模具，其上设有通孔；第一注胶装置，通过注胶管道连通所述通孔，用于将液体输入所述通孔；待测纤维织物，覆盖于所述通孔一侧，吸收所述通孔中的液体；真空袋，罩设在所述待测纤维织物上，且固定于所述第一模具，使得所述待测纤维织物容置于所述真空袋与第一模具形成的真空腔内，其上某处设有开口；流量计，其上的管道一端穿过所述开口贴合所述待测纤维织物，另一端连接第一出胶装置，用于测量单位时间内流经所述待测纤维织物的液体体积。

进一步，所述真空袋的所述开口处设有真空阀，所述真空阀一端连通所述流量计的管道，另一端贴合所述待测纤维织物。

进一步，所述通孔为螺纹通孔，所述注胶管道与所述通孔连通的一端设有接头，所述接头表面设有与所述螺纹通孔相咬合的螺纹。

进一步，还包括两个导流网，所述两个导流网分别设置在待测纤维织物与真空阀之间，和所述待测纤维织物与所述通孔之间。

进一步，所述真空腔内还设有填充物，所述填充物贴合设置于待测纤维织物的周围。

进一步，所述真空袋通过设置在所述第一模具上的一圈密封胶固定于所述第一模具。

进一步，所述第一出胶装置为压力罐。

根据本发明实施例的另一方面，提供一种纤维织物面外渗透率的测试方法，用于上述任一种所述的纤维织物面外渗透率测试装置，包括：将真空腔内的空气抽出，使得真空腔内的气压值达到预设气压值；第一注胶装置内的液体在大气压作用下经过注胶管道和通孔流入所述待测纤维织物，并经所述待测纤维织物流入所述流量计；记录流经所述流量计的液体体积；当室内温度为预设温度时，测试第一注胶装置中液体粘度，记为μ，和测试第一出胶装置中液体压力值，记为ΔP；根据液体体积、液体粘度μ和液体压力值ΔP计算所述待测纤维织物的面外渗透率K。

进一步，根据液体体积、液体粘度μ和液体压力值ΔP计算所述待测纤维织物的面外渗透率K的步骤具体为：

$K=\frac{\mathrm{\μ}QL}{A\mathrm{\Δ}P};$

式中，μ为当室内温度为预设温度时，测试的流入通孔中液体的粘度；Q为单位时间内流入流量计内部的液体体积；L为所述待测纤维织物的厚度；A为所述待测纤维织物的横截面面积；ΔP为测试所述第一出胶装置中的液体压力值。

进一步，所述测试第一出胶装置中液体压力值的步骤包括：将压力罐上显示的压力值作为所述液体压力值，记为ΔP。

根据本发明实施例的又一方面，提供一种纤维织物面内渗透率测试装置，包括：第二模具，其上设有待测纤维织层；输入管道，一端连接至第二注胶装置，另一端设于所述待测纤维织层一侧，以将所述第二注胶装置中的液体输入所述待测纤维织层；输出管道，一端设于所述待测纤维织层另一侧，另一端连接至第二出胶装置；真空包装袋，罩设在所述待测纤维织层上，且固定于所述第二模具，使得所述待测纤维织层、所述输入管道另一端的一部分和所述输出管道一端的一部分容置于该真空包装袋与所述第二模具形成的密闭空间内；摄像机，设于所述待测纤维织层旁，以记录液体流动前锋。

进一步，所述输入管道和所述输出管道平行设置于所述待测纤维织层的两侧。

进一步，所述输入管道的液体出口和所述输出管道的液体进口的连线与所述待测纤维织层的其中一条边平行。

进一步，还包括第一夹紧装置，所述第一夹紧装置设于所述输入管道上。

进一步，还包括第二夹紧装置，所述第二夹紧装置设于所述输出管道上。

进一步，所述第二出胶装置为压力罐。

进一步，所述真空包装袋通过设置在所述第二模具上一圈的密封胶固定于所述第二模具。

根据本发明实施例的另一方面，提供一种纤维织物面内渗透率测试方法，包括：第二注胶装置内的液体在大气压作用下经输入管道流入待测纤维织层；通过摄像机记录纤维织层中液体流动的视频，以获取液体流动前沿到达所述纤维织层的时间参数t；当室内温度为预设温度时，测试第二注胶装置中液体的粘度，记为η，和测试液体出胶装置中液体的压力值，记为ΔP'；根据时间参数t、液体的粘度和液体的压力值计算所述待测纤维织层的面内渗透率。

进一步，读取第二出胶装置上压力表的压力值，作为液体的压力值。

进一步，所述根据时间参数t、液体的粘度和液体的压力值计算所述待测纤维织层的面内渗透率的步骤包括：

根据以下公式计算所述面内渗透率：

式中，η为当室内温度为预设温度时，测试的流入第二注胶管中液体的粘度；ΔP'为测试的第二出胶装置中液体的压力值；t为根据摄像机录制的液体流动的视频获取的当液体流动前沿到达所述待测纤维织层时的时间；L'为所述输入管道和液体流动前沿之间的距离；为常数。

本发明实施例通过采用真空袋封装待测纤维织物或待测纤维织层，代替现有技术中金属制成的上模具，降低了整套模具的制造成本；

采用流量计来计量单位时间内流出待测纤维织物的液体体积，计量结果更加准确；

在待测纤维织物和通孔之间，以及待测纤维织物上方贴合其分别设置两个导流网，使得液体能够快速布满待测纤维织物与通孔之间的导流网，然后沿着厚度方向均匀浸润；

在待测纤维织物周围贴合其设置填充物，以避免真空袋和待测纤维织物之间存在较大缝隙，形成架桥，而导致的液体在较大缝隙间流动产生边缘效应；

整套装置结构简单，成本低，且可拆卸，用时再进行组装，组装方便。测试方法中数据获取更简单和更精确。

附图说明

图1是本发明实施例一的一种纤维织物面外渗透率测试装置的结构示意图；

图2是本发明实施例二的一种纤维织物面外渗透率测试方法的流程示意图；

图3是本发明实施例三的一种纤维织物面内渗透率测试装置的结构示意图；

图4是本发明实施例四的一种纤维织物面内渗透率测试方法的流程示意图。

1-第一模具，2-通孔，3-第一注胶装置，4-注胶管道，5-待测纤维织物，6-真空袋，7-流量计，8-管道，9-真空阀，10-导流网，11-填充物，12-密封胶，13-第一出胶装置，14-待测纤维织层；15-输入管道，16-输出管道，17-真空包装袋，18-摄像机，19-第二模具。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

图1显示了本发明实施例一提供的一种纤维织物面外渗透率测试装置的结构示意图。

如图1所示，该面外渗透率测试装置包括：

第一模具1，其上设有通孔2；优选地，第一模具为合金铝模具。然而，应当理解的是，第一模具并不限于合金铝模具，其他类型的模具也都不背离本发明的范围。

第一注胶装置3，通过注胶管道4连通通孔2，用于将液体输入通孔2；作为一种实施例，第一注胶装置3可以采用开口的玻璃杯或者塑料的刻度杯。然而，应当理解的是，第一注胶装置并不限于开口的玻璃杯或者塑料的刻度杯，其他类型盛放液体的装置也都不背离本发明的范围。

待测纤维织物5，覆盖于通孔2一侧，吸收通孔2中的液体；

真空袋6，罩设在待测纤维织物5上，且固定于第一模具1，使得待测纤维织物5容置于真空袋6与第一模具1形成的真空腔内，其上某处设有开口；

流量计7，其上的管道8一端穿过开口贴合待测纤维织物5，另一端连接第一出胶装置13，用于测量单位时间内流经待测纤维织物5的液体体积。优选地，流量计7采用玻璃转子流量计。然而，应当理解的是，流量计4并不限于玻璃转子流量计，其他类型的流量计也都不背离本发明的范围。

其中，真空袋6的开口处设有真空阀9，真空阀9一端连通流量计7的管道，另一端贴合待测纤维织物5。

其中，通孔2为螺纹通孔，注胶管道4与通孔2连通的一端设有接头，接头表面设有与螺纹通孔相咬合的螺纹。优选地，接头为宝塔接头。

优选地，还包括两个导流网10，两个导流网10分别设置在待测纤维织物5与真空阀9之间，和待测纤维织物5与通孔2之间。两个导流网10能够使通过通孔进入待测纤维织物的液体首先沿着待测纤维织物在平面上流动，从而快速浸润底层待测纤维织物，使得液体沿着待测纤维织物的厚度方向均匀流动。

其中，真空腔内还设有填充物11，填充物11贴合设置于待测纤维织物5的周围。优选地，填充物11为雕塑土，雕塑土能够有效地避免液体在真空袋6和填充物11的缝隙间流动而导致边缘效应。填充物的增加，提高了整个测试过程中数据的稳定性。

其中，真空袋6通过设置在第一模具1上的一圈密封胶12固定于第一模具1。

其中，第一出胶装置13为压力罐。压力罐带有压力表，能够测试压力罐的压力值，且压力罐还带有阀门，可以通过打开阀门放气来调节压力值。

作为一种优选实施方式，通孔2、流量计7和真空阀9位于一条竖直线上。

其中，待测纤维织物由多层纤维织品铺设形成。具体地，由于面外渗透率是指液体通过材料厚度方向时所受的阻力参数。因此，本发明实施例中将待测纤维织物由多层纤维织品按照一定的铺设方式铺放形成，一定的铺设方式可以是采用0/90的铺层角度铺叠，当铺设方式采用0度的铺层角度铺叠时，待测纤维织物的横截面为矩形；当铺设方式为采用90度的铺层角度铺叠时，待测纤维织物的横截面为十字状。每层纤维织品均按照预定尺寸剪裁而成，大小和形状均相同。

本发明的面外渗透率测试装置，在测试完成后，可以进行拆卸，部分器件为一次性用品，例如真空袋，因而结构简单，成本低。在下次使用时，可以按照如下方法组装得到本发明的面外渗透率测试装置：

清洗第一模具1；具体地，可以是采用酒精或丙酮等溶剂擦除第一模具表面的污染物；

在第一模具上表面按照由下至上的顺序依次放置一个导流网、待测纤维织物、一个导流网和真空阀，然后在待测纤维织物周围堆积填充物使其贴合待测纤维织物，再采用真空袋将一个导流网、待测纤维织物、一个导流网、真空阀和填充物罩设并固定在第一模具1上，其中，真空阀穿过真空袋连接一管道，该管道连接至第一出胶装置13，且第一模具下表面的通孔通过接头连接一输入管道，该输入管道连接至第一注胶装置。从而，完成组装面外渗透率测试装置。

图2显示了本发明实施例二的一种纤维织物面外渗透率测试方法的流程示意图。

如图2所示，一种纤维织物面外渗透率的测试方法，用于上述任一种纤维织物面外渗透率测试装置，包括：

S201，将真空腔内的空气抽出，使得真空腔内的气压值达到预设气压值；

具体地，是通过打开真空阀，将真空腔内的空气抽出，使得真空腔内的气压值达到预设气压值，预设气压值为-100Kpa；

S202，第一注胶装置3内的液体在大气压作用下经过注胶管道4和通孔2流入待测纤维织物5，并经待测纤维织物5流入流量计7；

S203，记录流经所述流量计7的液体体积；当室内温度为预设温度时，测试第一注胶装置3中液体粘度，记为μ，和测试第一出胶装置13中液体压力值，记为ΔP；

S204，根据单位时间内流过流量计7的液体体积、液体的粘度μ和压力值ΔP计算待测纤维织物5的面外渗透率K。其中，液体体积Q为记录的流经流量计7的液体体积除以记录时间计算得到单位时间内流经流量计7的液体体积。

其中，需要说明的是，面外渗透率测试方法中，待测纤维织物为预先采用液体浸润的纤维织物。

具体地，步骤S204包括：

按照以下公式计算面外渗透率：

$K=\frac{\mathrm{\μ}QL}{A\mathrm{\Δ}P};$

式中，μ为当室内温度为预设温度时，测试的流入通孔2中液体的粘度；Q为计算的单位时间内流入流量计7内部的液体体积；L为待测纤维织物的厚度；A为待测纤维织物的横截面面积；ΔP为测试的第一出胶装置13中液体的压力值。

其中，测试第一出胶装置13中液体压力值的步骤包括：

将压力罐上显示的压力值作为所述液体压力值，记为ΔP。

下面通过举例对上述面外渗透率测试方法进行说明：

采用碳纤维织布HF10A-3K作为测试面外渗透率的预成型体的材料。将碳纤维织布裁切成尺寸为10×10cm矩形，铺放200层，铺层方式为各向同性铺层。采用玉米油作为测试液体，室温为17℃时，在该室温下测得玉米油的粘度为0.016Pa.s。压力差在～90KPa，测定纤维铺层厚度为35mm时面外渗透率为K＝2.06E-13m²。

本发明旨在提供一种通过采用真空袋封装待测纤维织物或待测纤维织层，代替现有技术中金属制成的上模具，降低了整套模具的制造成本；和采用流量计来计量单位时间内流出待测纤维织物的液体体积，计量结果更加准确；和在待测纤维织物和通孔之间，以及待测纤维织物上方贴合其分别设置两个导流网，使得液体能够快速布满待测纤维织物与通孔之间的导流网，然后沿着厚度方向均匀浸润；以及在待测纤维织物周围贴合其设置填充物，以避免真空袋和待测纤维织物之间存在较大缝隙，形成架桥，而导致的液体在较大缝隙间流动产生边缘效应的面外渗透率测试装置和测试方法，装置结构简单，成本低，且可拆卸，测试方法中数据获取相对现有技术的数据获取方法更简单和更精确。

图3显示了本发明实施例三一种纤维织物面内渗透率测试装置的结构示意图。

如图3所示，该面内渗透率测试装置包括：

第二模具14，其上设有待测纤维织层15；

输入管道16，一端连接至第二注胶装置，另一端设于待测纤维织层15一侧，以将第二注胶装置中的液体输入待测纤维织层15；

输出管道17，一端设于待测纤维织层15另一侧，另一端连接至第二出胶装置；

真空包装袋18，罩设在待测纤维织层15上，且固定于第二模具14，使得待测纤维织层15、输入管道16另一端的一部分和输出管道17一端的一部分容置于该真空包装袋18与第二模具14形成的密闭空间内；

摄像机19，设于待测纤维织层15旁，以记录液体流动前锋。

其中，输入管道16和输出管道17平行设置于待测纤维织层15的两侧。

其中，输入管道16的液体出口和输出管道17的液体进口的连线与待测纤维织层15的其中一条边平行。

其中，还包括第一夹紧装置，第一夹紧装置设于输入管道15上。

其中，还包括第二夹紧装置，第二夹紧装置设于输出管道16上。

其中，第二出胶装置为压力罐。

其中，真空包装袋18通过设置在第二模具14上一圈的密封胶固定于第二模具14。

图4显示了本发明实施例四的一种纤维织物面内渗透率测试方法的流程示意图。

如图4所示，一种纤维织物面内渗透率测试方法，其特征在于，包括：

S401，第二注胶装置内的液体在大气压作用下经输入管道流入待测纤维织层；

具体地，可以是通过真空泵与第二出胶装置，调节第二出胶装置中的气压，由于输出管道与密闭空间连通，因此密闭空间内空气会被抽出，使密闭空间达到预设真空负压，进而第二注胶装置内的液体在大气压作用下就会经输入管道流入待测纤维织层。

S402，通过摄像机记录纤维织层中液体流动的视频，以获取液体流动前沿到达纤维织层的时间参数t；

具体地，通过查看摄像机记录的视频，就可以查找到液体流动前沿到达待测纤维织层时的时间了，即液体首次到达待测纤维织层边缘将待测纤维织层浸湿。

S403，当室内温度为预设温度时，测试第二注胶装置中液体的粘度，记为η，和测试液体出胶装置中液体的压力值，记为ΔP'；

S404，根据时间参数t、液体的粘度和液体的压力值计算待测纤维织层的面内渗透率。

其中，读取第二出胶装置上压力表的压力值，作为液体的压力值。

步骤S404包括：根据以下公式计算面内渗透率：

式中，η为当室内温度为预设温度时，测试的流入第二注胶管16中液体的粘度；ΔP'为测试的第二出胶装置中液体的压力值；t为根据摄像机19录制的液体流动的视频获取的当液体流动前沿到达待测纤维织层时的时间；L'为输入管道15和液体流动前沿之间的距离；为常数。

下面通过举例对上述面内渗透率的测试方法进行说明：

例如：采用多层碳纤维织布HF10A-3K作为测试面内渗透率的纤维织层的材料。将纤维织布裁切成尺寸为30×20cm矩形，铺放10层，铺层方式为各向同性铺层。采用玉米油为测试液体，室温为17℃时，在该温度下玉米油的粘度为0.016Pa.s。压力差在-90KPa，测试所得纤维织层面内渗透率为K＝1E-12m²。

本发明旨在提供一种通过采用真空袋封装待测纤维织层，代替现有技术中金属制成的上模具，降低了整套模具的制造成本；和采用摄像机记录液体流动前沿的视频，进而获取液体流动前沿到达待测纤维织层的时间参数的测试装置和测试方法，装置结构简单，成本低，且可拆卸，测试方法中数据获取相对现有技术的数据获取方法更简单，更精确。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。