材料技术—复合材料LCM工艺实时监测的研究

作者：瑞祥微电子点击：1473 时间：2013/1/7

      复合材料液体成型工艺LCM工艺方法灵活，产品可设计性强，是近年发展起来的一种高性能低成本先进复合材料制备技术，已广泛应用于航空航天、船舶、交通运输和民用工业等领域。LCM工艺中，模具设计的不合理或者纤维预成型体的铺敷不当，在充模时容易形成空气包裹而产生干斑，使产品报废。因此，有必要通过实时监测技术，对树脂的流动前沿进行实时监测，及时调整工艺参数，缺陷产生。

      目前LCM工艺流动的实时监测技术发展迅速，传感器种类比较丰富，如光纤光栅传感器，压力传感器，超声波传感器，直流电传感器，介电传感器等。流动传感器按照安装方式以及获取的数据性质可分为两类，一类是树脂到达传感器所在位置，由监测信号定性判断树脂到达该区域的定点式传感器；另一类是树脂在一对平行放置的导线间流动，通过测量平行导线间树脂的电阻或阻抗，获得与树脂前沿位置线性变化传感信号，连续监测树脂流动的直线型传感器。后者可以用较少的传感元件，及时准确获取树脂的流动前锋沿着导线长度方向的实时信息，显现了用于LCM工艺在线监控的潜力。

      本文采用碳纤维束作为传感元件，建立了一套可靠、价廉、简便易用的监测系统，用于LCM工艺中树脂流动的实时监测，并研究温度、碳纤维间距、树脂体系不同因素对监测结果的影响。

      1 LCM实时监测系统原理

      实时监测系统包括三个部分：碳纤维束构成的传感电极、电源、信号采集系统。

      该监测系统是基于树脂的导电性监测树脂的流动。碳纤维束间的树脂可等效为理想电容C与电阻R1并联，然后与分压电阻R串联。

      树脂的阻抗Zs与树脂流动位置x成反比。分压电阻R两端的有效电压值UR与树脂流动位置x成正比：

      有效电压值UR与树脂的位置x的线性比例系数与电源电压U、交流电频率。ω、分压电阻R、树脂的介电常ε、电阻率p、电极间距d等有关。

      2 实验部分

      3 结果与分析

      3.1不同电极间距对监测结果的影响

      树脂为不饱和聚酯，促进剂为环烷酸钴液，固化剂为过氧化甲乙酮，树脂/促进剂／固化剂的质量比为100/0.6/1.5,温度均为室温18℃。

      改变平行碳纤维电极的间距1cm、2cm以及4cm,研究相应的变化。
      1cm：u＝1075.8＋30.7x,相关系数R＝0.999
      2cm：u＝1049＋22.1x,相关系数R＝0.997
      4cm：u＝1027.8＋18.7x,相关系数R＝0.998
      1cm,2cm,4cm导线间距的情况下,树脂沿碳纤维导线前进1cm,有效电压值分别增大30.7mv、22.1mv,18.7mv以发现,减小碳纤维间距,比例系数增大，有效提高对树脂流动前锋监测的灵敏度。碳纤维间距对比例系数影响规律一致。

      碳纤维束间距的安排还需考虑碳纤维束的编织问题。所使用的碳纤维束以及方格布玻璃纤维束宽度分别为2.2mm和2.5mm。两者宽度接近，因而能将碳纤维束很好地固定在玻璃纤维布上。方格布上的纤维束间的缝隙使得相邻两根碳纤维束编织入玻纤布不可能绝对平行，如果间距太小，缝隙引起的间距细微差别可能会使比例系数沿着碳纤维的长度方向不再是一个恒定值，对于流动位置的监测也不再准确。因而在碳纤维间距的确定上，应当选用与增强材料纤维束宽度相近的碳纤维束作为电极。然后根据纤维束的宽度，选择较小的碳纤维间距。

      3.2温度对监测结果的影响

      温度是RTM工艺中重要的工艺参数。碳纤维间距为2cm时，对比不饱和聚酯和乙烯基树脂两种树脂在20℃、30℃、40℃下充模时对应的有效电压值变化。

      有效电压值UR与树脂流动位置x在不同的温度下都有很好的线性关系。根据图5,6中的U-x关系，线性拟和得到。

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