CN105300915A - 用于测试材料的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种用于测试材料的方法和设备。更具体地但非排他性地，本发明涉及一种利用红外光谱法测试材料的方法和设备。本发明还涉及对在利用红外光谱法测试材料时使用的红外光谱仪进行校正。本发明提供了一种对红外光谱仪进行校正以用于对航空航天工业中的复合材料进行测试的方法，该方法包括下述步骤，选择具有影响在航空航天工业中使用的复合材料的可能性的物理特性的多个变量，为每个变量选择多个值，以及将变量和值输入到实验模型的设计中，由此获得样品测试矩阵。
Description
技术领域
本公开涉及一种用于测试材料的方法和设备，更具体地但非排他性地，本发明涉及一种利用红外光谱法测试材料的方法和设备。本发明还涉及在利用红外光谱法测试材料时使用的红外光谱仪的校正。
背景技术
红外光谱法可以用于测量和/或监测复合材料的物理性能。复合材料在航空航天工业中广泛地使用。航空航天工业具有与材质相关的严格的标准。在飞行器的寿命期间，可能会发生损坏飞行器部件的各种事件。示例事件包括雷击、在制造或维护期间在飞行器中钻出的孔、电拱(electricalarching)、以及在制造或维护期间的对材料的激光处理。这些事件会导致构成飞行器的复合材料的热降解。替代性地，在制造或维护飞行器或飞行器部件期间，复合材料可能会过热，例如在对复合材料进行固化期间可能会过热。
欧洲专利公报号EP2138829公开了利用中间范围红外光谱法测量在航空航天工业中使用的复合材料的热效应。手持式红外光谱仪用于对材料进行测量，通过将红外光谱与光谱的数据库进行比较来确定该材料的物理性能。该手持式红外光谱仪利用多元校正过程进行校正。该过程会是耗时的。
本发明寻求缓解上述问题。替代性地或此外，本发明寻求提供对红外光谱仪进行校正的改进的方法。
发明内容
根据本发明的第一方面，本发明提供了一种对红外光谱仪进行校正的以用于测试在航空航天工业中的复合材料的方法，该方法包括下述步骤：
选择具有影响在航空航天工业中使用的复合材料的可能性的物理特性的多个变量；
为每个变量选择多个值；
将变量和值输入到实验模型的设计中；
由此获得样品测试矩阵。
本发明可以包括一种对红外光谱仪进行校正用于测试在航空航天工业中的复合材料的热效应的方法。热效应会由于雷击、在制造或维护期间在飞行器中钻出的孔、电拱、以及在制造或维护期间的对材料的激光处理而出现。这些事件会导致构成飞行器或飞行器部件的复合材料的热降解。替代性地，在制造或维护飞行器或飞行器部件期间，复合材料可能会过热，例如在对复合材料进行固化期间可能会过热。
利用实验设计的方法可以减少为了获得用于红外光谱仪的结果数据库(为了将结果与该数据库进行比较)所需的测试。可以提高校正的精确度，尤其对安全且高度控制的产品而言是有利的。可以减小不能表征样品损坏的风险。在同一校正期间可以对多于一个的树脂类型进行校正。在不需要显著提高测试成本的情况下可以对材料的多个性能进行测试。该方法可以提供对样品造成损坏的更精确的历史。
多个变量可以包括复合材料叠铺的构造，例如，叠铺可以包括50/40/10指向的叠铺或25/50/25准各向同性叠铺。
多个变量可以包括复合材料是否包括多孔铜箔(ECF)。
多个变量可以包括复合材料是否被涂覆。
多个变量可以包括复合材料是否已经被湿式老化。
多个变量可以包括复合材料固化过程中的加热速度。加热速度可以包括样品被扔到热炉中(高加热速度)或样品以每分钟2摄氏度加热(低加热速度)。
多个变量可以包括样品达到的最大温度。例如，达到的最大温度可以是200摄氏度、220摄氏度或240摄氏度。
多个变量可以包括是否允许样品具有任何保持时间。例如，可以允许样品保持时间为三小时或不具有保持时间(小于1小时)。
多个变量可以包括样品的冷却速度，意味着样品被多快地冷却。样品可以以每分钟7摄氏度(中等冷却速度)或每分钟2摄氏度(低冷却速度)被冷却。
校正方法可以包括根据测试矩阵对多个复合材料样品进行测试。该方法可以包括使通过所述红外光谱仪检测的红外光谱与测量的样品的物理特性关联。测量的物理特性可以包括样品的支承强度，样品的平面压缩强度以及/或者样品的层间剪切强度。红外光谱与测量的物理特性的关联形成测量结果的数据库。在对飞行器或飞行器部件进行测量时该测量结果的数据库可以由红外光谱仪访问，以提供飞行器或飞行器部件的物理特性的测量。
根据本发明的第二方面，提供了一种对包括复合材料的飞行器或飞行器部件进行测试的方法，该方法包括下述步骤：
利用红外光谱仪对复合材料进行测量，由此获得红外光谱，
将该红外光谱与由根据本发明的第一方面获得的红外光谱与关联的物理特性的数据库进行比较；
由此提供与复合材料的物理特性相关的值。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于对飞行器或飞行器部件的材料特性进行测试的红外光谱仪。该红外光谱仪如参照本发明的第一方面所描述的那样进行校正。
当然，应理解的是，参照本发明的一个方面描述的特征可以并入到本发明的其他方面中。例如，本发明的方法可以结合参照本发明的设备描述的任何特征，反之亦然。
附图说明
现在将通过示例仅参照所附其示意图对本发明的实施方案进行描述，其中：
图1示出与根据本发明的第一实施方案的方法相关的流程图；
图2示出与根据本发明的第二实施方案的方法相关的流程图；
图3示出根据本发明的第三实施方案的红外光谱仪的示意性表示；
图4示出根据本发明的第四实施方案的可以输入到实验模型的设计中的多个变量；以及
图5示出可以由根据本发明的第五实施方案的实验模型的设计产生的测试矩阵。
具体实施方式
本发明提供了对红外光谱仪进行校正的方法以用于对在航空航天工业中使用的复合材料进行红外测量。可以使用的示例的光谱仪为手持式红外光谱仪，例如可得自美国AgilentTechnologies，SantaClara的4100ExoScanSeriesFTIR。利用手持式红外光谱仪允许工程师在现场对材料进行简单地评价。光谱仪可以根据材料如何被使用或应当被使用来提供复合材料是否可用、是否应当被修复、或是否应当被替换的清楚的指示。光谱仪可以允许复合材料在暴露于潜在的热损害之后被测试。
图1示出根据本发明第一方面的校正过程。首先，在步骤10处准备许多复合材料样品。这些复合材料样品在设定的环境条件下存储设定的时间，如由步骤12所指示的。样品在不同的环境条件下存储不同的时间长度以为校正过程提供广泛的样品基础。为了给出本方法适合的精确度，所需的条件的范围和样品的数量参照图4展开。这使得对各种调节的复合材料样品进行采集14。这些样品中的每个样品随后由红外光谱仪进行检验16，并且还进行机械测试18。因此，对每个样品而言，获得了红外光谱、以及样品的一个或更多个机械性能的评价。这些测量结果存储在数据库中，并且执行统计分析以使样品的红外光谱与物理性能关联，如在步骤20中所示的。样品的分析包括将样品归类为“可接受的”或“不可接受的”，如由步骤22所指示的。在这种情况下，“不可接受的”表示材料不再适于使用并且应当被修复或替换，以及“可接受的”表示材料适于使用并且不需要修复或替换。输出可以为照在测试装置上的不同光线的形式或与测试装置关联的屏幕上以文字和/或颜色来表示结果的形式。
在一个替代实施方案中，输出可以包括对样品的机械性能进行的测量，例如对拉伸强度进行的测量，使得将来类似的样品的红外测量产生相同的机械性能读数。技术人员可以评价所测量的机械性能具有的值以确定所测量的材料是否需要任何修复或替换。
在校正过程中的最后的步骤24时，红外光谱仪利用结果数据进行编程，使得将来测量数据分析可以自动地执行，如参照图2进一步描述的。
图2示出根据本发明的第二实施方案的方法。红外光谱仪-如参照图1描述的那样进行校正-用于对由复合材料制成的样品进行测量，如在步骤26处所示出的。测量光谱随后在步骤28处通过光谱仪进行分析，在步骤28处与所存储的光谱结果进行比较。光谱的分析导致确定复合材料落入哪个类别-可接受的或不可接受的，并且在步骤30处，光谱仪输出用户可读的类别指示。一旦红外光谱仪已经被正确校正，具有相同规格的红外光谱仪-例如具有相同制作和型号的红外光谱仪-可以通过适合的校正数据进行编程而无需重复实际的校正过程。在一个替代实施方案中，类别30的指示可以由与所测量的材料的机械性能、例如拉伸强度相关的值的指示来替换。
图3示出根据本发明的第三方面的光谱仪。光谱仪32为手持式光谱仪，该光谱仪32包括红外测量装置34、控制单元36、存储单元38和显示器40。红外测量装置具有可以被技术人员理解的通用构造。示例的红外测量装置为手持式IR光谱仪4100ExoScanSeriesFTIR，其可得自美国AgilentTechnologies，SantaClara。存储单元38包括红外光谱与如在参照图1描述的校正期间获得的测量结果之间的关联的数据库。为了进行测量，用户握住红外测量装置直至材料并且启动该装置。测量结果通过控制单元36分析，并且与结果的数据库进行比较。根据分析结果，显示器40指示出材料落入哪个类别中。
图4示出可以将许多变量输入到实验模型的设计中以确定如何对样品进行调节以用于上文所述校正过程。该变量包括：
叠铺-例如样品叠铺可为50/40/10指向，或25/50/25准各向同性；
多孔铜箔(ECF)-样品是否包括多孔铜箔；
涂覆-样品是否被涂覆；
湿式老化-样品是否已经湿式老化；
加热速度-样品被多快地加热，例如将样品扔在炉中(高速)或以每分钟2摄氏度(低速)；
达到的温度-达到的最大温度，例如200摄氏度、220摄氏度或240摄氏度；
保持时间-是否允许样品具有保持时间(3小时)或无保持时间(1小时)；
冷却速度-样品被多快地冷却，例如以每分钟7摄氏度(中间速度)或每分钟2摄氏度(低速)。
测试的参数可以包括样品的红外光谱、样品的支承强度、样品的平面压缩强度以及样品的层间剪切强度。
参数的选择取决于技术人员对复合材料所具备的知识。参数输入到实验方法的设计中以获得得到可靠的一组校正测量所需要的测试矩阵。测试矩阵在图5中示出。如可以观察到的，确定15种构造足以提供适合的一组校正测量。技术人员可使用许多计算机软件包来运行实验模型的设计，该软件包包括可得自SAS的JMPwww.jmp.com-于2014年7月可得)和开放源软件R-Project(www.r-project.org-于2014年7月可得)。
这与对变量的每个可能的组合进行测试形成对比-具有八个变量选择和每个变量两级(为了简单起见忽略了温度要达到具有三个级别的变量)的变量的每个可能组合会导致256个构造要被测试。这在对红外光谱仪的进行校正所需的时间和成本上呈现出明显的节约。每个构造可以包括以相同的方法进行调节的三个样品，以允许实施三个机械测试中的每个。所需的样品的总量这时为45。这与对具有成百上千的总量的多种样品的每个构造进行测试形成对比。
在图5中突出显示的示例构造为构造4。在该构造中，样品具有25/50/25的叠铺，没有ECF，未涂覆，经历快加热速度、中等冷却速度，达到200摄氏度的最大温度，不具有任何保持时间并且未被湿式老化。
测试矩阵确定在进行如参照图1所述的测量之前样品被如何进行调节的。为了提供参考光谱，红外光谱仪可以在样品进行调节之前对样品测量。对被涂覆的样品而言，在涂覆原料之前也可以获得参考光谱，并且在涂覆之后但在调节之前获得与过热的涂料关联的光谱。在调节之后，可以在被涂覆的样品上执行测量以获得与过热的涂料关联的光谱，并且在样品已经被用砂纸磨打以移除涂料之后获得过热样品的光谱而不受涂料残留的影响。
为了提供由材料制成的每个样品的代表性测量，每个样品可以在理论上细分为许多“单元”。光谱仪可以对每个单元的光谱进行测量，并且获得针对整个样品的平均读数。
尽管本发明已经参照特定实施方案描述且示出，但本领域技术人员应理解的是，本发明适用于许多不同的改型而非在本文中特定示出的。
在前面的描述中提及了整体或元件，这些整体或元件具有已知的、明显的或可预知的等同方案，然后这些等同方案可如同单独阐述的那样结合在本文中。应该参照权利要求来确定本发明的真实范围，权利要求应当理解为包括任何这种等同方案。读者还应理解的是，本发明的描述为优选的、有利的、方便的整体或特征是可选的并且不限制独立权利要求的范围。此外，应理解的是，该可选的整体或特征虽然在本发明的一些实施方案中可能是有益的，但是在其他实施方案中可以是不期望的并且因此可以省略。
Claims (5)
1.一种对包括复合材料的飞行器或飞行器部件进行测试的方法，所述方法包括下述步骤：
通过选择具有影响在航空航天工业中使用的复合材料的可能性的物理特性的多个变量对红外光谱仪进行校正，所述校正包括：
为每个变量选择多个值；
将所述变量和所述值输入到实验模型的设计中，由此获得样品测试矩阵；
根据所述测试矩阵对多个复合材料样品进行测试，由此获得多个红外光谱；
对所述复合材料样品的物理特性进行测试；
使通过所述红外光谱仪检测的红外光谱与测量的样品的物理特性关联；
其中红外光谱与测量的物理特性的所述关联形成测量结果的数据库；所述测试方法还包括：
利用红外光谱仪对包括所述复合材料的所述飞行器或飞行器部件进行测量，由此获得红外光谱，
将所述红外光谱针对红外光谱和关联的物理特性的数据库进行比较；
由此提供与所述复合材料的物理特性的测量相关的值。
2.根据权利要求1所述的方法，包括校正红外光谱仪用于测试在所述航空航天工业中的复合材料的热效应。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述多个变量包括以下中的至少之一：
所述复合材料叠铺的构造；
所述复合材料是否包括多孔铜箔(ECF)；
所述复合材料是否被涂覆；
所述复合材料是否已经湿式老化；
复合材料固化过程中的加热速度；
复合材料固化过程中所达到的最大温度；
是否允许所述复合材料具有任何保持时间；或者
所述复合材料的冷却速度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，测量的物理特性包括以下中的至少之一：
样品的支承强度；
样品的平面压缩强度；或
样品的层间剪切强度。
5.一种用于对飞行器或飞行器部件的材料特性进行测试的红外光谱仪，所述红外光谱仪根据权利要求1至4中任一项进行校正。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20160203 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |