CN106841005A - 测试液态复合材料渗透率的装置及其应用系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测试液态复合材料渗透率的装置及其应用系统和方法，装置主要包括从下往上依次布置的下模支架、下模板、模腔厚度支架、上模板构件和上模支架。下模板上对应模腔两端分别设置有注射接口和溢料接口的缓冲室，在两缓冲室之间铺设纤维织物。上模板构件包括上模板，上模板的大小及位置与模腔对应，通过上模支架实现上模板的上下运动以改变上模板与纤维织物之间的距离，上模支架上连接有反映上模板位置改变的测量表。本发明还公开了一种包括该装置的系统及利用该系统测试液态复合材料在不同工况下的渗透率的方法，能精确的预测复合制件的浸润缺陷，利于完善复合材料液态模塑成型工艺，促进复合材料在汽车等领域的应用和推广。
Description
技术领域
本发明涉及一种液态复合材料渗透率的测试，具体涉及一种测试液态复合材料渗透率的装置及其应用系统和方法。
背景技术
在汽车轻量化以及复合材料在应用领域快速发展的大背景下，复合材料液态模塑成型工艺因其整体性强、低成本、高强度和可生产大型构件等优势而备受关注，其中RTM(树脂传递模塑成型)工艺成为复合材料液态模塑成型工艺主流发展方向。然而在其制件的过程中经常有干斑、空隙等浸润缺陷出现，这些缺陷的形成与纤维织物的渗透性以及注射口和溢料口的位置设计有密切关系。因此，准确的纤维织物渗透率测定成为精确预测复合材料浸润缺陷亟待要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能准确测量纤维织物渗透率的装置及其应用系统和方法，以精确预测复合材料的浸润缺陷，完善复合材料液态模塑成型工艺。
本发明提供的这种测试液态复合材料渗透率的装置，包括从下往上依次布置的下模支架、下模板、模腔厚度支架、上模板构件和上模支架，下模支架、下模板和模腔厚度支架依次连接固定，模腔厚度支架的内腔为模腔；下模板上对应模腔厚度支架的两端分别设置有液体流动的缓冲室，其中一端的缓冲室有注射接口，另一端的缓冲室有溢料接口，在下模板上的两缓冲室之间铺设纤维织物；上模板构件包括上模板，上模板的大小及位置与模腔厚度支架的内腔对应，通过上模支架实现上模板的上下运动以改变上模板与纤维织物之间的距离，上模支架上连接有反映上模板位置改变的测量表。
所述下模支架包括下模支撑板和支腿，下模支撑板为矩形板，其四个角部均设置支腿。
所述下模板为透明材料的矩形板，水平布置；所述模腔厚度支架为矩形框架体，对中布置于下模板上，下模板和模腔厚度支架分别可拆卸固定于所述下模支撑板和下模板上，下模支撑板上对应模腔厚度支架的内腔处开设有相应的矩形孔作为透视窗口；所述缓冲室为在下模板上开设的矩形凹坑，所述注射接口和溢料接口均位于所述下模板的下侧，其中有注射接口的缓冲室的底面有与注射接口连通的条形缓冲槽。
所述上模板为矩形板，所述上模板构件还包括依次连接于上模板上侧的矩形连接框和矩形压框，上模板、矩形连接框和矩形压框为整体件，采用透明材料制作，矩形压框位于矩形连接框的上端外围，上模板与所述下模板平行布置，上模板的大小和位置与所述模腔厚度支架的内腔匹配，上模板的下侧周缘粘结有相应大小的密封圈。
所述上模支架包括上模支承框、螺杆、螺母座和螺母座安装板，上模支承框为承托所述矩形压框的矩形托框，其长度方向两端对称布置有轴承，螺母座安装板平行布置于所述上模板的上方，螺杆连接于轴承的内孔和螺母座安装板上的螺母座中。
所述螺母座安装板为矩形板，其上对应所述上模板矩形连接框的内腔处开设有相应的矩形孔作为透视窗口，螺母座安装板的四个角部和所述下模支撑板之间设置有定位柱，螺母座安装板上对应定位柱位置处设置有限位端盖。
所述螺母座安装板和下模支撑板之间设置有平衡柱。
所述上模支承框的周缘连接有测量板，所述测量表采用千分表，测量表以其测杆垂直于测量板布置，测头与测量板的下侧接触，在所述下模支撑板上设置角钢型支架来固定测量表的表壳。
本发明还提供了一种测试液态复合材料渗透率的系统，主要包括注射机、真空泵、液体缓冲罐、压力传感器、信号处理器、PC机、摄像机、测试模具，注射机与测试模具的注射接口连接，压力传感器将从测试模具处采集到的信号传输给信号处理器，缓冲罐连接于测试模具和真空泵之间，信号处理器与PC机连接，摄像机分别布置于测试模具的上侧和下侧。所述测试模具为前述测试液态复合材料渗透率的装置。
本发明还提供了一种测试液态复合材料渗透率的系统，主要包括注射机、真空泵、液体缓冲罐、压力传感器、信号处理器、PC机、摄像机、测试模具，测试模具的上方和下方均布置朝向测试模具的摄像机，注射机与测试模具的注射接口连接，压力传感器将从测试模具处采集到的信号传输给信号处理器，缓冲罐连接于测试模具和真空泵之间，信号处理器与PC及连接，摄像机分别布置于测试模具的上侧和下侧。所述测试模具为前述测试液态复合材料渗透率的装置。
本发明还提供了一种测试液态复合材料渗透率的方法，该方法利用前述系统，包括以下步骤：
(一)准备工作
(1)将注射机和测试模具的注射接口连接，将缓冲罐的一端与测试模具的溢料接口连接、另一端与真空泵连接；
(2)在测试模具的两个缓冲室分别安装压力传感器，将压力传感器与信号处理器连接，信号处理器与PC机连接；
(3)通过调节螺杆使测试模具的上模板抬升脱离模腔厚度支架的内腔，用有机溶剂将下模板、模腔厚度支架及上模板擦拭干净并晾干；
(4)根据模腔厚度支架的内腔尺寸裁剪相应尺寸的纤维织物，用天平称量纤维织物的重量并记为M，将纤维织物的密度记为ρf；
(5)将裁剪称量好的纤维织物铺放于模腔厚度支架的内腔中，通过调节螺杆使上模板下端的密封圈与纤维织物贴合；
(6)调节测量表的刻度并记录此时的数据值；
(7)继续调节螺杆使上模板继续下降，使纤维织物的厚度达到预设的厚度值h1；
(8)打开真空泵检查上模与下模之间的气密性；
(二)恒压注射模式下的渗透率测试
(9)调节注射机为恒压力注射模式，打开注射机向模腔内注射液体，同时打开摄像机记录流动前沿流动过程；
(10)当液体完全浸润完纤维织物并且流动趋于稳定时，关闭注射机，将液体缓冲罐放在计量器上称重并记录，算出从开始注射到液体完全浸润完纤维织物并且流动趋于稳定时间间隔t1内缓冲罐的质量变化值m1，同时记录PC机上显示的两压力传感器的读数并分别记为Pin和Pout，其中Pin为测得有注射接口缓冲室的液体流动压力，Pout为测得有溢料接口缓冲室的液体流动压力；
(11)继续调节螺杆，使上模板进一步压缩浸润后的纤维织物，使其厚度达到h2；
(12)循环步骤9，并记录后续时间间隔t2内缓冲罐的质量变化值m2
(13)循环步骤10和11，直至达到所需要的纤维体积分数
纤维织物的体积分数计算公式为
式中的W为模腔宽度，L为测试纤维织物的长度，其它已经在前述步骤中测得并记录或者算出；
(14)根据达西定律，推导出恒压力情况下流动前沿位置随时间的变化关系xf(t)表示流动前沿在时间t时刻的位置，μ表示液体的粘度；
(15)根据摄像机记录的数据，绘制液体流动前沿随时间的变化曲线，求得拟合参数C1
(16)得出在恒压力下不饱和纤维渗透率值为饱和纤维的渗透率值为mi表示纤维厚度为hi情况下缓冲罐在时间间隔为ti时的质量变化量。
(三)恒流量注射模式下的渗透率测试
(1)抬升测试模具的上模板，取出测试过的纤维织物，并用干布擦净模具表面残留的液体；
(2)循环(一)准备工作的步骤(3)～(8)；
(3)调节注射机为恒流量注射的模式，打开注射机向模腔内注射液体，同时打开摄像机记录流动前沿流动过程；
(4)根据达西定律，推导出恒流量下注射压力随时间的变化关系Qin表示注射机设定的注射流量；公式中的Vf、W、及hi已经均为已知量，Pout为真空泵的读数；
(5)根据PC机记录的数据，绘制流动前沿随时间的变化曲线，此时求得拟合参数C2
(6)得出在恒流量下不饱和纤维渗透率值为
本发明提供的装置通过在下模板上对应模腔的两端分别设置液体缓冲室，通过压力传感器分别采集两缓冲室内的液体流动压力并依次传送给系统的信号处理器和PC机，通过系统的真空泵给装置的模腔抽真空并检查气密性，通过装置的上模架带动上模板的上下运动来改变纤维织物的厚度。通过系统注射机改变注射模式。本发明可测试出恒压力注射模式下不饱和纤维渗透率值和饱和纤维渗透率值，还可测试出恒流量注射模式下不饱和纤维渗透率值。测试过程中，装置上模板的上下运动通过螺杆来推动，上模板的位置改变量通过千分表来精确记录，测试过程中的其它数据都有精确的数据反映出来，测试得出的渗透率值是很准确的，所以能精确的预测复合制件的浸润过程，利于完善复合材料液态模塑成型工艺，促进复合材料在汽车等领域的应用和推广。
附图说明
图1为本发明测试液态复合材料渗透率装置一个实施例的结构示意图。
图2为图1中下模板与模腔厚度支架的装配示意图。
图3为图1中上模板与上模支承框及螺杆的装配示意图。
图4为本发明的系统配置示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例公开了一种测试液态复合材料渗透率的装置，包括下模支撑板1、下模板2、模腔厚度支架3、上模板构件4、上模支承框5、轴承6、螺母座安装板7、螺母座8、螺杆9、定位柱10、平衡柱11。
如图1所示，下模支撑板1为矩形板，其四个角部均设置有支腿12，下模支撑板和支腿形成下模支架。
如图1、图2所示，下模板2为透明材料的矩形板，水平布置。模腔厚度支架3为矩形框架体，对中布置于下模板2上，下模板上对应模腔厚度支架3的两端分别设置有液体流动的缓冲室，其中一端的缓冲室有注射接口21，另一端的缓冲室有溢料接口22，缓冲室为在下模板上开设的矩形凹坑，注射接口21和溢料接口22均位于下模板2的下侧，其中有注射接口21的缓冲室的底面有与注射接口连通的条形缓冲槽23。下模板2和模腔厚度支架3均开设有沉头螺孔，分别通过螺栓固定于下模支撑板1和下模板2上。
为便于观察液体流动前沿的情况，在下模支撑板1上对应模腔厚度支架3的内腔处开设有相应的矩形孔作为透视窗口。
如图1和图3所示，上模板构件4采用透明材料制作，为矩形形状的上模板41、矩形连接框42和矩形压框43的整体件。上模板41位于矩形连接框42的下端，矩形压框43位于矩形连接框42的上端外围，上模板41与下模板2平行布置，上模板41的大小和位置与模腔厚度支架3的内腔匹配，上模板41的下侧周缘粘结有相应大小的密封圈M。
如图1和图2所示，上模支承框5为承托矩形压框43的矩形托框，其长度方向两端对称布置有轴承6，螺母座安装板7为矩形板，平行布置于上模板的上方，其上对应矩形连接框42的内腔处开设有相应的矩形孔作为透视窗口，螺母座安装板7的四个角部和下模支撑板1之间设置有定位柱10，螺母座安装板7上对应定位柱10位置处设置有限位端盖13。螺杆9连接于轴承6的内孔和螺母座安装板7上的螺母座8中。上模板构件4的上下位置改变通过调节螺杆9来实现。上模支架包括上模支承框5、轴承6、螺母座安装板7、螺母座8和螺杆9形成上模支架。定位柱10的下端连接于下模支撑板1上的安装孔中、上端插接于螺母座安装板7上的安装孔中，通过限位端盖13限位。定位柱的这种安装方式还便于上模支架的装卸调整。为了进一步保证螺母座安装板7和下模支撑板1之间的精确距离，在螺母座安装板7和下模支撑板1之间设置有平衡柱11。
为了准确测量上模板上下移动的距离，采用千分表作为测量表14。在上模支承框5的周缘连接测量板15，将测量表14以其测杆垂直于测量板15布置，其测头与测量板15的下侧接触，在下模支撑板1上设置角钢型支架16来固定测量表14的表壳。
如图4所示，本实施例还公开了一种液态复合材料渗透率的测试系统，包括注射机A、测试模具B、，摄像机C、压力传感器D、真空泵E、缓冲罐F、信号处理器G、PC机H。测试模具B采用如图1-3所示的装置，测试模具B的上方和下方均布置摄像机C，注射机A与测试模具B的注射接口连接，压力传感器D有两个，其感应头分别连接于测试模具D模腔两端的缓冲室内，压力传感器D将采集到的信号传输给信号处理器G，缓冲罐F连接于测试模具B和真空泵E之间，信号处理器G与PC机H连接。
利用本系统测试纤维织物在不饱和工况和饱和工况下的渗透率的步骤如下：
(一)准备工作
(1)将注射机和测试模具的注射接口连接，将缓冲罐的一端与测试模具的溢料接口连接、另一端与真空泵连接；
(2)在测试模具的两个缓冲室分别安装压力传感器，将压力传感器与信号处理器连接，信号处理器与PC机连接；
(3)通过调节螺杆使测试模具的上模板抬升脱离模腔厚度支架的内腔，用有机溶剂将下模板、模腔厚度支架及上模板擦拭干净并晾干；
(4)根据模腔厚度支架的内腔尺寸裁剪相应尺寸的纤维织物I，用天平称量纤维织物的重量并记为M，将纤维织物的密度记为ρf；
(5)将裁剪称量好的纤维织物铺放于模腔厚度支架的内腔中，通过调节螺杆使上模板下端的密封圈与纤维织物贴合；
(6)调节测量表的刻度并记录此时的数据值；
(7)继续调节螺杆使上模板继续下降，使纤维织物的厚度达到预设的厚度值h1；
(8)打开真空泵检查上模与下模之间的气密性：打开真空泵，当PC机上的压力数值稳定时，关闭真空泵，并保持3分钟观察PC机上的压力数值是否减小超过0.01MPa，如果超过0.01MPa重新连接相关系统器件，使其最终的压力降不超过0.01MPa。
(二)恒压注射模式下的渗透率测试
(1)调节注射机为恒压力注射模式，打开注射机向模腔内注射液体，同时打开摄像机记录流动前沿流动过程；
(2)当液体完全浸润完纤维织物并且流动趋于稳定时，关闭注射机，将液体缓冲罐放在计量器上称重并记录，算出从开始注射到液体完全浸润完纤维织物并且流动趋于稳定时间间隔t1内缓冲罐的质量变化值m1，同时记录PC机上显示的两压力传感器的读数并分别记为Pin和Pout，其中Pin为测得有注射接口缓冲室的液体流动压力，Pout为测得有溢料接口缓冲室的液体流动压力；
(3)继续调节螺杆，使上模板进一步压缩浸润后的纤维织物，使其厚度达到h2；
(4)循环步骤(1)，并记录后续时间间隔t2内缓冲罐的质量变化值m2
(5)循环步骤(2)和(3)，直至达到所需要的纤维体积分数
纤维织物的体积分数计算公式为
式中的W为模腔宽度，L为测试纤维织物的长度，其它已经在前述步骤中测得并记录或者算出；
(6)根据达西定律，推导出恒压力情况下流动前沿位置随时间的变化关系xf(t)表示流动前沿在时间t时刻的位置，μ表示液体的粘度；
(7)根据摄像机记录的数据，绘制液体流动前沿随时间的变化曲线，求得拟合参数C1
(8)得出在恒压力下不饱和纤维渗透率值为饱和纤维的渗透率值为mi表示纤维厚度为hi情况下缓冲罐在时间间隔为ti时的质量变化量。
(三)恒流量注射模式下的渗透率测试
(1)抬升测试模具的上模板，取出测试过的纤维织物，并用干布擦净模具表面残留的液体；
(2)循环(一)准备工作的步骤(3)～(8)；
(3)调节注射机为恒流量注射的模式，打开注射机向模腔内注射液体，同时打开摄像机记录流动前沿流动过程；
(4)根据达西定律，推导出恒流量下注射压力随时间的变化关系Qin表示注射机设定的注射流量；公式中的Vf、W、及hi已经均为已知量，Pout为真空泵的读数；
(5)根据PC机记录的数据，绘制流动前沿随时间的变化曲线，此时求得拟合参数C2
(6)得出在恒流量下不饱和纤维渗透率值为
Claims (10)
1.一种测试液态复合材料渗透率的装置，其特征在于：该装置包括从下往上依次布置的下模支架、下模板、模腔厚度支架、上模板构件和上模支架，下模支架、下模板和模腔厚度支架依次连接固定，模腔厚度支架的内腔为模腔；
下模板上对应模腔厚度支架的两端分别设置有液体流动的缓冲室，其中一端的缓冲室有注射接口，另一端的缓冲室有溢料接口，在下模板上的两缓冲室之间铺设纤维织物；
上模板构件包括上模板，上模板的大小及位置与模腔厚度支架的内腔对应，通过上模支架实现上模板的上下运动以改变上模板与纤维织物之间的距离，上模支架上连接有反映上模板位置改变的测量表。
2.如权利要求1所述的测试液态复合材料渗透率的装置，其特征在于：所述下模支架包括下模支撑板和支腿，下模支撑板为矩形板，其四个角部均设置支腿。
3.如权利要求2所述的测试液态复合材料渗透率的装置，其特征在于：所述下模板为透明材料的矩形板，水平布置；所述模腔厚度支架为矩形框架体，对中布置于下模板上，下模板和模腔厚度支架分别可拆卸固定于所述下模支撑板和下模板上，下模支撑板上对应模腔厚度支架的内腔处开设有相应的矩形孔作为透视窗口；所述缓冲室为在下模板上开设的矩形凹坑，所述注射接口和溢料接口均位于所述下模板的下侧，其中有注射接口的缓冲室的底面有与注射接口连通的条形缓冲槽。
4.如权利要求2所述的测试液态复合材料渗透率的装置，其特征在于：所述上模板为矩形板，所述上模板构件还包括依次连接于上模板上侧的矩形连接框和矩形压框，上模板、矩形连接框和矩形压框为整体件，采用透明材料制作，矩形压框位于矩形连接框的上端外围，上模板与所述下模板平行布置，上模板的大小和位置与所述模腔厚度支架的内腔匹配，上模板的下侧周缘粘结有相应大小的密封圈。
5.如权利要求4所述的测试液态复合材料渗透率的装置，其特征在于：所述上模支架包括上模支承框、螺杆、螺母座和螺母座安装板，上模支承框为承托所述矩形压框的矩形托框，其长度方向两端对称布置有轴承，螺母座安装板平行布置于所述上模板的上方，螺杆连接于轴承的内孔和螺母座安装板上的螺母座中。
6.如权利要求5所述的测试液态复合材料渗透率的装置，其特征在于：所述螺母座安装板为矩形板，其上对应所述上模板矩形连接框的内腔处开设有相应的矩形孔作为透视窗口，螺母座安装板的四个角部和所述下模支撑板之间设置有定位柱，螺母座安装板上对应定位柱位置处设置有限位端盖。
7.如权利要求6所述的测试液态复合材料渗透率的装置，其特征在于：所述螺母座安装板和下模支撑板之间设置有平衡柱。
8.如权利要求5所述的测试液态复合材料渗透率的装置，其特征在于：所述上模支承框的周缘连接有测量板，所述测量表采用千分表，测量表以其测杆垂直于测量板布置，测头与测量板的下侧接触，在所述下模支撑板上设置角钢型支架来固定测量表的表壳。
9.一种测试液态复合材料渗透率的系统，主要包括注射机、真空泵、液体缓冲罐、压力传感器、信号处理器、PC机、摄像机、测试模具，注射机与测试模具的注射接口连接，压力传感器将从测试模具处采集到的信号传输给信号处理器，缓冲罐连接于测试模具和真空泵之间，信号处理器与PC机连接，摄像机分别布置于测试模具的上侧和下侧，其特征在于：所述测试模具为权利要求1-9所述的测试液态复合材料渗透率的装置。
10.一种测试液态复合材料渗透率的方法，采用权利要求9所述的系统，包括以下步骤：
(一)准备工作
(1)将注射机和测试模具的注射接口连接，将缓冲罐的一端与测试模具的溢料接口连接、另一端与真空泵连接；
(2)在测试模具的两个缓冲室分别安装压力传感器，将压力传感器与信号处理器连接，信号处理器与PC机连接；
(3)通过调节螺杆使测试模具的上模板抬升脱离模腔厚度支架的内腔，用有机溶剂将下模板、模腔厚度支架及上模板擦拭干净并晾干；
(4)根据模腔厚度支架的内腔尺寸裁剪相应尺寸的纤维织物，用天平称量纤维织物的重量并记为M，将纤维织物的密度记为ρf；
(5)将裁剪称量好的纤维织物铺放于模腔厚度支架的内腔中，通过调节螺杆使上模板下端的密封圈与纤维织物贴合；
(6)调节测量表的刻度并记录此时的数据值；
(7)继续调节螺杆使上模板继续下降，使纤维织物的厚度达到预设的厚度值h1；
(8)打开真空泵检查上模与下模之间的气密性；
(二)恒压注射模式下的渗透率测试
(9)调节注射机为恒压力注射模式，打开注射机向模腔内注射液体，同时打开摄像机记录流动前沿流动过程；
(10)当液体完全浸润完纤维织物并且流动趋于稳定时，关闭注射机，将液体缓冲罐放在计量器上称重并记录，算出从开始注射到液体完全浸润完纤维织物并且流动趋于稳定时间间隔t1内缓冲罐的质量变化值m1，同时记录PC机上显示的两压力传感器的读数并分别记为Pin和Pout，其中Pin为测得有注射接口缓冲室的液体流动压力，Pout为测得有溢料接口缓冲室的液体流动压力；
(11)继续调节螺杆，使上模板进一步压缩浸润后的纤维织物，使其厚度达到h2；
(12)循环步骤9，并记录后续时间间隔t2内缓冲罐的质量变化值m2
(13)循环步骤10和11，直至达到所需要的纤维体积分数
纤维织物的体积分数计算公式为
式中的W为模腔宽度，L为测试纤维织物的长度，其它已经在前述步骤中测得并记录或者算出；
(14)根据达西定律，推导出恒压力情况下流动前沿位置随时间的变化关系xf(t)表示流动前沿在时间t时刻的位置，μ表示液体的粘度；
(15)根据摄像机记录的数据，绘制液体流动前沿随时间的变化曲线，求得拟合参数C1
(16)得出在恒压力下不饱和纤维渗透率值为饱和纤维的渗透率值为mi表示纤维厚度为hi情况下缓冲罐在时间间隔为ti时的质量变化量。
(三)恒流量注射模式下的渗透率测试
(1)抬升测试模具的上模板，取出测试过的纤维织物，并用干布擦净模具表面残留的液体；
(2)循环(一)准备工作的步骤(3)～(8)；
(3)调节注射机为恒流量注射的模式，打开注射机向模腔内注射液体，同时打开摄像机记录流动前沿流动过程；
(4)根据达西定律，推导出恒流量下注射压力随时间的变化关系Qin表示注射机设定的注射流量；公式中的Vf、W、及hi已经均为已知量，Pout为真空泵的读数；
(5)根据PC机记录的数据，绘制流动前沿随时间的变化曲线，此时求得拟合参数C2
(6)得出在恒流量下不饱和纤维渗透率值为
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