CN115056506A - 一种树脂膜融渗工艺树脂融渗过程监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种树脂膜融渗工艺树脂融渗过程监测方法及系统，包括以下步骤：在预成型体中的每层预埋测量点位，同时将测量点位和测量电路连接；对预成型体进行真空加压处理，然后给测量电路通电；对预成型体的底板开始加热升温至树脂膜融渗温度，电压信号采集器实时读取测量电路的电压；根据测量点位对应的电压，判断流动前锋的位置以及树脂浸润程度。通过实时监测恒定电阻两端在树脂浸润过程电压变化，反映树脂对不同测量点位处碳纤维浸润状态，通过对比多个测量点位电压的起始变化、电压变化速率以及电压稳定所需时间得到树脂浸润状态和流动前锋形态，同时获得树脂膜对预成型体浸润所需时间，计算预成型体渗透率。
Description
技术领域
本发明涉及树脂基复合材料制造领域，具体涉及一种树脂膜融渗工艺树脂融渗过程监测方法及系统。
背景技术
树脂膜融渗工艺(RFI)是一种用于制造高性能聚合物基复合材料的低成本技术，在宇航、汽车等领域得到了广泛的应用。它只需要采用传统的真空袋压制成型方法，免去了RTM工艺所需的树脂计量注射设备及双面模具加工。同时将RTM种树脂的横向流动变成了厚度方向的纵向流动，缩短树脂流动路径和浸润时间。RFI技术不需要制备预浸料缩短了工艺流程，提高了原料利用率，进而降低成本。
在RFI工艺中，为了获得不同工况下适宜的工艺参数以及材料选择通常采用试错法实现对工艺的优化以及循环周期控制，但这是一个冗长的高投入过程。为了解决这一问题，开发出针对RFI工艺的数值模拟程序，可以实时监测树脂融渗过程中的流动情况。其中，对增强体材料渗透率的测量是解决树脂流动仿真问题的关键。目前增强体材料渗透率测量方法主要有传统可视流体测量法和预埋光纤传感器测量法。传统可视流体测量法难以估计影响渗透率张量的所有因素；光纤测量法可以提供树脂在不同位置的流动数据，然而光纤传感器成本较高。本发明旨在针对目前增强体渗透率测量存在的问题，提出新的解决方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种树脂膜融渗工艺树脂融渗过程监测方法及系统，以解决传统可视流体测量法难以估计影响渗透率张量的所有因素，无法实现树脂融渗时间测量以及树脂膜融渗前锋监测的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种树脂膜融渗工艺树脂融渗过程监测方法，包括以下步骤：
在预成型体中的每层预埋测量点位，同时将测量点位和测量电路连接；
对预成型体进行真空加压处理，然后给测量电路通电；
对预成型体的底板开始加热升温至树脂膜融渗温度，电压信号采集器实时读取测量电路的电压；
根据测量点位对应的电压，判断流动前锋的位置以及树脂浸润程度。
进一步的，测量点位的预埋：
在预成型体中预埋若干组金属丝，正极金属丝和负极金属丝分别位于同一纤维布上下两侧，同时二者正交排布其交点为测量点位；测量点位分布于预成型体各层；正负极金属丝与外接测量电路对应正负极连接，各测量点位作为电阻与外接测量电路恒定电阻R0串联。
进一步的，各测量点位作为电阻与外接测量电路恒定电阻R0串联。通过实时监测恒定电阻两端在树脂浸润过程电压变化，反映树脂对各层纤维布浸润情况以及当前树脂流动前锋。
进一步的，将预成型体与底层树脂膜置于覆盖脱模布的加热板上，预成型体顶部依次覆盖多孔膜、吸胶毡，随后采用真空袋和密封胶将其密封同时抽真空加压至-0.1Mpa；外接测量电路通电，电源为5V恒压直流电源。
进一步的，根据测量点位对应的电压，判断流动前锋的位置以及树脂浸润程度，具体包括：
当一个测量点位对应的R0两端电压开始下降表明树脂开始浸润该层纤维布即树脂流动前锋位于该层；当R0两端电压趋于稳定表明树脂对该层纤维布浸润结束，流动前锋越过该层开始向上继续浸润；当位于预成型体顶部测量点对应R0两端电压趋于稳定即表明树脂对预成型体浸润结束，得到树脂对整个预成型体的浸润时间。
进一步的，构成测量点位的正负极金属丝为直径0.8mm的金属丝。
进一步的，各个测量点位均具有与其对应的恒定电阻R0以及独立的电压实时读取测量模块。
进一步的，各个测量点位沿预成型体厚度方向排布监测流动前锋，或者在同一层排布多点位，监测同一铺层树脂浸润状态。
进一步的，树脂膜为环氧树脂或双马树脂。
进一步的，一种树脂膜融渗工艺树脂融渗过程监测系统，包括：
预处理模块，用于在预成型体中的每层预埋测量点位，同时将测量点位和测量电路连接；
真空加压模块，用于对预成型体进行真空加压处理，然后给测量电路通电；
测量模块，用于对预成型体的底板开始加热升温至树脂膜融渗温度，电压信号采集器实时读取测量电路的电压；
判断模块，用于根据测量点位对应的电压，判断流动前锋的位置以及树脂浸润程度。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明在树脂膜融渗过程中树脂浸预成型体引起各层碳纤维布电阻变化。本发明各测量点位作为电阻与外接测量电路恒定电阻R0串联。通过实时监测恒定电阻两端在树脂浸润过程电压变化，反映树脂对不同测量点位处碳纤维浸润状态，通过对比多个测量点位电压的起始变化、电压变化速率以及电压稳定所需时间得到树脂浸润状态和流动前锋形态，同时获得树脂膜对预成型体浸润所需时间，计算预成型体渗透率。本发明以金属丝作为测量传感器，整个测量系统搭建简单成本低廉；可以自由布置测量点位实现对预成型体面内和层间树脂浸润过程的实时监测。
附图说明
图1为本发明的传统RFI工艺厚度方向树脂膜融渗过程监测原理图；
图2为本发明的单个测量点位与测量电路连接示意图；
图3为本发明的多测量点位测量电路整体连接示意图；
图4为本发明的树脂膜交替铺叠的叠层制造RFI工艺面内树脂融渗流动过程监测原理图。
其中：
1、加热板；2、密封胶；3、树脂膜；4、纤维布；5、真空袋；6、正极金属丝；7、多孔膜；8、吸胶毡；9、脱模布；10、负极金属丝；11、真空阀；12、测量点位1；13、测量点位2；14、测量点位3。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明进一步说明：
请参阅图1至图4，一种树脂膜融渗工艺树脂融渗过程监测方法，包括以下步骤：
步骤一：测量点位预埋与测量电路连接。在预成型体中预埋若干组金属丝，正极金属丝6和负极金属丝10分别位于同一纤维布上下两侧，同时二者正交排布其交点为测量点位。类似的测量点位分布于纤维布4预成型体各层。正负极金属丝6与外接测量电路对应正负极连接。各测量点位作为电阻与外接测量电路恒定电阻R0串联。
步骤二：真空袋5密封与测量电路通电。将预成型体与底层树脂膜置于覆盖脱模布的加热板1上，预成型体顶部依次覆盖多孔膜7、吸胶毡8。随后采用真空袋和密封胶将其密封同时抽真空加压至-0.1MPa。外接测量电路通电，电源为5V恒压直流电源。
步骤三：底板加热实时监测电压。底板开始加热升温至树脂膜融渗温度，电压信号采集器实时读取并采集恒定电阻R0两端电压。由于碳纤维布具有良好导电性电阻小，初始R0两端分得稳定的较大电压；随树脂融渗纤维布测量点位电阻增大，R0两端电压迅速下降；位于底层测量点位由于树脂膜首先融渗，与其串联的R0两端电压首先变化。
步骤四：流动前锋监测与树脂浸润时间。当一个测量点位对应的R0两端电压开始下降表明树脂开始浸润该层纤维布即树脂流动前锋位于该层；当R0两端电压趋于稳定表明树脂对该层纤维布浸润结束，流动前锋越过该层开始向上继续浸润；当位于预成型体顶部测量点对应R0两端电压趋于稳定即表明树脂对预成型体浸润结束，从而得到树脂对整个预成型体的浸润时间。
各测量点位作为电阻与外接测量电路恒定电阻R0串联。通过实时监测恒定电阻两端在树脂浸润过程电压变化，以此反映树脂对各层纤维布浸润情况以及当前树脂流动前锋。
步骤一所述的树脂膜融渗工艺包括传统的RFI工艺和碳纤维与树脂膜交替铺叠的叠层制造RFI工艺。
步骤一所述构成测量点位的正负极金属丝在传统RFI工艺中可以是5mm宽0.04mm厚金属窄带；在树脂膜交替铺叠的叠层制造RFI工艺中可以是直径0.8mm金属丝。
步骤一所述的预成型体包括碳纤维等其他具有导电性材料。
步骤一所述的各个测量点位均具有与其对应的恒定电阻R0以及独立的电压实时读取测量模块。
步骤一所述的各个测量点位可以沿预成型体厚度方向排布监测流动前锋，也可以在同一层排布多点位，监测同一铺层树脂浸润状态。
步骤一所述的树脂膜可以为环氧树脂、双马树脂等其他可以成膜的树脂。
实施例1(传统RFI工艺树脂厚度方向树脂膜融渗过程监测)：
本实施例以T700碳纤维布制备预成型体为例，10层碳纤维布制备预成型体，5228A树脂膜作为基体对其浸润。
在预成型体中预埋若干组金属窄带，正极金属窄带和负极金属窄带分别位于同一纤维布上下两侧，同时二者正交排布其交点为测量点位。金属窄带为5mm宽0.4mm厚铜皮，似的测量点位分布于纤维布预成型体各层。正负极金属窄带与外接测量电路对应正负极连接。各测量点位作为电阻与外接测量电路恒定电阻R0串联，R0＝10Ω。测量点位分别位于第1、4、7、10层。
将预成型体与底层树脂膜置于覆盖脱模布的加热板上，预成型体顶部依次覆盖多孔膜、吸胶毡。随后采用真空袋和密封胶将其密封同时抽真空加压至-0.1MPa。外接测量电路通电，电源为5V恒压直流电源。
底板开始加热升温至树脂膜融渗温度125℃，电压信号采集器实时读取并采集恒定电阻R0两端电压。由于碳纤维布具有良好导电性，R0两端分得较大的稳定电压，R0初始两端电压为4.56v。随树脂融渗纤维布测量点位电阻增大，R0两端电压迅速下降；位于底层测量点位1由于树脂膜首先融渗，与其串联的R0两端电压首先变化迅速下降。
当测量点位1对应的R0两端电压开始下降表明树脂开始浸润该层纤维布即树脂流动前锋位于该层；当R0两端电压趋于稳定表明树脂对该层纤维布浸润结束，流动前锋越过该层开始向上继续浸润；与测量点为1串联的R0两端电压最终稳定在2.32v。
实施例2(树脂膜交替铺叠的叠层RFI工艺面内树脂浸润过程监测)：
本实施例以T700碳纤维布制备预成型体为例，10层碳纤维布与5228A树脂膜交替铺叠制备预成型体；测量点位1、2、3位于同一铺层。
在预成型体中预埋若干组金属丝，正极金属丝和负极金属丝分别位于同一纤维布上下两侧，同时二者正交排布其交点为测量点位。类似的测量点位分布于预成型体同一铺层中心至边缘，等距排列。该铺层一共三个测量点位，由中心至边缘依次为测量点位1、2、3。正负极金属丝与外接测量电路对应正负极连接。各测量点位作为电阻与外接测量电路恒定电阻串联R0。
将预成型体置于覆盖脱模布的加热板上，预成型体顶部依次覆盖多孔膜、吸胶毡。随后采用真空袋和密封胶将其密封抽真空加压至-0.1MPa。外接测量电路通电，电源为5V恒压直流电源。
加热底板开始加热升温至树脂膜融渗温度125℃，电压信号采集器实时读取并采集恒定电阻R0两端电压。由于碳纤维布具有良好导电性，R0两端分得稳定的较大电压；随树脂融渗纤维布测量点位电阻增大，R0两端电压迅速下降。
实时采集同一铺层面内各测量点位电压数据，得到各点位电压起始变化时间、变化速率。位于中心位置测量点位1电压最先发生变化，位于边缘的测量点位3电压最后发生改变；边缘位置的测量点位3电压最先趋于稳定。所用时间为320s。
本发明再一实施例中，提供一种树脂膜融渗工艺树脂融渗过程监测系统，能够用于实现上述的一种树脂膜融渗工艺树脂融渗过程监测方法，具体的，该系统包括：
预处理模块，用于在预成型体中的每层预埋测量点位，同时将测量点位和测量电路连接；
真空加压模块，用于对预成型体进行真空加压处理，然后给测量电路通电；
测量模块，用于对预成型体的底板开始加热升温至树脂膜融渗温度，电压信号采集器实时读取测量电路的电压；
判断模块，用于根据测量点位对应的电压，判断流动前锋的位置以及树脂浸润程度。
本发明各测量点位作为电阻与外接测量电路恒定电阻R0串联。通过实时监测恒定电阻两端在树脂浸润过程电压变化，反映树脂对不同测量点位处碳纤维浸润状态，通过对比多个测量点位电压的起始变化、电压变化速率以及电压稳定所需时间得到树脂浸润状态和流动前锋形态，同时获得树脂膜对预成型体浸润所需时间，计算预成型体渗透率。本发明以金属丝作为测量传感器，整个测量系统搭建简单成本低廉；可以自由布置测量点位实现对预成型体面内和层间树脂浸润过程的实时监测。
本发明实施例中对模块的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理器中，也可以是单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种树脂膜融渗工艺树脂融渗过程监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
在预成型体中的每层预埋测量点位，同时将测量点位和测量电路连接；
对预成型体进行真空加压处理，然后给测量电路通电；
对预成型体的底板开始加热升温至树脂膜融渗温度，电压信号采集器实时读取测量电路的电压；
根据测量点位对应的电压，判断流动前锋的位置以及树脂浸润程度。
2.根据权利要求1所述的一种树脂膜融渗工艺树脂融渗过程监测方法，其特征在于，测量点位的预埋：
在预成型体中预埋若干组金属丝，正极金属丝和负极金属丝分别位于同一纤维布上下两侧，同时二者正交排布其交点为测量点位；测量点位分布于预成型体各层；正负极金属丝与外接测量电路对应正负极连接，各测量点位作为电阻与外接测量电路恒定电阻R0串联。
3.根据权利要求2所述的一种树脂膜融渗工艺树脂融渗过程监测方法，其特征在于，各测量点位作为电阻与外接测量电路恒定电阻R0串联；通过实时监测恒定电阻两端在树脂浸润过程电压变化，反映树脂对各层纤维布浸润情况以及当前树脂流动前锋。
4.根据权利要求1所述的一种树脂膜融渗工艺树脂融渗过程监测方法，其特征在于，将预成型体与底层树脂膜置于覆盖脱模布的加热板上，预成型体顶部依次覆盖多孔膜、吸胶毡，随后采用真空袋和密封胶将其密封同时抽真空加压至-0.1Mpa；外接测量电路通电，电源为5V恒压直流电源。
5.根据权利要求1所述的一种树脂膜融渗工艺树脂融渗过程监测方法，其特征在于，根据测量点位对应的电压，判断流动前锋的位置以及树脂浸润程度，具体包括：
当一个测量点位对应的R0两端电压开始下降表明树脂开始浸润该层纤维布即树脂流动前锋位于该层；当R0两端电压趋于稳定表明树脂对该层纤维布浸润结束，流动前锋越过该层开始向上继续浸润；当位于预成型体顶部测量点对应R0两端电压趋于稳定即表明树脂对预成型体浸润结束，得到树脂对整个预成型体的浸润时间。
6.根据权利要求1所述的一种树脂膜融渗工艺树脂融渗过程监测方法，其特征在于，构成测量点位的正负极金属丝为直径0.8mm的金属丝。
7.根据权利要求1所述的一种树脂膜融渗工艺树脂融渗过程监测方法，其特征在于，各个测量点位均具有与其对应的恒定电阻R0以及独立的电压实时读取测量模块。
8.根据权利要求1所述的一种树脂膜融渗工艺树脂融渗过程监测方法，其特征在于，各个测量点位沿预成型体厚度方向排布监测流动前锋，或者在同一层排布多点位，监测同一铺层树脂浸润状态。
9.根据权利要求1所述的一种树脂膜融渗工艺树脂融渗过程监测方法，其特征在于，树脂膜为环氧树脂或双马树脂。
10.一种树脂膜融渗工艺树脂融渗过程监测系统，其特征在于，包括：
预处理模块，用于在预成型体中的每层预埋测量点位，同时将测量点位和测量电路连接；
真空加压模块，用于对预成型体进行真空加压处理，然后给测量电路通电；
测量模块，用于对预成型体的底板开始加热升温至树脂膜融渗温度，电压信号采集器实时读取测量电路的电压；
判断模块，用于根据测量点位对应的电压，判断流动前锋的位置以及树脂浸润程度。
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- 2022-06-16 CN CN202210680913.7A patent/CN115056506A/zh active Pending
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