CN115431556A - 一种用于真空环境下的复合材料固化变形检测装置和检测方法 - Google Patents

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胡文华
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Abstract

本发明涉及一种用于真空环境下的复合材料固化变形检测装置和检测方法，该检测装置包括：可加热的箱体，箱体内设置有控制面板、加热板、需要加热的零件、安装零件的工作台、转接头；零件和转接头之间安装有传感器；转接头一端位于可加热的箱体内，另一端位于可加热的箱体外；控制面板和加热板之间设置有隔热板；真空密封转接头在可加热的箱体外的一端连接在计算机上。本发明提供的装置使得复合材料在真空环境下的的加热固化做到各处均匀一致。能实现复合材料制件的内部温度均匀分布和制件的内外固化同步，从而大大减少固化后的制件发生分层、变形、开裂、残余应力等各种缺陷的概率，使制件因为内部温度不均匀而导致的报废率得到大幅降低。

Description

一种用于真空环境下的复合材料固化变形检测装置和检测 方法
技术领域
本发明涉及一种检测装置和检测方法，具体涉及一种可以在真空状态下对复合材料固化过程中的变形行为进行时时检测，跟踪温度变化情况，准确把控固化过程中材料组织的受力行为及环境变化的用于真空环境下的复合材料固化变形检测装置和检测方法。
背景技术
复合材料，是由两种或者两种以上不同性质的材料，通过物理或者化学的方法，在宏观上具有新性能的材料，各种材料在性能上互相取长补短，通过协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料，而满足各种不同的要求，但制作复合材料的过程比较复杂，且效果差强人意，分层、夹杂、脱粘、孔隙等缺陷也是非常明显。因此在真空环境下的性能要优于空气环境下，孔隙率及其成型质量更好，而固化质量对零件的最终性能起到了决定性的作用。
为提高复合材料的产品质量，保障服役安全，从制造一始便开始监测复合材料的固化过程，直到复合材料结构服役结束，不仅能够降低维护成本，还能避免灾难性事故的发生。
复合材料结构的应用，在带来性能极大提高的同时，也伴随着制造成本上升的高昂代价，降低成本是促进先进复合材料结构应用发展的关键因素，因此，发展一种低成本的复合材料固化的设备和方法，且非常适合小体积的复合材料的固化是非常需要的。
目前存在的固化设备和方法，在加热固化时，热量由材料外部向内部传递时，会在材料内部产生温度分布不均，进而使得固化程度不均匀，在材料内部产生较大的内应力，影响制件的成形质量。
现有的固化箱虽然具有体积小和价格低廉的优点，但其升温速率不高，且没有一种复合材料固化箱做到真空环境，因此本发明能够降低成本，具有巨大的发展潜力。
现有的固化箱接口的密封性不是很好，需要一种连接真空管的真空接头。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种可以在真空状态下对复合材料固化过程中的变形行为进行时时检测，跟踪温度变化情况，准确把控固化过程中材料组织的受力行为及环境变化的用于真空环境下的复合材料固化变形检测装置和检测方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种用于真空环境下的复合材料固化变形检测装置，所述用于真空环境下的复合材料固化变形检测装置包括：可加热的箱体，可加热的箱体内设置有控制面板、加热板、需要加热的零件、安装需要加热的零件的工作台、转接头；需要加热的零件和转接头之间安装有传感器；转接头一端位于可加热的箱体内，另一端位于可加热的箱体外；控制面板和加热板之间设置有隔热板；可加热的箱体配有真空泵；真空密封转接头在可加热的箱体外的一端连接在计算机上。
在本发明的具体实施例子中，加热板是电磁感应加热板；所述的转接头为真空密封转接头。
在本发明的具体实施例子中，需要加热的零件为复合材料；复合材料为纤维增强环氧树脂预浸料。
在本发明的具体实施例子中，所述的传感器为光栅光纤传感器，传感器包括温度和压力传感器。
在本发明的具体实施例子中，工作台与需要加热的零件接触的面为铝板。
在本发明的具体实施例子中，转接头和可加热的箱体之间采用耐高温的密封胶密封。
在本发明的具体实施例子中，转接头的可加热的箱体外的一端和计算机之间设置有调解器。
一种用于真空环境下的复合材料固化变形检测方法：该方法包括如下具体步骤：
步骤(1)、制作预处理玻璃纤维增强环氧树脂预浸料；
步骤(2)、开始固化；
步骤(3)、所述温度和压力传感器的测量端，光纤光栅传感器的栅区均穿过所述固化装置上设置的预留孔密封，所述温度传感器的信号传输端与光栅光纤调节仪接口1相连，用于传输采集获取的波长数据；所述压力传感器的信号端与光栅光纤调节仪接口相连，用于传输采集获取的压力数据；
步骤(4)、将光纤引线穿过光纤引线保护套管，采用光纤熔接机将光纤引出通道中的光纤引线与调节仪接口光纤跳线熔接；
步骤(5)、利用以太网将计算机和解调仪连接，将解调仪输出的信号进行接收，监测在真空状态下对复合材料固化过程中的变形行为，跟踪温度变化情况，准确把控固化过程中材料组织的受力行为及环境变化。
在本发明的具体实施例子中，步骤(1)的具体步骤包括：制作预处理玻璃纤维增强环氧树脂预浸料，准备剪裁好的玻璃纤维布2张，准备环氧树脂与固化剂，按照5:4的比例均匀混合。将工装铝板表面清理干净后，用丙酮均匀的擦拭一遍，静置10-20分钟后再擦一遍，然后铺一层准备好的纤维布，在纤维布上铺一层隔离膜，然后用刷子蘸取混合好的环氧树脂均匀涂刷隔离膜表面，随后在隔离膜上覆盖一层纤维布；再用刷子均匀涂刷纤维布表面，随后在碳纤维布上再覆盖一层纤维布，并重复此步骤，直至纤维布铺放完毕，其中带将光栅光纤传感器分别铺放在第4层和第9层；此时材料已制备完毕，将其转移至此装置的工作台，利用真空泵将密封空间抽为真空状态.注意光纤位置的密封胶处不要用力压，防止光光纤压断。
在本发明的具体实施例子中，步骤(2)的具体步骤包括：开始使用此装置固化，加热固化；预制品热压固化过程中，通过光栅光纤传感器的光栅部位接收信号，通过解调仪将温度和压力信号转换为电信号，进行实时监测；完成热压后取下成品，去掉隔离膜，得到产品。
本发明的积极进步效果在于：本发明提供的用于真空环境下的复合材料固化变形检测装置和检测方法有如下优点：本发明提供的装置使得复合材料在真空环境下的的加热固化做到各处均匀一致。本发明能实现复合材料制件的内部温度均匀分布和制件的内外固化同步，从而大大减少固化后的制件发生分层、变形、开裂、残余应力等各种缺陷的概率，使制件因为内部温度不均匀而导致的报废率得到大幅降低，提高了产品的生产质量和生产效益。
本发明提供的装置结合计算机自动控制技术，使用本装置可以对复合材料进行准确的自动控制固化的过程，适宜在小空间室内存放，能够给使用者带来方便。
本发明可以在真空状态下对复合材料固化过程中的变形行为进行时时检测，跟踪温度变化情况，准确把控固化过程中材料组织的受力行为及环境变化，从而得到性能优良的制件。
附图说明
图1为本发明的一种实施方式采用的装置的整体示意图。
图2为本发明中使用的预浸料的铺放和连接顺序的结构示意图。
下面是本发明中标号对应的名称：
箱体1、控制面板2、加热板3、需要加热的零件4、转接头5、传感器6、真空泵7、隔热板8、工作台9、计算机10、调解器11、密封胶12。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
图1为本发明的一种实施方式采用的装置的整体示意图，如图1所示：本发明提供的一种用于真空环境下的复合材料固化变形检测装置，该装置包括：可加热的箱体1，可加热的箱体内设置有控制面板2、加热板3、需要加热的零件3、安装需要加热的零件4的工作台9、转接头5；需要加热的零件3和转接头5之间安装有传感器6；转接头5一端位于可加热的箱体1内，另一端位于可加热的箱体1外；控制面板1和加热板3之间设置有隔热板8；可加热的箱体配有真空泵7；真空密封转接头在可加热的箱体外的一端连接在计算机10上；转接头的可加热的箱体外的一端和计算机10之间设置有调解器11。
本发明中的加热板3一般选用电磁感应加热板。本发明中工作台9与需要加热的零件接触的面为铝板，参见图2。本发明中的转接头5和可加热的箱体之间采用耐高温的密封胶12密封，参照图2。本发明中需要加热的零件为复合材料，在具体的实施例子中复合材料选为为纤维增强环氧树脂预浸料。本发明中的转接头5为真空密封转接头。本发明中传感器6为光栅光纤传感器，传感器6包括温度和压力传感器。
本发明中的可加热的箱体可将铺设好的纤维增强树脂基复合材料放入密封的箱体内进行加热；加热装置在箱体的左侧，由控制台进行温度控制，用来给箱体内部环境加热，且整个箱体采用保温装置。
本发明中的控制台用来控制箱体内的温度和压力，以及设置箱体内的温度时间；抽真空装置，箱体的右侧分别设置两个接口，其中一个用来接真空泵，使得箱体内的环境处于真空状态，另外一个用来接传感系统，将复合材料的整个固化过程进行监测。
本发明中箱体的右侧有两个接口，为使得箱体环境保持真空状态，需要很好的密封。
传感器及采样解调系统，由另外一个接口接入的传感器一端连接传感器解调仪，传感器调解仪接入笔记本电脑的以太网，以便实时监测箱体内复合材料固化过程中的行为，跟踪温度变化情况，准确把握固化过程中材料组织的受力行为及环境变化。
参照图1和2所示，本发明提供的一个实例的具体步骤包括：一种光栅光纤传感器检测复合材料在真空环境装置下的固化过程以及实验方法。
下面是一个具体的实施方法采用的例子：第一、制作预处理玻璃纤维增强环氧树脂预浸料，准备剪裁好的玻璃纤维布(25*25)2张，准备环氧树脂与固化剂，按照5:4的比例均匀混合。将工装铝板表面清理干净后，用丙酮均匀的擦拭一遍，静置15分钟后再擦一遍，然后铺一层准备好的纤维布，在纤维布上铺一层30cm*30cm的隔离膜，然后用刷子蘸取混合好的环氧树脂均匀涂刷隔离膜表面，随后在隔离膜上覆盖一层纤维布；再用刷子均匀涂刷纤维布表面，随后在碳纤维布上再覆盖一层纤维布，并重复此步骤，直至纤维布铺放完毕，其中带将光栅光纤传感器分别铺放在第4层和第9层；此时材料已制备完毕，将其转移至此装置的工作台，利用真空泵将密封空间抽为真空状态.注意光纤位置的密封胶处不要用力压，防止光光纤压断。
第二、开始使用此装置固化，设置加热温度为90摄氏度，加热时长为6小时。预制品热压固化过程中，通过光栅光纤传感器的光栅部位接收信号，通过解调仪将温度和压力信号转换为电信号，进行实时监测。完成热压后取下成品，去掉隔离膜，得到产品。
第三、所述温度和压力传感器的测量端，光纤光栅传感器的栅区均穿过所述固化装置上设置的预留孔密封，所述温度传感器的信号传输端与光栅光纤调节仪接口1相连，用于传输采集获取的波长数据；所述压力传感器的信号端与光栅光纤调节仪接口2相连，用于传输采集获取的压力数据。
第四、将光纤引线穿过光纤引线保护套管，采用光纤熔接机将光纤引出通道中的光纤引线与调节仪接口光纤跳线熔接。
第五、利用以太网将计算机和解调仪连接，将解调仪输出的信号进行接收，监测在真空状态下对复合材料固化过程中的变形行为，跟踪温度变化情况，准确把控固化过程中材料组织的受力行为及环境变化。
本发明中对于复合材料结构埋入传感器技术有以下几点要求：
(1)、传感器的方向尽可能与纤维平行。
(2)、传感器的埋入对结构影响小，并且传感器能正常工作。
(3)、传感器与基体的粘接要牢固，能有效的传递载荷。
(4)、在复合材料生产期间的高温高压的环境下，维持传感器的传感性能。
本发明提供的装置使得复合材料在真空环境下的的加热固化做到各处均匀一致。本发明能实现复合材料制件的内部温度均匀分布和制件的内外固化同步，从而大大减少固化后的制件发生分层、变形、开裂、残余应力等各种缺陷的概率，使制件因为内部温度不均匀而导致的报废率得到大幅降低，提高了产品的生产质量和生产效益。
本发明提供的装置结合计算机自动控制技术，使用本装置可以对复合材料进行准确的自动控制固化的过程，适宜在小空间室内存放，能够给使用者带来方便。
本发明可以在真空状态下对复合材料固化过程中的变形行为进行时时检测，跟踪温度变化情况，准确把控固化过程中材料组织的受力行为及环境变化，从而得到性能优良的制件。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种用于真空环境下的复合材料固化变形检测装置，其特征在于：所述用于真空环境下的复合材料固化变形检测装置包括：可加热的箱体，
可加热的箱体内设置有控制面板、加热板、需要加热的零件、安装需要加热的零件的工作台、转接头；需要加热的零件和转接头之间安装有传感器；转接头一端位于可加热的箱体内，另一端位于可加热的箱体外；控制面板和加热板之间设置有隔热板；可加热的箱体配有真空泵；真空密封转接头在可加热的箱体外的一端连接在计算机上。
2.根据权利要求1所述的用于真空环境下的复合材料固化变形检测装置，其特征在于：加热板是电磁感应加热板；所述的转接头为真空密封转接头。
3.根据权利要求1所述的用于真空环境下的复合材料固化变形检测装置，其特征在于：需要加热的零件为复合材料；复合材料为纤维增强环氧树脂预浸料。
4.根据权利要求3所述的用于真空环境下的复合材料固化变形检测装置，其特征在于：所述的传感器为光栅光纤传感器，传感器包括温度和压力传感器。
5.根据权利要求1所述的用于真空环境下的复合材料固化变形检测装置，其特征在于：工作台与需要加热的零件接触的面为铝板。
6.根据权利要求1所述的用于真空环境下的复合材料固化变形检测装置，其特征在于：转接头和可加热的箱体之间采用耐高温的密封胶密封。
7.根据权利要求1所述的用于真空环境下的复合材料固化变形检测装置，其特征在于：转接头的可加热的箱体外的一端和计算机之间设置有调解器。
8.一种用于真空环境下的复合材料固化变形检测方法：其特征在于：该方法包括如下具体步骤：
步骤(1)、制作预处理玻璃纤维增强环氧树脂预浸料；
步骤(2)、开始固化；
步骤(3)、所述温度和压力传感器的测量端，光纤光栅传感器的栅区均穿过所述固化装置上设置的预留孔密封，所述温度传感器的信号传输端与光栅光纤调节仪接口1相连，用于传输采集获取的波长数据；所述压力传感器的信号端与光栅光纤调节仪接口相连，用于传输采集获取的压力数据；
步骤(4)、将光纤引线穿过光纤引线保护套管，采用光纤熔接机将光纤引出通道中的光纤引线与调节仪接口光纤跳线熔接；
步骤(5)、利用以太网将计算机和解调仪连接，将解调仪输出的信号进行接收，监测在真空状态下对复合材料固化过程中的变形行为，跟踪温度变化情况，准确把控固化过程中材料组织的受力行为及环境变化。
9.根据权利要求8所述的用于真空环境下的复合材料固化变形检测方法，其特征在于：步骤(1)的具体步骤包括：制作预处理玻璃纤维增强环氧树脂预浸料，准备剪裁好的玻璃纤维布2张，准备环氧树脂与固化剂，按照5:4的比例均匀混合。将工装铝板表面清理干净后，用丙酮均匀的擦拭一遍，静置10-20分钟后再擦一遍，然后铺一层准备好的纤维布，在纤维布上铺一层隔离膜，然后用刷子蘸取混合好的环氧树脂均匀涂刷隔离膜表面，随后在隔离膜上覆盖一层纤维布；再用刷子均匀涂刷纤维布表面，随后在碳纤维布上再覆盖一层纤维布，并重复此步骤，直至纤维布铺放完毕，其中带将光栅光纤传感器分别铺放在第4层和第9层；此时材料已制备完毕，将其转移至此装置的工作台，利用真空泵将密封空间抽为真空状态.注意光纤位置的密封胶处不要用力压，防止光光纤压断。
10.根据权利要求8所述的用于真空环境下的复合材料固化变形检测方法，其特征在于：步骤(2)的具体步骤包括：开始使用此装置固化，加热固化；预制品热压固化过程中，通过光栅光纤传感器的光栅部位接收信号，通过解调仪将温度和压力信号转换为电信号，进行实时监测；完成热压后取下成品，去掉隔离膜，得到产品。
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