CN1311232C - 一种复合材料增强体浸润特性的测试仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料增强体浸润特性的测试仪器，包括测试器、控温装置、计算机以及存储于计算机内的浸润曲线控制执行程序组成。控温装置的测温端与测试液体接触，计算机与传感器连通。测试器的隔热壳体的上端设有上盖，下端安装在水平稳定器上，隔热壳体上开设有观察窗，隔热壳体内水平稳定器上安装有升降台，升降台上放置有容器；水平稳定器上隔热壳体外沿设有供观察门滑动的沟槽；上盖内安装有传感器，传感器的接触端与传质导线连接，传质导线的另一端与置样器连接，传感器的输出端与计算机连通；水平稳定器的侧面上开设有安装操作台的孔以及电源开关。本发明测试仪器能够测试不同时刻液体浸润复合材料增强体的质量变化状况。

Description

一种复合材料增强体浸润特性的测试仪器

技术领域

本发明涉及一种测试仪器，具体地说，是指一种通过测试液体(包括小分子液体和树脂)对不同形式增强体(如：纤维、织物、颗粒、粉末、毡状及片状材料)的浸润质量得到其浸润特性的测试仪器。

背景技术

在复合材料成型过程中，树脂与增强体之间良好的浸润性具有非常重要的作用，它是获得良好界面的前提，从而为提高复合材料性能和稳定性提供先决条件。由于固体(如增强体)的表面不能流动，不能直接测得其表面能，因此一般通过测试液体与固体(如增强体)的接触角得到固体(如增强体)的表(界)面性能，这是目前获得固体表(界)面性能最为有效的方法之一。

然而纤维和粉末状增强体具有较高的比表面积，直接测试液体与这两类物质的接触角非常困难。并且由于纤维的表面状态在长度方向上不均匀，纤维单丝的安装操作困难，容易引起表面污染等原因，致使测试结果重复性差，因此迄今尚无公认的准确测定液体对纤维和粉末状增强体浸润性能的方法及设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种测试仪器，该测试仪器能够测试不同时刻液体浸润复合材料增强体的质量变化状况。通过测定液体(包括小分子液体和树脂)在不同温度条件下在不同形式增强体如：纤维、织物、颗粒、粉末、毡状及片状材料的毛细浸润质量随时间的变化，通过信息采集、处理与显示系统对数据进行计算处理得到浸润性能参数，从而表征复合材料制备过程中树脂在纤维增强体形成的多孔介质的毛细浸润和渗透性能。

本发明的一种浸润特性测试仪，包括测试器、控温装置、计算机三部分，控温装置与测试液体接触，计算机与传感器连通。

所述的计算机内存储有浸润曲线控制执行程序；浸润曲线控制执行程序采用Visual Basic6.0语言进行编程，执行串口通信响应、基准时间设定、曲线处理和数据保存四个功能。

所述的控温装置，包括第一热电偶、第二热电偶、以及安装在控制箱内的硬件电路板，第一热电偶的测温端与测试液体接触，另一端与控制箱内的温度表连接，第二热电偶安装在容器本体与加热套之间且与加热套内壁接触，另一端与控制箱内的温度控制仪连接，控制箱上设有设定温度显示窗和液体温度显示窗。

所述的测试器，包含隔热壳体、上盖、水平稳定器、传感器、容器、升降台、置样器，隔热壳体的上端设有上盖，隔热壳体的下端安装在水平稳定器上，隔热壳体上开设有观察窗，隔热壳体内水平稳定器上安装有升降台，升降台上放置有容器；水平稳定器上隔热壳体的外侧设有供观察门滑动的沟槽，沟槽与隔热壳体外沿有1～5mm间距；上盖内安装有传感器，传感器的接触端与传质导线连接，传质导线的另一端与置样器连接，传感器的输出端与计算机连接；容器由容器本体、加热套、电热丝构成，电热丝安装在加热套内，加热套包裹在容器本体的外壁，容器本体内盛装有用于测试用的测试液体；水平稳定器的侧面上开设有安装操作台的孔和电源开关，操作台上设有显示屏和功能按键。

所述的浸润特性测试仪，其操作台也可以安装在隔热壳体的上部。

所述的浸润特性测试仪，其置样器可以是管状结构、夹具结构和桶状结构。其置样器中的复合材料增强体进入测试液体的液面1～3mm，测试液体沿平行纤维方向或者沿垂直纤维方向进行浸润。

所述的浸润特性测试仪，其隔热壳体为中空双层结构，中空层内填充有泡沫保温材料和设置有导线。

所述的浸润特性测试仪，其测试液体可以是小分子液体或者树脂。小分子液体可以是水或正己烷或正庚烷或正癸烷或乙醇或甘油；树脂可以是或环氧系列树脂或双马来酰亚胺树脂或酚醛树脂。

本发明测试仪器的优点：(1)采用不同结构的置样器可以测试液体在颗粒、粉末、毡状及片状增强体中的浸润性能，同时也可以改变纤维织物的置样方式，使测试液体沿平行纤维方向或沿纤维垂直方向进行浸润；(2)能够改变沿平行纤维方向或沿纤维垂直方向的纤维置样密度；(3)借助计算机与传感器的连接，可以实时显示液体浸润质量与浸润时间变化关系曲线；(4)测试结果精确，操作方便，测试数据可重复使用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是另一种结构示意图。

图3是置样器的结构示意图。

图4是容器与控温装置的连接示意图。

图5是控温装置的电路原理框图。

图6是质量测试显示界面图。

图7是浸润曲线控制流程图。

图8是本发明测试器的一种外观示意图。

图中：1.隔热壳体    101.水平稳定器    102.上盖    103.操作台104.电源开关    105.沟槽    106.观察窗    2.传感器    3.孔    4.容器401.容器本体    5.升降台    8.测试液体    9.置样器    901.传质导线902.上板    903.下板    904.螺柱    905.桶体    906.微孔塑料薄膜1101.加热套    1102.电热丝    1103.控制箱    1104.设定温度显示窗1105.液体温度显示窗    1106.第一热电偶    1107.第二热电偶

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

毛细升高法，是通过测试不同时刻液体在毛细作用下在纤维和粉末形成的多孔介质中的芯吸质量或高度，应用流体力学与表(界)面科学基本原理计算得到接触角，是目前用于测试纤维和粉末状材料与液体接触角的主要方法。在本发明的测试仪中，同样采用类似的方法进行测试样品的浸润特性，但不同于普通的毛细升高法。对其改进在于只将样品浸入测试液体的液面1～3mm，实现连续的采集数据，并将质量曲线实时显示于计算机上。

在本发明中的浸润特性测试方法，包括下列步骤：

(1)打开控温装置对测试液体进行加热，并保持在设定温度；

(2)将样品装入置样器9中；

(3)检测传感器与计算机是否导通，并设定采集参数；

(4)通过操作台设定系统初始状态；

(5)调节升降台，使置样器9中的增强体进入测试液体8的液面1～3mm；

(6)测试开始，传感器采集数据，计算机处理数据，观察浸润曲线；

(7)数据采集完成，通过操作台关掉控温装置、传感器；

(8)计算机进行数据存储，测试结束。

在测试过程中，测试液体温度可以设定在室温至200℃之间，通过控温装置进行加热。

在测试过程中，调节升降台使样品与测试液体的液面接触，是保证连续采集数据的重要手段。样品与液面的深接触使样品可以沿平行纤维方向或者沿垂直纤维方向进行浸润。

请参见图7所示，在对传感器与计算机是否导通进行检测时，导通，则通过计算机的键盘进行设定的参数有：浸润时间、浸润质量、浸润时间间隔、纤维类型、单丝直径、体积含量、树脂种类、粘度、温度，运用计算机具有的处理功能和特为该测试仪器开发的软件——浸润曲线控制执行程序，可将采集数据实时显示供操作者观察得到浸润参数，从而表征不同液体对复合材料增强体的毛细浸润、渗透难易程度。

在本发明中，对测试后的数据可以存储，有利于再次的运用。这样减少了试验的重复性造成的资源浪费。

本发明的浸润特性测试仪是指一种通过测试液体(包括小分子液体和树脂)对不同形式增强体(如纤维、织物、颗粒、粉末、毡状及片状材料)的浸润质量得到其浸润特性的测试仪。

本发明的浸润特性测试仪，由测试器、控温装置和计算机以及存储于计算机内的浸润曲线控制执行程序三部分组成，下面将对各部分进行分别说明。

在本发明中，计算机的最低配置在486以上，且操作平台为Windos98、2000、XP，存储于计算机内的浸润曲线控制执行程序采用Visual Basic6.0语言进行编程。电磁力传感器2输出端的RS232通讯接口连接在计算机的串口上，并将不同形式增强体的浸润质量数据信息传输至计算机内的浸润曲线控制执行程序，经浸润曲线控制执行程序计算、处理后显示于计算机的显示屏上和自动存储生成的数据文件。

请参见图1、8所示，在本发明中，测试器包含隔热壳体1、上盖102、水平稳定器101、电磁力传感器2、容器4、升降台5、置样器9，隔热壳体1为中空双层结构，在隔热壳体1中空双层内布置有电源导线、传输导线等和泡沫保温材料。隔热壳体1的上端设有上盖102，隔热壳体1的下端安装在水平稳定器101上，隔热壳体1上开设有观察窗106，观察窗106通过一玻璃门在沟槽105内滑动实现打开和关闭。隔热壳体1内水平稳定器101上安装有升降台5，升降台5上放置有容器4；水平稳定器101上隔热壳体1的外侧设有供观察门滑动的沟槽105，沟槽105与隔热壳体1外沿间距有3mm，观察门约大于观察窗106，以方便密封观察窗106使测试器内的热量不造成损失；电磁力传感器2安装在上盖102内(即隔热壳体1上端的外底部内)，电磁力传感器2的接触端与纤维线连接，纤维线的另一端与置样器9连接，电磁力传感器2输出端的RS232通讯接口连接在计算机的串口上，传感器与计算机的联路可以将传感器采集的被测增强体的浸润质量数据信息输出至存储于计算机内的浸润曲线控制执行程序，通过该控制执行程序的处理表征在显示屏上，以较为直观的方式观察到被测增强体的浸润特性。水平稳定器101与观察窗106的同侧面上开有一个孔3，孔3内安装有操作台103，电源开关104也设在水平稳定器101的侧面上，操作台103上设有显示屏和功能按键，通过对操作台103的操作，实现对被测增强体的数据设定、清零、数据导入等。请参见图4所示，容器4由容器本体401、加热套1101、电热丝1102构成，电热丝1102安装在加热套1101内，加热套1101包裹在容器本体401的外壁，容器本体401内盛装有用于测试用的测试液体8。在控温装置中，包括第一E型热电偶1106、第二E型热电偶1107、以及安装在控制箱1103内的硬件电路板(如图5所示)，第一E型热电偶1106的测温端与测试液体8接触，第一E型热电偶1106的输出端与控制箱1103内的测量温度的XST/C-H型温度表输入端连接；第二E型热电偶1107安装在容器本体401与加热套1101之间且与加热套1101内壁接触，第二E型热电偶1107输出端与控制箱1103内的XSC/B-F型PID温度控制仪输入端连接。控制箱1103上设有设定温度显示窗1104和液体温度显示窗1105。当液体温度显示窗1105中显示的测试液体8温度低于设定温度显示窗1104中的设定温度时，XSC/B-F型PID温度控制仪便输出电流使电热丝1102对测试液体8进行加热升温。在本发明中，设定温度显示窗1104中设定的温度随测试液体8的不同，如环氧618树脂的温度设定为80℃，则测试液体8温度应当保持在该温度条件下，但由于散热等因素会造成热量的损失，当测试液体8的温度低于设定温度0.5℃时，XSC/B-F型PID温度控制仪的开关K2闭合，并对容器本体401加热；当测试液体8的温度高于设定温度0.5℃时，XSC/B-F型PID温度控制仪的开关K2断开，停止对容器本体401加热。RD₁和RD₂是熔断器，避免短路现象发生。XSC/B-F是PID温度控制仪，接线端1和2为其提供220V交流电源，端子13和14输出电流控制固态继电器SSR导通与否，端子9和10分别与E型热电偶TC₁的正负极相接。XST/C-H是温度测量仪表，端子15和16为其提供220V交流电源，端子1和2分别与E型热电偶TC₂的正负极相接。

在整体结构不变的情况下，操作台103也可以安装在隔热壳体1的上部侧面(如图2所示)。一般，操作台103是正对着操作者的，也就是说，操作台103和玻璃门方向是同向的。

在本发明中的浸润曲线控制执行程序，采用Visual Basic6.0语言进行编程。Visual Basic语言是对事件编程的语言，主要结构就是对事件的响应。该程序主要实现四个功能：串行接口(串口)通信、基准时间、曲线处理和数据保存。串口通信功能是利用MScomm控件，通过计算机串口对质量测试系统和温度控制系统发出指令，并且接收其传输的数据信号。基准时间是利用timer控件获得精确的时间，从而对数据采集和显示部分提供时间信号。曲线处理功能是将采集的数据转变为坐标值，在Picturebox控件中利用PSet方法把点画在坐标系中。数据保存功能是通过对文件的读写指令生成一个数据文件，并将采集的数据和实验参数保存到数据文件中。程序启动后，timer控件就开始计时，每隔一定时间就触发一次timer_timer()事件。程序对这个事件的响应就是通过MScomm控件从串口中发出对传感器采集指令，将其显示在软件运行界面上。当实验开始后，记录程序开始，则打开一个以实验时间为文件名的数据文件，将实验参数全部写入。另一个时间控件开始计时，显示在软件运行界面。实验结束，程序停止后，关闭数据文件，而采样仍然进行，直至退出程序。程序运行界面如图6所示，程序运行时计算机的显示屏上主要显示浸润曲线实时观察部分，系统控制部分和实验参数记录部分。浸润曲线实时观察部分位于显示屏的中间，可以对浸润曲线进行实时观察，了解浸润进行的状况。系统控制部分位于显示屏的下部，可以对测量系统发出各种指令，以及显示时间和浸润质量。实验参数记录部分位于显示屏右侧，填写关于此次实验的一些参数，并保存到最终的数据文件中。

在本发明中，如果对纤维束进行浸润特性测试，可以采用管状结构的置样器9。将几束或几十束纤维放入管状结构的置样器9内，可以观察到测试液体沿平行纤维方向的浸润性能。通过丝线或金属丝传质导线901一端上连接的电磁力传感器2对这上万根纤维丝进行在不同时刻液体浸润的质量变化实时显示在计算机的显示屏上。

在本发明中，如果是对纤维织物进行浸润特性测试，可以采用夹具结构的置样器9。该夹具结构的置样器9由四根螺柱904通过螺母安装在置样器上板902和置样器下板903的端部形成四边形结构，置样器上板902和置样器下板903上设有孔。进行测试时，将纤维织物一层一层平铺于夹具内，通过电磁力传感器2与计算机以及浸润曲线控制执行程序的组合，可以观察到测试液体沿垂直纤维方向的浸润性能。不同时刻液体浸润的质量变化实时显示在计算机的显示屏上。

在本发明中，如果对粉末状材料进行浸润特性测试，可以采用桶状结构的置样器9。桶状结构的置样器9是在桶体905底端设有微孔塑料薄膜906，微孔塑料薄膜906上设有微孔，微孔塑料薄膜906可以采用聚酯塑料制成。

在复合材料成型过程中，不同类型的树脂体系对增强体的浸润作用不同直接影响所制得的复合材料性能，故在本发明中选用浸润特性测试仪的测试液体8是根据所要制备的复合材料基体来决定的，一般树脂类测试液体可以选取环氧系列树脂、双马来酰亚胺树脂、酚醛树脂等。为了与其它测试方法作对比，小分子类测试液体8也可以采用水、正己烷、正庚烷、正癸烷、乙醇、甘油等。

本发明的浸润特性测试仪能够有效的测试复合材料成型过程中液体对增强体的浸润性能。其设备结构设计简单、成本低廉、操作方便，测试数据精确。

Claims (8)

1、一种适用于复合材料增强体浸润特性的测试仪，包括计算机，其特征在于：还包括测试器、控温装置，所述的计算机内存储有浸润曲线控制执行程序；浸润曲线控制执行程序采用Visual Basic6.0语言进行编程，执行串口通信响应、基准时间设定、曲线处理和数据保存四个功能；

所述的控温装置，包括第一热电偶(1106)、第二热电偶(1107)、以及安装在控制箱(1103)内的硬件电路板，第一热电偶(1106)的测温端与测试液体(8)接触，另一端与控制箱(1103)内的温度表连接，第二热电偶(1107)安装在容器本体(401)与加热套(1101)之间且与加热套(1101)内壁接触，另一端与控制箱(1103)内的温度控制仪连接，控制箱(1103)上设有设定温度显示窗(1104)和液体温度显示窗(1105)；

所述的测试器，包含隔热壳体(1)、上盖(102)、水平稳定器(101)、传感器(2)、容器(4)、升降台(5)、置样器(9)，隔热壳体(1)的上端设有上盖(102)，隔热壳体(1)的下端安装在水平稳定器(101)上，隔热壳体(1)上开设有观察窗(106)，隔热壳体(1)内水平稳定器(101)上安装有升降台(5)，升降台(5)上放置有容器(4)；水平稳定器(101)上隔热壳体(1)的外侧设有供观察门滑动的沟槽(105)，沟槽(105)与隔热壳体(1)外沿有1～5mm间距；上盖(102)内安装有传感器(2)，传感器(2)的接触端与传质导线(901)连接，传质导线(901)的另一端与置样器(9)连接，传感器(2)的输出端与计算机连接；容器(4)由容器本体(401)、加热套(1101)、电热丝(1102)构成，电热丝(1102)安装在加热套(1101)内，加热套(1101)包裹在容器本体(401)的外壁，容器本体(401)内盛装有用于测试用的测试液体(8)；水平稳定器(101)的侧面上开设有安装操作台(103)的孔(3)和电源开关(104)，操作台(103)上设有显示屏和功能按键。

2、根据权利要求1所述的浸润特性测试仪，其特征在于：传感器(2)采用电磁力传感器。

3、根据权利要求1所述的浸润特性测试仪，其特征在于：所述的置样器(9)是管状结构；或者是夹具结构，其夹具由四根螺柱(904)通过螺母安装在置样器上板(902)和置样器下板(903)的端部形成四边形结构，置样器上板(902)和置样器下板(903)上设有孔；或者是桶状结构，在桶体(905)底端设有微孔塑料薄膜(906)，微孔塑料薄膜(906)上设有微孔。

4、根据权利要求1所述的浸润特性测试仪，其特征在于：置样器(9)中的复合材料增强体进入测试液体(8)的液面1～3mm，测试液体(8)沿平行纤维方向或者沿垂直纤维方向进行浸润。

5、根据权利要求1所述的浸润特性测试仪，其特征在于：隔热壳体(1)为中空双层结构，中空层内填充有泡沫保温材料和设置有导线。

6、根据权利要求1所述的浸润特性测试仪，其特征在于：传质导线(901)是纤维线。

7、根据权利要求1所述的浸润特性测试仪，其特征在于：测试液体(8)是小分子液体或者树脂；小分子液体有水或正己烷或正庚烷或正癸烷或乙醇或甘油；树脂有环氧系列树脂或双马来酰亚胺树脂或酚醛树脂。

8、根据权利要求1所述的浸润特性的测试仪，其特征在于：操作台(103)或者安装在隔热壳体(1)的上部。

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