CN1651899A - 一种纤维织物面外渗透率的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纤维织物面外渗透率的测试方法，该方法首先将被测试的纤维织物制备成带状并缠绕成圆盘形试样；然后把该试样放在上、下模和组成的测试模具中夹紧，并使试样的中心与下模上的液体注入口中心一致；通过液体注入系统注入恒定压力的液体，该压力值经压力传感器被计算机数据采集系统采集；同时数字摄像机记录流体通过纤维织物试样流动前沿的位置，基于测试实验所得数据，按照达西定律在各向同性介质中的流动定律即可计算出所求的面外渗透率。本发明方法可直观、清楚、精确地反映流体通过纤维织物试样流动前沿的位置信息，方法简单、操作方便，具有实用性。

Description

一种纤维织物面外渗透率的测试方法

技术领域

本发明属于纤维织物特性的测试技术，特别涉及到纤维织物作为复合材料增强材料应用时的面外渗透率特性测试方法，国际专利分类号拟为Int.C1⁷.G01B 11/00。

背景技术

使用液体成型技术制造复合材料构件时，其质量受多种因素的影响，包括纤维增强材料的性质、基体的性质、基体与纤维织物界面的性质、设备的运行情况和工艺条件的制定等。渗透率是纤维的特性，是影响液体成型技术的重要参数之一。纤维渗透率可分为面内渗透率和面外渗透率。面外渗透率就是反映流体通过纤维织物厚度方向时所受阻力情况的参数。面内渗透率是流体通过纤维织物平面时所受阻力的指标。纤维织物的面内渗透率和面外渗透率是预测复合材料液体成型工艺的充模过程，进行模具设计和优化工艺的重要参数，最终影响复合材料构件的质量和稳定性。目前绝大多数的液体复合材料成型工艺的充模过程及其优化设计简化为二维流动，即只使用面内渗透率，而对于制造复杂形状和结构的复合材料而言，只采用面内渗透率则远远不能满足实际需要。随着纤维增强复合材料应用的不断扩大，特别是纤维增强材料的多样化，纤维织物的面外渗透率及其测试技术显示出了它的重要性和实际应用意义。

目前国内外关于纤维织物面外渗透率的测试方法尚无标准，也就是说还没有统一、可靠和稳定的测试方法。因此许多学者对此课题进行了研究，例如：奈达诺夫(Nedanov)提出了同时测试纤维织物面外渗透率和面内渗透率的方法(参见“测量纤维增强材料三维渗透率的方法”，复合材料杂志，A method to determine 3D permeability of fibrous reinforcements.Journal ofcomposite materials，2002，36(2)：241-254)。实验是在一定注入流速条件下完成，在面外渗透率测试中，流体通过厚度方向的位置是通过监测流体流入纤维的体积计算而得到的。特维诺(Trevino)等人的研究发现，大多数增强材料的面外渗透率依赖于铺层的厚度(参见“用替代纤维毡分析树脂的注入1：测量渗透率和可压缩性”，聚合物复合材料，Analysis of resin injectionmolding in molds with replaced fiber mats.1：Permeability and compressibilitymeasurement.Polymer composites.1991，12(1)：20-29)，吴先生(Wu)等人则设计了一个直径18毫米的圆形预制件来完成纤维织物的渗透率实验(参见“面外渗透率的测量和它在液体成型技术中的应用，聚合物复合材料”，Trans-plane fluid permeability measurement and its application in liquidcomposite molding.Polymer Composites，1994，15(4)，289-298.)。该方法设计了一对同心圆茼装置进行测量，它利用一维流动实验测量面外渗透率，发现注入压力影响渗透率的测试结果；维真博克(Weitzenbck)等人设计的测试方法中使用了热敏传感器来记录复合材料液体由纤维织物面外渗透时其液体流动前沿位置的方法(参见“三维渗透率的测量”，复合材料A，Measurement of three-dimensional permeability.Composites Part A，1998，159-169，29A.)。该方法在纤维层之间预埋了热敏传感器，从而影响了流动的真实性；安(Ahn)先生等人则提出了利用预埋光导纤维监测复合材料液体由纤维织物面外渗透时其液体流动前沿位置的方法(参见“利用植入光导纤维测量纤维预制件的三维渗透率”，复合材料杂志，Measurement of the three-dimensional permeability of fiber preforms using embedded fiber optic sensors.J.Composites Material.，1995，29(6)，714-733.)。该方法记录的流动前沿是光导纤维的渗透情况，与实际所测的纤维的渗透率存在差距，因此也同样影响了流动的真实性；斯多文(Stven)等人又提出了一种利用超声波接受器监测液体在纤维织物厚度方向渗透时其流动前沿位置的变化，利用超声波在不同介质中的变化接收流体的信息(参见“连续监测树脂通过纤维织物的三维流动”，复合材料A，Continuous monitoring of three-dimensional resin flowthrough a fibre preform.Composites：Part A 34(2003)475-480.)。沃顿安(Woerdeman)等人则设计了一个数学模型，利用六个一维流动测试法来测试纤维织物的面内和面外渗透率(参见“RTM中测量三维渗透率的说明”，聚合物复合材料，Interpretation of 3-D permeability measurements forRTM molding.Polymer Composites，1995，16(6)：470-480.)。该方法提出了计算四个面内渗透率和两个面外渗透率的数学模型，但没有实验方法，因为文中所涉及到的几个一维实验仅在理论上可行，而在实际中难以实现。由此可见，发展和建立面外渗透率的测试方法和技术具有重要的现实意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是设计一种测量纤维织物面外渗透率的方法，该方法可直观、清楚、精确地反映流体通过纤维织物试样流动前沿的位置信息，并且方法简单、操作方便，具有实用性。

本发明解决所述技术问题的技术方案是设计一种纤维织物面外渗透率的测试方法，该方法首先将被测试的纤维织物制备成带状并缠绕成圆盘形试样；然后把该试样放在上、下模和组成的测试模具中夹紧，并使试样的中心与下模上的液体注入口中心一致；通过液体注入系统注入恒定压力的液体，该压力值经压力传感器被计算机数据采集系统采集；同时数字摄像机记录流体通过纤维织物试样流动前沿的位置，基于测试实验所得数据，按照达西定律在各向同性介质中的流动定律即可计算出所求的面外渗透率。

现有的测试面外渗透率的方法大多数采用一维流动方法完成。这种方法测试面外渗透率时，先将纤维织物剪裁成长方形，再把它们叠放在一起形成一定的厚度长方体，然后放入一个长方体的模具中，要求流体从模具短边线形注入，由于纤维试样的裁剪不能完全与模具尺寸一致，总是在边缘存在一定的缝隙，致使流体通常沿织物边缘(与模具之间)率先流出——这种现象称为边缘流动，因此很难形成所要求的线形流动，使实验难于正常进行，更无法应用达西定律计算。本发明的测试方法是一种简单、准确和数据容易处理的测量方法，克服了现有的一维流动方法测试面外渗透率容易产生边缘流动，流动前沿不能准确被监测，致使各种纤维织物的渗透率数据严重缺乏，测试不准确，实际应用困难的不足。本发明的测试方法通过巧妙设计，还可以使较难测试的面外渗透率的测量转化为容易测试的面内渗透率的测量，由于被测试样面外渗透率是常数，流动前沿将形成一个圆形形状，容易进行图象分析和计算，同时厚度方向被大大增加，使流动前沿的位置很容易被记录，在实际中具有重要的应用价值。

附图说明

图1是本发明纤维织物面外渗透率测试方法所使用测试装置示意图；

图2是本发明用被测纤维织物制备成的圆盘形纤维织物试样样品照片；

图3是使用本发明纤维织物面外渗透率测试方法测试时玻璃纤维试样在不同时间时的流动前沿拍摄图像。

具体实施方式

下面结合实施例进一步叙述本发明：

本发明测试方法所使用的测试装置(参见图1)其基本组成包括：数字摄像机1，压力传递框2，透明上模3，被测试样4，金属底模5，液体注入系统6，压力传感器7，垫片8，计算机数据采集系统9等，基本是现有技术。

本发明设计的一种测量纤维织物面外渗透率的方法测试时(参见图1、2和3)，首先将被测试的纤维织物制备成带状并缠绕成圆盘形试样4；然后把该试样4放在上、下模3和5组成的测试模具下模5的中间，并使试样4的中心与位于下模5上的液体注入口中心一致；液体以恒定压力通过注入系统6渗透到被测纤维织物试样4中，置于透明上模3上方的数字摄像机1记录流体通过纤维织物试样4流动前沿的位置，并通过计算机图象分析软件分析得到不同时间的流动前沿的位置。基于测试实验中所得到的注入压力、不同时间所对应的流动前沿的位置、被测纤维的孔隙率、注入流体的粘度这些参数，根据达西定律在各向同性介质中的流动定律即可计算出面外渗透率。

本发明测试方法中制备圆盘形纤维织物试样4是关键技术之一。本发明方法的进一步特征在于所述纤维织物试样4的带宽设计为5-15毫米，缠绕后试样4的圆盘直径可以为50-380毫米。所述的圆盘形试样4没有芯轴，缠绕可由现有的专门设备(缠绕机)完成。

本发明方法所述的上、下模3和5构成的测试模具尺寸与所述圆盘形纤维织物试样4的直径大小有关。一般应大于所述圆盘形纤维织物试样4的直径的最大直径，并方便取放所述试样即可。根据所述圆盘形纤维织物试样4的最大直径为380毫米，所以本发明实施例的测试模具尺寸为400毫米的正方形。但这并不受限定。所述的测试模具完全可以设计为与所述圆盘形纤维织物试样4最大直径相匹配的圆形、矩形等形状。所述测试模具的上模3是透明的，以便数字摄像机1采集和记录流体通过纤维织物试样流动前沿位置的信息。

为了确保所述圆盘形纤维织物试样4的在实验中不发生移动和变形，使面外渗透率测试准确，本发明方法的进一步特征在于在所述的测试模具上、下模3和5之间的边缘安装有垫片8(参见图1)，并且其厚度与所述试样4的带宽相一致；还设计有一个与上模3相匹配的压力传递框2，测试时使用它可以将上、下模3和5及其之间的垫片8一并夹紧。压力传递框2是由金属制成的框架，形状与模具上模3的外形尺寸相适宜，以便能通过固定件如螺钉等施加压力，夹紧上、下模具3、5和置于其中的试样4。在模具上、下模3和5之间的边缘安装的垫片8厚度与所述试样4的带宽相一致。如果所述垫片8的厚度比所述试样4的带宽低时，上、下模3和5夹紧试样4并加压后会影响试样4的固有形状和结构，干扰流体通过纤维织物试样的渗透率；如果所述垫片8的厚度比所述试样4的带宽高时，上、下模3和5无法夹紧试样，实验过程中试样容易产生位移，影响数字摄像机1对流体通过纤维织物试样4流动前沿位置的真实记录。测试时，将垫片8放在试样4的四周，将透明上模3压住试样4和垫片8，再将压力传递框2置于透明上模3之上，用固定件将它们夹紧。在0.04-0.3Mpa恒定注入压力(该压力的精确数值经压力传感器被计算机数据采集系统采集而得到)条件下开始测试。简言之，本发明方法采用了使用压力传递框2施加压力和用垫片8固定试样尺寸的方法来提高测试精度。

本发明方法所述的数字摄像机1记录流体通过纤维织物试样流动前沿的位置，利用已有的图像处理软件，可分析出所需要任意时刻的流体通过纤维织物试样4流动前沿位置的信息(半径)(参见图3)，根据实验中所得到注入压力、不同时间所对应的流动前沿的半径、注入流体的粘度和被测纤维的孔隙率(计算方法见公式(2))这些参数，即可计算出面外渗透率。

本发明由于不同的试样制备的设计，所述试样4在厚度方向的合理增加，使得测试时液体的流动前沿位置就容易观察和准确记录；更重要的是可以使面外渗透率被转化为面内渗透率的测试方法，因此面外渗透率的计算就可以按照面内渗透率的计算方法来计算，由于被测试样面外渗透率是常数，流动前沿将形成一个圆形形状，不仅图象分析和计算容易而且有效地避免了边缘流动；因此面外渗透率可按照流体在各向同性介质中的达西定律来计算求解。所述的达西定律在各向同性介质中的流动定律计算式即下述(1)式：

$K=\left\{{r_f}^2\right[2\mathrm{In}(r_f/r_0)-1]+{r_0}^2\}\×\frac{1}{t}\frac{\mathrm{\η\ϵ}}{4\mathrm{\ΔP}}---\left(1\right)$

在(1)式中，r₀，r_f，η，ε，ΔP分别为注入口半径，流动前沿半径，流体粘度，纤维孔隙率和注入压力。纤维孔隙率ε是计算渗透率的重要参数之一。由于本发明所述的试样4是独特设计，所以本发明测试方法在使用(1)计算时，不能使用现有的纤维孔隙率ε计算方法，而应改用下述(2)式来计算：

$\mathrm{\ϵ}=1-\frac{W_f}{{\mathrm{\ρ}}_f\×\mathrm{\π}{R}^{2}h}---\left(2\right)$

在(2)式中，W_f是所述圆盘形试样4的重量，P_f是所述圆盘形试样1所用纤维的密度，R是所述圆盘形试样4的半径，h是所述垫片的厚度。

下面给出本发明的具体实施例：

实施例1

采用国产玻璃纤维带制备圆盘形试样4。其规格及性能参数如表1所述。纤维孔隙率ε按公式(2)计算得71.5％(纤维的密度以2.54计算)，将试样放入所述的测试装置中，要求试样4中心与注入孔的中心一致，依次放置垫片8、上模3、压力传递框2，使上、下模3、5夹紧试样4；然后打开流体注入开关、数字摄像机1开关和计算机采集系统9；面外渗透率可根据所述的达西定律公式(1)来计算，计算结果见表2。实施例中垫片厚度h为9.83毫米，注入恒定压力的数值经计算机采集压力传感器得到58675Pa；注入口直径是10毫米；所使用的流体是导热油YD-320，18℃时粘度为60mPa.s；流动前沿的半径是根据数字摄像机1记录的数据(图3是摄像机记录的几个不同时间的流动前沿的图像)，利用图象分析软件通过对图象的数字分析即可得到表2所示的不同时间所述的流动前沿的位置。

                表1.试样所用玻璃纤维带的参数

  厚度        宽度        密度    织物组织    重量    直径

 (毫米)      (毫米)    (根/厘米)              (克)    (毫米)

0.1±0.01    10±1     经10  纬8    平纹      161.4    170

     表2.玻璃纤维织物试样面外渗透率的测试结果

时间(秒)	流动前沿半径rf(米)	面外渗透率K(米2)
			20	0.0275	1.689E-11
40	0.0353	1.669E-11
			60	0.0420	1.758E-11
80	0.0472	1.783E-11
			100	0.0513	1.763E-11
120	0.0550	1.754E-11
			140	0.0576	1.688E-11

160	0.0617	1.754E-11
			170	0.0628	1.726E-11
180	0.0643	1.727E-11
			200	0.0669	1.715E-11
220	0.0695	1.713E-11
			平均值		1.728E-11
标准偏差(％)		3.50E-11
			离散系数(％)		2.03

实施例2

采用与实施例1相同的国产玻璃纤维带制备试样，其规格及性能参数如表3所述。纤维孔隙率ε按公式(2)计算得68.7％(纤维的密度以2.54计算)，注入恒定压力，经计算机采集压力传感器的数据得到65532Pa；垫片厚度、流体粘度等条件与实施例1相同。流动前沿的半径是根据数字摄像机1记录的数据进行图象分析后所得到见表4，将所得参数代入公式(1)即可计算出面外渗透率参数。

           表3.试样所用玻璃纤维带的参数

  厚度        宽度        密度    织物组织  重量     直径

 (毫米)      (毫米)    (根/厘米)            (克)    (毫米)

0.1±0.01    10±1     经10  纬8    平纹    552.1    300

  表4.玻璃纤维织物试样面外渗透率的测试结果

时间(秒)	流动前沿半径rf(米)	面外渗透率K(米2)
			10	0.0173	7.399E-12
20	0.0216	7.219E-12
			30	0.0246	7.095E-12
40	0.0273	7.136E-12
			50	0.0300	7.407E-12
60	0.0327	7.800E-12
			70	0.0339	7.341E-12
80	0.0366	7.880E-12
			90	0.0381	7.812E-12
100	0.0393	7.606E-12

110	0.0408	7.647E-12
			130	0.0435	7.642E-12
150	0.0462	7.735E-12
			170	0.0473	7.272E-12
190	0.0504	7.642E-12
			210	0.0516	7.324E-12
230	0.0543	7.608E-12
			250	0.0558	7.510E-12
270	0.0570	7.322E-12
			290	0.0597	7.654E-12
310	0.0624	7.994E-12
			330	0.0639	7.980E-12
350	0.0650	7.866E-12
			370	0.0666	7.885E-12
390	0.0677	7.805E-12
			平均值		7.583E-12
标准偏差(％)		2.67E-11
			离散系数(％)		3.52

Claims (3)

1.一种纤维织物面外渗透率的测试方法，该方法首先将被测试的纤维织物制备成带状并缠绕成圆盘形试样(4)；然后把该试样(4)放在上、下模(3)和(5)组成的测试模具中夹紧，并使试样(4)的中心与下模(5)上的液体注入口中心一致；通过液体注入系统(6)注入恒定压力的液体，该压力值经压力传感器(7)被计算机数据采集系统(9)采集；同时数字摄像机(1)记录流体通过纤维织物试样(4)流动前沿的位置，基于测试实验所得数据，按照达西定律在各向同性介质中的流动定律即可计算出所求的面外渗透率。

2.根据权利要求1所述的纤维织物面外渗透率的测试方法，其特征在于所述纤维织物试样(4)的带宽5-15毫米，圆盘直径为50-380毫米。

3.根据权利要求1或2所述的纤维织物面外渗透率的测试方法，其特征在于在所述的测试模具上、下模(3)和(5)之间的边缘安装有垫片(8)，并且其厚度与所述试样(4)的带宽相一致；还设计有一个与上模(3)相匹配的压力传递框(2)，测试时使用它可以将上、下模(3)和(5)及其之间的垫片(8)一并夹紧。

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