CN208076080U - 一种热压固化复合材料制件与模具界面应力监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种热压固化复合材料制件与模具界面应力监测系统，所述系统包括复合材料支撑板、设置在支撑板上待进行热压固化处理的复合材料制件、设置在复合材料制件上方的数据采集薄片以及固定设置在数据采集薄片上表面的应变片，所述数据采集薄片的厚度为0.4mm以下，所述数据采集薄片的周边尺寸大小与所述复合材料制件的周边尺寸大小相同或二者周边尺寸差别均不超过±0.5mm。本实用新型不需要测定复合材料的弹性模量等物性参数，可由模具材料的弹性模量等参数计算出界面剪应力，具有可操作性。

Description

一种热压固化复合材料制件与模具界面应力监测系统

技术领域

本实用新型涉及热压固化制备复合材料领域，具体涉及一种热压固化复合材料制备过程中复合材料制件与模具界面应力在线监测系统。

背景技术

树脂基复合材料以其优良的性能在航空航天、汽车船舶等领域得到广泛的应用。热压罐成型工艺(热压固化制备)被广泛应用于树脂基复合材料的成型制造中。但是复合材料制件在脱模后变形严重，影响其成型精度，影响制件产生变形的因素大致可分为：不均匀固化收缩、树脂和碳纤维的热膨胀系数差异以及模具和制件相互作用引起的残余应力导致制件产生变形，其中最后一个因素尤其值得引起重视。然而，现阶段国内外针对在整个固化过程中模具与制件界面作用的研究较少。有报导使用光纤法检测应力，且具体是在热压固化复合材料制备过程中将光纤埋至复合材料制件与模具界面处。如专利申请201611117838.4中提供一种航天器复合材料结构时效过程内应力监测方法，而专利CN201611146925.2申请提供一种纤维复合材料热模压固化变形光纤监测装置及方法。但光纤法很难在线检监测到应力数据。另外，也有使用应变片监测应力数据的报导，应变片是由敏感栅等构成用于测量应变的元件。电阻应变片的工作原理是基于应变效应制作的，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。如专利申请CN201610128916.4提供了一种监测复合材料在固化过程中，其与模具相互作用力的方法。该发明中，在复合材料接触的模具表面分布设置多道沟槽，应变传感器埋入沟槽中，传感器测量区域两端与模具固定。将传感器测得的应变信号换算为复合材料与模具之间的应力值，实现固化过程复合材料与模具之间相互作用力的监测。该发明实现了固化过程中复合材料与模具之间的相互作用力的有效监测，为复合材料固化变形预测和控制提供技术支持。该方法中的所述应变传感器为光纤光栅传感器、金属应变片或其它类型应变传感器。但该方法至少存在如下不足：

1)该方法中提及需在埋入传感器后对沟槽做密封处理，这样就会改变模具和复合材料的界面接触状态，影响界面应力测量的真实性；

2)模具上开沟槽处的应力状态可能与其它地方并不相同，因此该方法可能会影响界面应力测试的真实性；

3)对于某些材质的模具开槽难度较大，操作难度大，例如模具为树脂基复合材料材质，在按照该方法加工细小沟槽时难以去除槽内纤维，这会进一步影响影响界面应力测试的真实性；

4)该方法中若用光纤作为传感器，在将光纤引出沟槽时发生弯折，会对测量造成巨大影响。

因此，上述方法存在测量所得的数据能否真实反映模具和复合材料制件间界面应力的问题，同时该方法操作性较差。因而本领域仍然需要开发一种新的热压固化树脂基复合材料制备过程中复合材料制件与模具界面应力监测系统和方法，以准确研究该界面应力进而防止复合材料制件在脱模后严重变形。

实用新型内容

因此，本实用新型首先提供一种热压固化复合材料制件与模具界面应力监测系统，所述系统包括复合材料支撑板、设置在支撑板上待进行热压固化处理的复合材料制件、设置在复合材料制件上方的数据采集薄片以及固定设置在数据采集薄片上表面的应变片，所述数据采集薄片的厚度为0.4mm以下，所述数据采集薄片的周边尺寸大小与所述复合材料制件的周边尺寸大小相同或二者周边尺寸差别均不超过±0.5mm。

在一种具体的实施方式中，所述数据采集薄片的材质为与平常热压固化树脂基复合材料的成型模具的材质一致，且所述数据采集薄片的材质为铝、钢或固化后的树脂基复合材料中的一种。

在树脂基复合材料热压固化的成型过程中，其所使用的模具相对该数据采集薄片来说其厚度是很厚的。

在一种具体的实施方式中，所述复合材料支撑板的材质与所述复合材料制件固化后的材质相同，且支撑板光滑，其粗糙度Ra≤1.6μm，且支撑板表面涂覆有脱模剂或脱模布。如此设置，以保证支撑板和所固化的制件有相同或相似的热膨胀系数。所述支撑板是本实用新型系统中的必要部件，该支撑板的作用是在该系统中保持制件固化过程中不发生弯曲。而在使用厚的成型模具真空热压生产复合材料制件时，并不需要使用该支撑板，因为在生产过程中，待成型的制件的尺寸小于用于支承制件的模具尺寸，模具尺寸大于制件尺寸的余量部分即可起到本实用新型中支撑板11的作用。

在一种具体的实施方式中，所述系统中包含在线测量应变的应变采集装置，所述应变采集装置包括所述应变片以及依次连接的应变片导线、动态应变采集仪、连接线和应变采集显示器。本实用新型中，包括应变片、应变片导线、动态应变采集仪、连接线和应变采集显示器的所述应变采集装置全部可以通过商购获取。所述动态应变采集仪例如为DS-NET动态数据采集仪。

在一种具体的实施方式中，所述系统中还包括热压罐，所述复合材料支撑板、复合材料制件、数据采集薄片以及所述应变片均设置在所述热压罐中。

在一种具体的实施方式中，所述系统中还包括设置在热压罐内的热电偶，所述热电偶设置在数据采集薄片上方且靠近或紧贴所述应变片的位置。

在一种具体的实施方式中，所述应变片采用耐高温胶粘贴固定在数据采集薄片上。

本实用新型中，所述应变片采用耐高温胶粘贴在数据采集薄片10上，所述耐高温胶可以通过商购获取，其需要耐受热压罐中热压固化复合材料的温度。应变片是由高分子材料制得，因而不能焊接在数据采集薄片上，除粘贴固定外，还可以采用其它形式将二者固定，例如锁扣式，但更优选使用胶粘方式。

在一种具体的实施方式中，所述数据采集薄片的周边尺寸大小与所述复合材料制件的周边尺寸大小差别不超过±0.2mm。

在一种具体的实施方式中，所述数据采集薄片10的厚度为0.3mm以下。

在一种具体的实施方式中，设置在支撑板上待进行热压固化处理的所述复合材料制件的厚度为0.5mm以上，优选所述制件的厚度为0.7～2mm。

本实用新型还相应提供一种热压固化复合材料制件与模具界面应力监测方法，所述监测方法包括使用一种界面应力监测系统进行监测，所述系统包括复合材料支撑板、设置在支撑板上待进行热压固化处理的复合材料制件、设置在复合材料制件上方的数据采集薄片以及固定设置在数据采集薄片上表面的应变片，所述数据采集薄片的厚度为0.4mm以下，所述数据采集薄片的周边尺寸大小与所述复合材料制件的周边尺寸大小相同或二者周边尺寸差别均不超过±0.5mm；在使用所述系统检测到应变数据后，将该应变数据与数据采集薄片所用材料的弹性模量数据相乘即得到所述复合材料制件与模具的界面应力。

本实用新型中，所述热压固化复合材料为树脂基复合材料，具体例如为树脂和碳纤维复合材料，或树脂与玻璃纤维复合材料等。所述模具例如为铝模具、钢模具或固化成型后的树脂基复合材料模具。本实用新型中，所述应变片通过购买获取，本实用新型实施例中使用的应变片为耐180℃的中温应变片。本实用新型中，应变片导线也是配套购买的，它同样可以耐受180℃及以上的温度。

如果在正常热压固化制备树脂基复合材料的过程中将应变片夹设在位于上方的制件和位于下方的模具(模具厚度一般为8～20mm)之间，因制件固化过程中需要经过粘流态、凝胶态和玻璃态等状态，这时应变片在这个复杂的物理和化学变化过程中将检测不到数据。因此，本领域的技术人员一般很难使用应变片检测热压固化制备树脂基复合材料的过程中模具和界面间的应力。而本实用新型中，使用厚度很小的数据采集薄片10间接地测量制件和模具之间相互作用的应变。

基于力平衡与等效原则构建了复材制件－模具界面应力测试系统，获得了固化过程复材制件与模具相互作用界面应变变化规律。该方法基于以下两个假设条件：1)假设铝片(数据采集薄片)在整个固化过程中不出现弯曲。2)铝片的厚度方向上不存在应力梯度。事实上，在本实用新型的系统中，对于第1)点，因为铝片和制件在高压环境下紧密贴合在复合材料支撑板上，不会出现弯曲现象；因此假设成立。对于第2)点，因为铝片的厚度非常小，在铝片厚度方向不存在应力梯度，即铝片的上下表面受力状态或应力状态一致，因此该假设也成立。

本领域技术人员可知的，为避免复合材料制件在固化成型后弯曲，需要获知固化成型用模具与制件间的界面应力，因应力＝应变×弹性模量，且能测到的只有应变数据，本实用新型中可以使用数据采集薄片(铝片)的弹性模量，它是一个常量，从而可以顺利求得界面应力数据。而若把应变片直接贴到复合材料制件与模具界面去测应变，在这样的常规方法中，则需要测得复合材料制件的弹性模量，因复合材料成分的复杂性和成型过程中状态的复杂性，该弹性模量数据很难通过试验手段测得，因此即使直接将应变片贴到制件与模具的界面测得应变值后，也很难获取到界面应力的数据。

本实用新型至少具有如下有益效果：

1、本实用新型利用刚性连接的应变片和数据采集薄片，以及其它部件巧妙地监测模具与复合材料制件之间的相互作用，将原本难以测量的模具--制件之间的相互作用力变得容易测量。

2、该系统和方法不需要测定复合材料的弹性模量等物性参数，可由模具材料(即数据采集薄片所用材料，例如铝材)的弹性模量等参数计算出界面剪应力，具有可操作性。

3、该系统和方法适用于所有材质的模具(例如铝、钢或已经成型好的复合材料)下对模具--制件相互作用进行监测。

4、本实用新型实现了模具--制件界面作用应变的实时监测，为深入分析大型复合材料构件固化变形提供了理论依据。

附图说明

图1为本实用新型所述系统的俯视角度结构示意图。

图2为本实用新型所述系统部分结构的主视角度结构示意图。

图3为使用本实用新型所述系统测量模具--复合材料制件之间相互作用的应变结果图。

图中，1-热压罐，2-热电偶，3-热压罐预留孔，4-温度采集仪，5-应变采集显示器，6-连接线，7-动态应变采集仪，8-应变片导线，9-应变片，10-数据采集薄片，11-复合材料支撑板，12-复合材料制件。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实用新型提供一种热压固化复合材料制件与模具界面应力监测系统，所述系统包括复合材料支撑板11、设置在支撑板上待进行热压固化处理的复合材料制件12、设置在复合材料制件上方的数据采集薄片10(铝片)以及固定设置在数据采集薄片上表面的应变片9，所述数据采集薄片10的厚度为0.4mm以下，所述数据采集薄片的周边尺寸大小与所述复合材料制件的周边尺寸大小相同或二者周边尺寸差别均不超过±0.5mm。

本实用新型中，制件12设置在数据采集薄片10下方，应变片设置在数据采集薄片10的上方，在数据采集薄片10的上方和下方之间没有应力梯度。热电偶2设置在数据采集薄片10的上方，用于检测应变片9附近的温度。本实用新型中，数据采集薄片10与制件12的大小一致或相近，如果数据采集薄片10明显小于制件，则在制件粘流态时，热压罐中的高压会容易将数据采集薄片10压入制件中。如果数据采集薄片10明显大于制件，则数据采集薄片10在热压罐中的高压条件下会发生弯曲，使得其四周下弯而中间拱起，从而使得检测到的应力数据并不准确。因此，这两种情况都无法准确反应界面的实际应变情况。本实用新型的在线监测系统中，要保证测量过程中制件和数据采集薄片10都不会发生弯曲。所述数据采集薄片10可以是平片或带弧度的弯曲片，事实上热压固化的树脂基复合材料制件产品中大多带有一定的弧度，本实用新型中先做基础研究，先将数据采集薄片10设置为平板，先研究平板的界面应力情况，后续再研究其它复杂构型结构。使用本实用新型所述在线监测系统能保证：1)数据采集薄片10在整个试验制件固化的过程中不弯曲，使得应变片测得的值能一直反映真实值。2)数据采集薄片10的上下应力一致，保证应变片间接测得的模具与制件界面应力数据准确无误。

在具体实施例中，应变片的长度为5mm，宽度为3mm，厚度为0.2～0.3mm，试验制件12和数据采集薄片10均为长200mm，宽50mm，数据采集薄片10厚度为0.25mm，试验制件的厚度为1mm左右。从上述描述可见本实用新型中使用的试验制件的形状和尺寸与平常制备的热压固化复合材料制件产品的形状和尺寸并不相同。

使用本实用新型所述系统考察树脂基复合材料固化成型过程中模具--制件相互作用的应变测量结果如图3所示。

本实用新型中，抽真空是制件固化的必要条件。图3中右侧纵坐标应变值的单位是10^-6，其值为正数表示拉应变，其值为负数表示压应变。图中按应变分为I、II、III、IV和V这五个阶段。

在第I阶段中，未固化玻璃态(即形似橡皮泥状态)制件升温过程中软化，与数据采集薄片10(铝片)贴合紧密，温度升高数据采集薄片10也会膨胀，也会向制件紧密接触，但影响不大。在第I阶段是拉应变，说明数据采集薄片(铝片)的膨胀大于制件的膨胀。

在第II阶段中，制件为粘流态(形似液体状)，数据采集薄片(铝片)对制件的影响较小，应变趋于零。

在第III阶段中，起始阶段应变状态变化大。在第III阶段，复合材料制件由凝胶态向橡胶态转变，数据采集薄片与复合材料制件之间紧密粘结。

在第Ⅳ阶段中，随温度下降，数据采集薄片与复合材料制件之间产生粘着剪切力，应变变化状态最大；

在第Ⅴ阶段中，数据采集薄片与复合材料制件之间滑动，存在定值滑动剪切力，应变基本恒定。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种热压固化复合材料制件与模具界面应力监测系统，其特征在于，所述系统包括复合材料支撑板(11)、设置在支撑板上待进行热压固化处理的复合材料制件(12)、设置在复合材料制件上方的数据采集薄片(10)以及固定设置在数据采集薄片上表面的应变片(9)，所述数据采集薄片(10)的厚度为0.4mm以下，所述数据采集薄片的周边尺寸大小与所述复合材料制件的周边尺寸大小相同或二者周边尺寸差别均不超过±0.5mm。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据采集薄片的材质为与平常热压固化树脂基复合材料的成型模具的材质一致，且所述数据采集薄片的材质为铝、钢或固化后的树脂基复合材料中的一种。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述复合材料支撑板的材质与所述复合材料制件固化后的材质相同，且支撑板光滑，其粗糙度Ra≤1.6μm，且支撑板表面涂覆有脱模剂或脱模布。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统中包含在线测量应变的应变采集装置，所述应变采集装置包括所述应变片(9)以及依次连接的应变片导线(8)、动态应变采集仪(7)、连接线(6)和应变采集显示器(5)。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统中还包括热压罐，所述复合材料支撑板(11)、复合材料制件(12)、数据采集薄片(10)以及所述应变片(9)均设置在所述热压罐中。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统中还包括设置在热压罐内的热电偶(2)，所述热电偶设置在数据采集薄片上方且靠近或紧贴所述应变片的位置。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述应变片采用耐高温胶粘贴固定在数据采集薄片上。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据采集薄片的周边尺寸大小与所述复合材料制件的周边尺寸大小差别不超过±0.2mm。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据采集薄片(10)的厚度为0.3mm以下。

10.根据权利要求1～9中任意一项所述的系统，其特征在于，设置在支撑板上待进行热压固化处理的所述复合材料制件的厚度为0.7～2mm。