TWI697660B - 非接觸式纖維滲透率量測系統及其方法 - Google Patents

Abstract

一種非接觸式纖維滲透率量測系統，包含模具裝置、流體供應裝置、電容偵測裝置與滲透率轉換裝置。模具裝置包含上板、下板與流體輸入口。下板平行設置於上板之下方並形成容置空間。容置空間用以設置待測纖維織物，且待測纖維織物與上板及下板絕緣。流體輸入口穿設於上板。流體供應裝置與模具裝置連接，用以提供流體經由流體輸入口注入容置空間。電容偵測裝置與上板之外表面及下板之外表面電性連接，用以偵測容置空間之電容值。滲透率轉換裝置與電容偵測裝置電性連接，並且接收電容值，且用以將電容值轉換為滲透率。

Description

非接觸式纖維滲透率量測系統及其方法

本揭示內容是關於一種纖維滲透率量測系統及其方法，特別是一種非接觸式纖維滲透率量測系統及其方法。

近年來，隨著高性能複合材料行業的蓬勃發展，纖維織物增強樹脂基之複合材料已廣泛使用在軍事用途、交通工具、電子用品、建材等領域。纖維織物增強樹脂基之複合材料中，樹脂轉注成型(Resin Transfer Molding,RTM)因具成本低與製品綜合性能優異之特性，故受到廣泛的研究與應用。而於RTM之製程中，纖維預織物的滲透率與孔隙率的比值為影響流動的關鍵因素。

針對量測滲透率的方法，已發展出許多種量測系統，且基於達西定律建立樹脂流動程序控制方程式。現行技術採取高速攝影機記錄流體流動的波前，但在纖維預織物置於一個非透明的模具或者流體顏色與纖維預織物相仿時，便難以辨別樹脂流動的波前。另外，在接觸式的量測系統中，若使用如碳纖維具有導電性質的纖維作為材料時，因 電容條與電極相互導通而無法產生電容，故造成應用上的限制。

本發明目的在於提供一種非接觸式纖維滲透率量測系統及其方法，利用非接觸式的系統及方法配置可降低電容測量系統的損毀與污染，且增加應用廣度。

依據本發明一實施方式提供一種非接觸式纖維滲透率量測系統，包含一模具裝置、一流體供應裝置、一電容偵測裝置與一滲透率轉換裝置。模具裝置包含一上板、一下板與一流體輸入口。下板平行設置於上板之下方並形成一容置空間，其中容置空間用以設置一待測纖維織物，且待測纖維織物與上板及下板絕緣。流體輸入口穿設於上板。流體供應裝置與模具裝置連接，用以提供一流體經由流體輸入口注入容置空間。電容偵測裝置與上板之外表面及下板之外表面電性連接，用以偵測容置空間之一電容值。滲透率轉換裝置與電容偵測裝置電性連接，並接收電容值，且用以將電容值轉換為一滲透率。

依據前段所述實施方式的非接觸式纖維滲透率量測系統，其中上板與下板中至少一者可為金屬材質，且為金屬材質之至少一者包含一絕緣層，為金屬材質之至少一者透過絕緣層與待測纖維織物絕緣。

依據前段所述實施方式的非接觸式纖維滲透率量測系統，其中絕緣層可為一絕緣片，設置於為金屬材質之至少一者朝向容置空間之一側。

依據前段所述實施方式的非接觸式纖維滲透率量測系統，其中絕緣片可為塑膠材質。

依據前段所述實施方式的非接觸式纖維滲透率量測系統，其中絕緣層可為一絕緣膜層，形成於為金屬材質之至少一者朝向容置空間之一側。

依據前段所述實施方式的非接觸式纖維滲透率量測系統，其中絕緣膜層可為塑膠材質。

依據前段所述實施方式的非接觸式纖維滲透率量測系統，其中上板以及下板中至少一者可為絕緣材質，且為絕緣材質之至少一者可更包含一導電片，導電片與電容偵測裝置電性連接。

依據前段所述實施方式的非接觸式纖維滲透率量測系統，其中導電片可為一銅片。

依據前段所述實施方式的非接觸式纖維滲透率量測系統，其中待測纖維織物可為碳纖維或玻璃纖維。

依據前段所述實施方式的非接觸式纖維滲透率量測系統，其中流體可為樹脂。

依據前段所述實施方式的非接觸式纖維滲透率量測系統，其中滲透率轉換裝置可包含一分析軟體，分析軟體可用以轉換電容質為滲透率。

依據前段所述實施方式的非接觸式纖維滲透率量測系統，其中流體輸入口與容置空間之一端連接，可用以使流體由容置空間之一端朝另一端注入容置空間。

依據本發明一實施方式提供一種非接觸式纖維滲透率量測方法，包含一準備步驟、一灌注步驟與一滲透率轉換步驟。準備步驟係將一待測纖維織物設置於一容置空間，其中容置空間形成於一上板與一下板之間，且待測纖維織物分別與上板及下板絕緣。灌注步驟係將一流體注入於容置空間，並透過一電容偵測裝置偵測一電容值，其中電容偵測裝置與上板之外表面及下板之外表面電性連接。滲透率轉換步驟係透過一滲透率轉換裝置將灌注步驟得到之電容值轉換為一滲透率。

100‧‧‧非接觸式纖維滲透率量測系統

110‧‧‧模具裝置

111‧‧‧上板

112‧‧‧下板

113‧‧‧流體輸入口

114‧‧‧容置空間

120‧‧‧流體供應裝置

130‧‧‧電容偵測裝置

140‧‧‧滲透率轉換裝置

150‧‧‧待測纖維織物

151‧‧‧已灌注區域

152‧‧‧未灌注區域

160‧‧‧導電片

170‧‧‧絕緣層

200‧‧‧非接觸式纖維滲透率量測方法

D‧‧‧上板厚度

d‧‧‧容置空間厚度

a‧‧‧導電片寬度

X‧‧‧流體波前長度

L‧‧‧容置空間長度

S1‧‧‧準備步驟

S2‧‧‧灌注步驟

S3‧‧‧滲透率轉換步驟

第1圖繪示依照本揭示內容一實施方式之非接觸式纖維滲透率量測系統的配置示意圖；第2圖繪示依照第1圖實施方式之流體灌注於容置空間的俯視示意圖；第3圖繪示依照第1圖實施方式非接觸式纖維滲透率量測系統所得之電容值對時間平方根的量測結果圖；第4圖繪示依照本揭示內容另一實施方式之非接觸式纖維滲透率量測系統的配置示意圖；以及第5圖繪示依照本揭示內容一實施方式之非接觸式纖維 滲透率量測方法的流程示意圖。

以下將參照圖式說明本發明之複數個實施例。為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施例中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之；並且重複之元件將可能使用相同的編號表示之。

請參照第1圖，第1圖繪示本揭示內容一實施方式之非接觸式纖維滲透率量測系統100的配置示意圖。由第1圖可知，非接觸式纖維滲透率量測系統100包含一模具裝置110、一流體供應裝置120、一電容偵測裝置130與一滲透率轉換裝置140。模具裝置110包含一上板111、一下板112與一流體輸入口113。下板112平行設置於上板111的下方且形成一容置空間114，其中容置空間114用以設置一待測纖維織物150，且待測纖維織物150與上板111及下板112絕緣。上板111具有一上板厚度D，且容置空間114具有一容置空間厚度d。流體輸入口113穿設於上板111。待測纖維織物150可為任何已知其孔隙率與介電常數的纖維，如碳纖維或玻璃纖維。流體供應裝置120與模具裝置110連接，用以提供一流體經由流體輸入口113注入容置空間114。進一步來說，流體可為任何已知其黏度的流體，如樹脂。電容偵 測裝置130與上板111之外表面及下板112之外表面電性連接，用以偵測容置空間114之一電容值，其中電容偵測裝置130可包含一量測軟體，如LabVIEW軟體。滲透率轉換裝置140與電容偵測裝置130電性連接，並接收電容值，且可用以將電容值轉換為一滲透率，其中滲透率轉換裝置140可包含一分析軟體，如MATLAB，分析軟體可用以轉換電容值為滲透率。藉此，非接觸式纖維滲透率量測系統100因待測纖維織物150與模具裝置110絕緣，故不必顧慮待測纖維織物150導電與否。並且，因非接觸式的特點，故可避免量測過程中流體對於電容偵測裝置130的破壞，進而可應用於高壓流體灌注的量測，且可用以量測流體灌注於具有導電性質的纖維。藉此，增加整體應用的廣泛度。

進一步來說，上板111與下板112中至少一者可為金屬材質或絕緣材質。為金屬材質之所述至少一者包含一絕緣層170，且為金屬材質之所述至少一者透過絕緣層170與待測纖維織物150絕緣，其中絕緣層170可為一絕緣片，設置於為金屬材質之至少一者朝向容置空間114之一側；或者絕緣層170可為一絕緣膜層，形成於為金屬材質之至少一者朝向容置空間114之一側。為絕緣材質之所述至少一者更包含一導電片160，導電片160與電容偵測裝置130電性連接。具體來說，第1圖實施方式的上板111為絕緣材質，如壓克力材質，而下板112為金屬材質。因待測纖維織物150需與上板111及下板112絕緣，故下板112更包含絕緣層170，而為金屬材質之下板112透過絕緣層170與待測纖維 織物150絕緣，於第1圖實施方式之絕緣層170為絕緣片，絕緣片的材質可為塑膠材質。因上板111與下板112需與電容偵測裝置130電性連接，故上板111更包含一導電片160，導電片160可為一銅片，但不以此為限。故上板111藉由導電片160與電容偵測裝置130電性連接。進一步來說，在第1圖實施方式中之上板111為透明壓克力材質，故在灌注過程中可直接目視灌注狀況，後續的實施方式會針對灌注情況時的俯視觀察進行說明。

第1圖實施例中，流體輸入口113與容置空間114之一端連接，用以使流體由容置空間114之一端朝另一端注入容置空間114。配合參照第2圖，其繪示依照第1圖實施方式之流體灌注於容置空間114的俯視示意圖。中間的區域為貼附於上板111上側之導電片160，而導電片160上下側因上板111為透明壓克力材質，故俯視時可見流體灌注於容置空間114的情況。容置空間114在經由流體灌注之後，如第2圖實施方式的左側斜線處所示為待測纖維織物150與流體混合後的一已灌注區域151，而右側則是待測纖維織物150尚未與流體混合的一未灌注區域152。導電片160具有一導電片寬度a，待測纖維織物150具有一容置空間長度L，且已灌注區域151具有一流體波前長度X。導電片寬度a與容置空間長度L視實際設置情況設定。藉此，透過電容偵測裝置130接收之電容值，再藉由滲透率轉換裝置140轉換電容值為滲透率。

請同時參照第1圖與第2圖，下述將針對滲透率轉換的原理進行說明。首先將滲流速度與達西速度關係式以質量守恆的原理進行推導。因待測纖維織物150為孔隙材料，故達西速度與實際流動速度會有所差異，故必須將孔隙率的因素列為考慮，依據下式(1)可知，滲流速度與待測纖維織物150的纖維孔隙率呈反比：

其中u_f為滲流速度，u為達西速度，

為待測纖維織物150的纖維孔隙率。藉此，將滲流速度帶入達西定律中，並假設為擬穩定狀態(Pseudo-steady state)，進行推導後得到下式(2)：

其中X為流體波前長度，K為待測纖維織物150的纖維滲透率，t為流體的流動時間，P₀為流體的灌注壓力，μ為流體的黏度。

詳細來說，因第1圖實施方式中的上板111為絕緣材質，故須將上板111電容值列為考慮，但下板112因為金屬材質，中間的絕緣層170的電容值可忽略不記，故將電容值分為上板111區域與待測纖維織物150區域，其中上板111區域與待測纖維織物150區域的電容連接關係為串聯，得到下式(3)：

其中C_t為整體的電容值，C_a為上板111區域的電容值，C_f則為待測纖維織物150區域的電容值。首先，利用定義表示上板111區域的電容值，如下式(4)所示：

其中ε_a為上板111區域的介電常數，A為上板111區域的面積，D為上板111區域的寬度。接著定義待測纖維織物150的電容值。如第2圖所示，待測纖維織物150又可分為已灌注區域151與未灌注區域152，而這兩個區域的電容連接關係為並聯，故電容值為相加關係，得到下式(5)：C _f =C ₁+C ₂ (5)，其中C₁為已灌注區域151的電容值，而C₂為未灌注區域152的電容值。接著利用Lichtenecker所提出的混合介電常數關係式，整理後如下式(6)，並且由式(6)定義式(7)與式(8)：

V_f+V_r=1 (7)，ε _a=1 (8)，其中，V為體積百分率，f1代表已灌注區域151的部份，f2代表未灌注區域152的部份，V_f1為已灌注區域151的體積百分率，V_f2為未灌注區域152的體積百分率，V_f為待測纖維織物150區域的體積百分率，V_r為流體區域的體積百分率，其中已灌注區域151的體積百分率與未灌注區域152的體積百分率相加為1，且定義上板111區域的介電常數為1。藉此，可將待測纖維織物150區域的電容值整理為式(9)：

其中，a為導電片寬度，ε_r代表流體區域的介電常數，L為容置空間長度，f代表待測纖維織物150的部份，d為容置空間厚度。進一步來說，可以將式(3)以式(4)和式(9)帶入，整理為式(10)如下：

接著再將式(10)中的流體波前長度X以式(2)帶入，整理後的式(11)如下：

接著再將常數簡化，形成一移階函數，如式(12)：

其中b₁、b₂與b₃分別以式(13)、式(14)以及式(15)定義：

總結來說，主要原理為透過移階函數合併達西定律獲得整體的電容值與時間的關係式，並且可藉由實驗數據帶入MATLAB進行非線性回歸推得b1、b2與b3三個參數，其中透過b1即可推導出滲透率。此部分可藉由滲透率轉換裝置140進行轉換。

請參照第3圖，第3圖繪示依照第1圖實施方式非接觸式纖維滲透率量測系統100所得之電容值對時間平方根的量測結果圖，且為藉由MATLAB所分析得出的結果圖。藉由第1圖至第2圖實施方式與上述推導出之移階函數，實際應用後可得出第3圖之電容值對時間平方根的結果圖，經回歸後可得到一決定係數R-squared值，R-squared值為0.935，R-squared值接近1的結果顯示線性回歸的效果佳。藉此，可達到預估樹脂轉注成型製程所需參數的功效。值得一提的是，本揭示內容可利用碳纖維等具有導電性質的纖維作為待測纖維織物150的材料，克服了先前技術中應用的限制。

請參照第4圖，第4圖繪示依照本揭示內容另一實施方式之非接觸式纖維滲透率量測系統100的配置示意圖。非接觸式纖維滲透率量測系統100包含一模具裝置110、一流體供應裝置120、一電容偵測裝置130與一滲透率轉換裝置140。模具裝置110包含一上板111、一下板112與一流體輸入口113。下板112平行設置於上板111的下方且形成一容置空間114，其中容置空間114用以設置一待測纖維織物150，且待測纖維織物150與上板111及下板112絕緣。上板111具有一上板厚度D，而容置空間114具有一容置空間厚度d。流體輸入口113穿設於上板111。流體供應裝置120與模具裝置110連接，用以提供一流體經由流體輸入口113注入容置空間114。電容偵測裝置130與上板111之外表面及下板112之外表面電性連接，用以偵測容置空間114 之一電容值。第4圖實施方式與第1圖實施方式相同處，將不另贅述。

進一步來說，第4圖實施方式的上板111與下板112皆為金屬材質。為金屬材質的上板111與下板112朝向容置空間114之一側各包含一絕緣層170，以達到絕緣的效果，其中在第4圖實施方式中絕緣層170為一絕緣膜層。再者，因上板111與下板112皆為金屬材質，故不需要另外包含導電片160即可達到上板111跟下板112與電容偵測裝置130電性連接之作用。第4圖實施方式因上板111非為透明材質，故無法如第1圖實施方式之上板111可直接目視量測狀態，但可藉由電容偵測裝置130的量測狀況，可得到電容值並藉由滲透率轉換裝置140轉換成滲透率。藉此，上板111與下板112之材質因無材質上的限制，故應用上相較於傳統的接觸式量測系統更為廣泛。

請參照第5圖，第5圖繪示依照本揭示內容一實施方式之非接觸式纖維滲透率量測方法200的流程示意圖。非接觸式纖維滲透率量測方法200可透過第1圖實施方式之非接觸式纖維滲透率量測系統100，但不以此為限。非接觸式纖維滲透率量測方法200包含一準備步驟S1、一灌注步驟S2與一滲透率轉換步驟S3。準備步驟S1係將一待測纖維織物150設置於一容置空間114中，其中容置空間114形成於一上板111與一下板112之間，且待測纖維織物150分別與上板111及下板112絕緣。灌注步驟S2係將一流體注入於容置空間114，並透過一電容偵測裝置130偵測一電容 值，其中電容偵測裝置130與上板111之外表面及下板112之外表面電性連接。滲透率轉換步驟S3係透過一滲透率轉換裝置140將灌注步驟S2得到之電容值轉換為一滲透率。

進一步來說，準備步驟S1係將待測纖維織物150裁剪成與導電片160相同長度，故待測纖維織物150之長度等同於容置空間長度L，並將完成裁剪的待測纖維織物150置入容置空間114中。灌注步驟S2係將已知其黏度的流體注入於容置空間114，並透過電容偵測裝置130之一量測軟體，量測軟體用以偵測電容值與一流動時間。量測軟體如LabVIEW，可記錄每秒所讀取的電容值。滲透率轉換步驟S3係將電容偵測裝置130偵測到的電容值帶入滲透率轉換裝置140之一分析軟體進行計算及非線性分析，在取得滲透率後，可由分析結果得到偵測之模型，藉此可推測流體灌注的情況。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範所界定者為準。

100‧‧‧非接觸式纖維滲透率量測系統

110‧‧‧模具裝置

111‧‧‧上板

112‧‧‧下板

113‧‧‧流體輸入口

114‧‧‧容置空間

120‧‧‧流體供應裝置

130‧‧‧電容偵測裝置

140‧‧‧滲透率轉換裝置

150‧‧‧待測纖維織物

160‧‧‧導電片

170‧‧‧絕緣層

D‧‧‧上板厚度

d‧‧‧容置空間厚度

Claims (13)

1. 一種非接觸式纖維滲透率量測系統，包含：一模具裝置，包含：一上板；一下板，該下板平行設置於該上板之下方並形成一容置空間，其中該容置空間用以設置一待測纖維織物，且該待測纖維織物與該上板及該下板絕緣；以及一流體輸入口，穿設於該上板；一流體供應裝置，與該模具裝置連接，用以提供一流體經由該流體輸入口注入該容置空間；一電容偵測裝置，與該上板之外表面及該下板之外表面電性連接，用以偵測該容置空間之一電容值；以及一滲透率轉換裝置，與該電容偵測裝置電性連接，並接收該電容值，且用以將該電容值轉換為一滲透率；其中，該電容值透過一移階函數轉換為該滲透率，該移階函數為

   

   ，且C為該電容值，t為該流體的一流動時間；其中，該移階函數中的b1為

   

   ，且a為一導電片寬度，ε為一介電常數，f代表該待測纖維織物，V為一體積百分率，r代表該流體，d為一容置空間厚度，K為該待測纖維織物的該 滲透率，P₀為該流體的一灌注壓力，μ為該流體的一黏度，

   

   為該待測纖維織物的一纖維孔隙率；其中，該移階函數中的b2為

   

   ，且L為一容置空間長度；其中，該移階函數中的b3為

   

   ，且ε_a為該上板的該介電常數，D為該上板的寬度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式纖維滲透率量測系統，其中該上板與該下板中至少一者為金屬材質，且為金屬材質之該至少一者包含一絕緣層，為金屬材質之該至少一者透過該絕緣層與該待測纖維織物絕緣。
3. 如申請專利範圍第2項所述之非接觸式纖維滲透率量測系統，其中該絕緣層為一絕緣片，設置於為金屬材質之該至少一者朝向該容置空間之一側。
4. 如申請專利範圍第3項所述之非接觸式纖維滲透率量測系統，其中該絕緣片為塑膠材質。
5. 如申請專利範圍第2項所述之非接觸式纖維滲透率量測系統，其中該絕緣層為一絕緣膜層，形成於為金屬材質之該至少一者朝向該容置空間之一側。
6. 如申請專利範圍第5項所述之非接觸式纖維滲透率量測系統，其中該絕緣膜層為塑膠材質。
7. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式纖維滲透率量測系統，其中該上板以及該下板中至少一者為絕緣材質，且為絕緣材質之該至少一者更包含一導電片，該導電片與該電容偵測裝置電性連接。
8. 如申請專利範圍第7項所述之非接觸式纖維滲透率量測系統，其中該導電片為一銅片。
9. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式纖維滲透率量測系統，其中該待測纖維織物為碳纖維或玻璃纖維。
10. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式纖維滲透率量測系統，其中該流體為樹脂。
11. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式纖維滲透率量測系統，其中該滲透率轉換裝置包含一分析軟體，該分析軟體用以轉換該電容值為該滲透率。
12. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式纖維滲透率量測系統，其中該流體輸入口與該容置空間之一端連接，用以使該流體由該容置空間之該端朝另一端注入該容置空間。
13. 一種非接觸式纖維滲透率量測方法，包含：一準備步驟，係將一待測纖維織物設置於一容置空間中，其中該容置空間形成於一上板與一下板之間，且該待測纖維織物分別與該上板及該下板絕緣；一灌注步驟，係將一流體注入於該容置空間，並透過一電容偵測裝置偵測一電容值，其中該電容偵測裝置與該上板之外表面及該下板之外表面電性連接；以及一滲透率轉換步驟，係透過一滲透率轉換裝置將該灌注步驟得到之該電容值轉換為一滲透率；其中，該電容值透過一移階函數轉換為該滲透率，該移階函數為

    

    ，且C為該電容值，t為該流體的一流動時間； 其中，該移階函數中的b1為

    

    ，且a為一導電片寬度，ε為一介電常數，f代表該待測纖維織物，V為一體積百分率，r代表該流體，d為一容置空間厚度，K為該待測纖維織物的該滲透率，P₀為該流體的一灌注壓力，μ為該流體的一黏度，

    

    為該待測纖維織物的一纖維孔隙率；其中，該移階函數中的b2為

    

    ，且L為一容置空間長度；其中，該移階函數中的b3為

    

    ，且ε_a為該上板的該介電常數，D為該上板的寬度。

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