一种树脂基复合材料固化度在线自监测方法技术

一种树脂基复合材料固化在线监测方法，属于复合材料固化在线监测技术领域，具体涉及一种复合材料电能损耗加热固化工艺下的固化度监测方法。本发明专利技术针对可精确测量传输至复合材料构件内部电能的固化技术，在线监测输入电功率值及整体构件的平均温度变化量，根据能量守恒定律，实时计算复合材料构件释放的化学能，最终实时获得整体构件发生交联固化反应的程度。所述方法无需嵌入对材料性能产生影响的固化度传感器，复合材料自身既作为加热源又作为传感器，通过输入复合材料构件电功率和其温度变化，即可表征材料的平均固化度，该方法可大幅加强复合材料固化度在线监测的可实施性，显著提高复合材料构件固化质量，实现高效率的自适应调控固化过程。

An on-line self-monitoring method for curing degree of resin matrix composites

The invention relates to an on-line monitoring method for curing of resin matrix composites, belonging to the technical field of on-line monitoring for curing of composites, in particular to a curing degree monitoring method under the heating curing process of electric energy loss of composites. The invention aims at the curing technology that can accurately measure the electric energy transmitted to the inner part of the composite component, monitors the input electric power value and the average temperature change of the whole component on-line, calculates the chemical energy released by the composite component in real time according to the law of energy conservation, and finally obtains the degree of the cross-linking curing reaction of the whole component in real time. The method does not need to be embedded in the curing degree sensor which has an effect on material properties. Composite material itself acts as both a heating source and a sensor. The average curing degree of materials can be characterized by inputting the electric power and temperature changes of composite components. This method can greatly enhance the practicability of on-line monitoring of curing degree of composite materials and significantly improve the curing quality of composite components. The curing process can be adjusted adaptively and efficiently.

【技术实现步骤摘要】
一种树脂基复合材料固化度在线自监测方法
本专利技术涉及一种复合材料固化技术，尤其是一种复合材料电能损耗加热固化工艺下的固化度监测方法，具体地说是一种树脂基复合材料固化在线自监测方法。
技术介绍
树脂基复合材料具有质量轻、比强度高、比刚度高等优势，已成为航空航天制造领域内的关键材料，随着减重飞行器的减重要求进一步发展，复合材料的制造成型质量的要求越来越高。复合材料的制造过程分为铺放，固化和加工三大步骤，其中固化过程是耗时最长，能耗最高，对最终零件性能影响最大的关键步骤。固化过程中，复合材料被置于高温高压的体系下，树脂发生化学交联反应，化学能在新键形成的过程中转变为大量热量向周围环境中耗散。固化度(α)是反映碳纤维树脂基复合材料固化程度的重要指标，所述固化度可以表示化学反应的程度，也可以反应已释放出的反应热占总反应放热的比值，它是固化反应动力学的最直观表现，也是判断固化是否完成的直接准则。目前，复合材料在出厂的时候就已按照完全固化的实验条件，考虑了较长的冗余时间，为用户提供了可以保证复合材料100％固化的工艺指南。按照厂家提供的加热工艺固化复合材料，其加热和保温时间远大于复合材料构件恰好实现100％固化的时间；同时，在某些零件的固化过程中，由于对结构的冲击韧性有一定要求，固化度为90％左右是其最佳的固化状态，因此需要控制加热时间以避免构件的固化度达到100％。由于缺乏测量固化度的监测手段，为了实现上述的缩短固化周期，实现固化度定值控制两种目标，现目前行业均采用大量试错后制定工艺方案，该方法对于航空航天领域内的单件、小批量、高附加值的复合材料构件难以适用，因此对这类先进复合材料构件的固化度进行监测尤为重要。为解决上述问题，现有的复合材料固化度的在线监测方法都是将相应的传感器内埋或外贴于复合材料预浸料的内部或表面，主要有热电偶传感、超声传感、光纤传感、介电传感、时域反射传感、直线电阻传感等。通过对温度、树脂流动前沿的直接或间接测量，从而定性判断复合材料固化的情况，但无法实现实时的定量监测。此外，无论传感器的体积多小，由于监测精度的要求，埋入传感器都会不同程度地降低材料的结构性能。同时，单一分布的传感器也难以实现整个复合材料构件整体固化度的监测，若将传感器制成网络状的形式埋入复合材料内部，将不可避免的对复合材料的性能产生影响，且加大了复合材料的成型复杂度。利用复合材料自身损耗电能以生热固化的新固化方法近年来得到了长足的发展，主要包括微波加热，电磁感应加热，自阻电热固化。这类方法同样存在着复合材料固化度的在线监测需求，由于这类方法的固化环境具有较大的电磁干扰，若在这类方法中利用介电、电阻传感器测量构件的固化度，将会导致传感器无法正常工作，故对于复合材料电能损耗固化方法，更亟需一种可以不影响材料性能，可以准确在线监测复合材料固化度的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对目前树脂基复合材料电损耗加热固化过程中固化度难以准确在线监测的问题，提出一种树脂基复合材料固化度在线自监测方法。针对这类利用电能损耗于材料内并生热固化构件的方法，有一个共同特征在于输入材料内部的电能可以精确测量，而传统热压罐，烘箱，热模压，红外辐照固化技术则难以测量输入到材料内部的能量。本专利技术基于该特征，提出通过在线精确测量传输至复合材料构件内部的电能，监测整体构件的平均温度变化量，根据能量守恒定律，实时计算复合材料构件释放的化学能，最终实时获得整体构件发生交联固化反应的程度。所述方法无需嵌入对材料性能产生影响的固化度传感器，碳纤维复合材料自身既作为加热源又作为传感器，通过输入碳纤维复合材料构件电功率和其温度变化，即可表征材料的平均固化度，该方法可大幅加强碳纤维复合材料固化度在线监测的可实施性，显著提高碳纤维复合材料构件固化质量，实现高效率的自适应调控固化过程。本专利技术技术方案：一种树脂基复合材料固化度在线自监测方法，其特征在于，针对树脂基复合材料电能损耗加热固化，由空气，线缆等传输介质将电能传输至材料内部，电能损耗于复合材料构件内部并产生热量固化复合材料构件，所述复合材料构件自身既是热源又是固化度传感器，在材料及模具外围施加绝热屏障以隔绝热耗散，利用装载于传输路径上的功率传感器精确监测输入材料内部的电功率Pe，利用装载于复合材料和模具表面的温度传感器监测材料及模具的平均温度变化值，根据能量守恒定律，计算复合材料构件因化学交联反应放热功率，计算方法如下式：其中C为纤维复合材料的比热容，m为构件的总质量，rT为温度变化速率，S为固化体系的表面积，Text为固化体系外部环境温度，h为表面对流耗散系数，λ为模具-构件热传导系数，dm为模具厚度，T为材料体系表面的平均温度，Tm为模具下表面温度，A为与复合材料接触面的模具面积，Pe为测量到的材料损耗电功率。由材料单位质量放热量，实时计算材料固化度并绘制出曲线，具体计算方法如下式：其中Hr为单位质量的总化学反应放热。所述的电损耗固化，即外部电能或者电磁能通过空气，波导，传输线缆等介质或路径，传输到材料内部使得电能在材料内部损耗生热，利用所述的热能加热固化复合材料自身，即复合材料构件自身损耗外部输入的电能从而发热并固化复合材料自身，可以是微波固化，也可以是电磁感应固化，也可以是碳纤维复合材料自阻电热固化等固化方法。所述的电功率根据不同的电损耗加热特性采用相应的功率测量方法，对于微波加热可利用双向定向耦合器测量微波输出到谐振腔体内的电磁场功率，腔体中仅有复合材料构件吸波，利用所测量到的功率值乘相应的系数，排除腔体壁面损耗等能量损耗，该系数可提前标定，对于感应加热可利用电流计和电压计测量线圈有效输入电流和电压，计算线圈所输出的功率值并乘相应的系数以排除线损，该系数可提前标定，对于碳纤维复合材料自阻电热，可直接利用电流计和电压计测量接入构件电极两端的电流和电压以得到电功率。所述的温度测量使用多路微型温度传感器埋设于材料内部及模具的下表面，测量多点材料及模具的温度并分别取平均值，对于微波加热和感应加热固化，温度传感器可以采用不受电磁场影响的光纤荧光传感器，对于自阻电热固化，可以采用尖端绝缘的热电偶或热敏电阻传感器。所述的绝热屏障由传热系数极低的柔性材料构成，紧密贴合于复合材料构件真空袋体系的表面，模具背面也利用绝缘屏障覆盖，使得复合材料构件自身发出的热量封闭于绝热屏障内，以尽量避免热耗散对监测结果带来的影响，当使用的材料的热传导系数低于0.013W/(m·K)时，整个体系的热耗散可以忽略不计，所述的绝热屏障可以是硅酸铝，气凝胶等隔热材料。所述的计算过程中的其他参数如构件质量，材料单位质量下的放热量，构件表面积，模具表面积、厚度等参数均在固化前通过测量获取，材料比热容，绝热屏障对流换热系数，模具的热传导系数均由采用厂家提供的数据，或采用提前标定的方法获取。本专利技术的优异效果是：本专利技术用于复合材料电损耗加热固化过程中固化度在线自监测的明显优点在于：(1)无需将任何传感器嵌入复合材料中，保证了材料的整体性和力学性能，不会对材料造成任何损伤；(2)避免了介电、电阻等电信号传感器在高功率电磁场环境中无法工作的问题；(3)精确测量输入材料内部的电能，实时获取材料的平均固化度，测量成本低，精度高，可靠性好；(4)为复合材料固化工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种树脂基复合材料固化度在线自监测方法,其特征在于外部输入电能损耗于复合材料构件内部产生热量固化复合材料构件，所述复合材料构件自身既是热源又是固化度传感器，无需引入任何固化度传感器，在材料及模具外围施加绝热屏障，利用电功率测量仪精确监测输入材料内部的电功率，利用温度测量仪监测材料及模具的平均温度变化值，按照能量守恒定律计算复合材料构件因化学交联反应产生的热量，根据构件的质量和材料单位质量放热量，计算材料平均固化度。

【技术特征摘要】
1.一种树脂基复合材料固化度在线自监测方法,其特征在于外部输入电能损耗于复合材料构件内部产生热量固化复合材料构件，所述复合材料构件自身既是热源又是固化度传感器，无需引入任何固化度传感器，在材料及模具外围施加绝热屏障，利用电功率测量仪精确监测输入材料内部的电功率，利用温度测量仪监测材料及模具的平均温度变化值，按照能量守恒定律计算复合材料构件因化学交联反应产生的热量，根据构件的质量和材料单位质量放热量，计算材料平均固化度。2.根据权利要求1所述的方法，其特征是它包括以下步骤：步骤1：布置模具温度传感器：在模具下表面点阵式贴合热电偶温度传感器，从而获得实时的模具温度信息；步骤2：铺放材料：在模具上表面铺放脱模布或喷涂脱模剂，然后将温度传感器安装在待测材料上下表面，从而获得待测材料的实时温度信息；步骤3：布置绝热屏障：在材料及模具外围施加绝热屏障；步骤4：布置功率测量传感器：将电流传感器和电压传感器接入构件电极两端，提前标定电极的功率损耗系数；步骤5：固化并实时监测数据：按照相应的固化工艺对材料进行电能损耗加热；将测得的电功率乘以相应的损耗系数，以排除能量损耗，从而实时得到输入材料内部的电功率Pe；将测得的材料和模具表面的温度实时计算材料体系及模具表面的平均温度T、Tm，实时计算材料的平均温度变化速率rT；实时计算材料固化度并绘制出曲线，其计算式如下：其中C为纤维复合材料的比热容，m为构件的总质量，S为固化体系的表面积，Text为固化体系外部环境温度，h为...

【专利技术属性】
技术研发人员：李迎光，刘舒霆，沈艳，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32