在制造纖維復(fù)合材料部件的樹脂注塑操作期間檢測氣泡存在的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種在制造纖維復(fù)合材料部件的樹脂注塑操作期間檢測氣泡的方法，其特征在于，對(duì)由纖維和液態(tài)樹脂形成的媒質(zhì)的至少一部分的電容或電導(dǎo)進(jìn)行測量。
【專利說明】在制造纖維復(fù)合材料部件的樹脂注塑操作期間檢測氣泡存在的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本專利申請涉及一種在制造纖維復(fù)合材料部件的樹脂注塑操作期間檢測氣泡的存在和樹脂流動(dòng)前沿的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]纖維復(fù)合材料部件包括通過熱聚合固化嵌入在樹脂基體間的纖維網(wǎng)(例如，碳或玻璃)。
[0003]所述樹脂可以是，例如，有機(jī)樹脂(例如，稱為有機(jī)基質(zhì)復(fù)合體(OMC)，環(huán)氧樹脂)，地質(zhì)聚合物樹脂，預(yù)陶瓷樹脂。
[0004]由于其優(yōu)異的強(qiáng)度重量比和適中的制造成本，這些部件被用在許多行業(yè)中，尤其是在航空航天工業(yè)中。
[0005]在制造這些纖維復(fù)合材料部件的各種不同方法中，有注塑類型方法或LCM(復(fù)合材料液態(tài)成型)，更具體地說，是RTM(樹脂傳遞成型)類型的方法，其中包括在真空下穿過纖維組織將樹脂注入。
[0006]這些樹脂注入型方法的一個(gè)共同的缺點(diǎn)是出現(xiàn)氣泡，導(dǎo)致毛細(xì)力和粘性力之間的對(duì)抗。
[0007]這些氣泡的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致在最終復(fù)合材料部件中產(chǎn)生真空，這很可能影響到該部件的強(qiáng)度和耐久性。
[0008]到現(xiàn)在為止，僅在生產(chǎn)線的末端通過常規(guī)的非破壞性控制來執(zhí)行這些氣泡的檢測。
[0009]這種事后檢測的缺點(diǎn)是，對(duì)于在生產(chǎn)線上采取強(qiáng)制行動(dòng)來講，它來得太晚:當(dāng)在復(fù)合材料部件中檢測到很嚴(yán)重的氣泡水平時(shí)，唯一的解決辦法是將它丟棄。
[0010]這導(dǎo)致了時(shí)間和材料的損失，這對(duì)所述工藝的整體經(jīng)濟(jì)性是非常有害的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的在于克服這些不利情況。
[0012]本發(fā)明的這一目的是通過一種方法來達(dá)成，所述方法在制造纖維復(fù)合材料部件的樹脂注塑操作過程中，借助于一種設(shè)備檢測氣泡，所述設(shè)備包括:
[0013]-至少一個(gè)模具和一個(gè)反模(counter-mold),
[0014]-至少一對(duì)電極，所述電極分別設(shè)置在所述模具和所述反模中，
[0015]-交流輸入電壓電源，所述電源連接到所述電極中的一個(gè)，
[0016]-RC電路，所述RC電路首先連接到所述電極中的一個(gè)，并且接下來連接到主體，在其端部有交流參考電壓，以及
[0017]-信號(hào)處理裝置，所述信號(hào)處理裝置適于利用所述交流輸入電壓和交流參考電壓的測量值，
[0018]所述方法的特征在于，根據(jù)所述測量值計(jì)算出所述電極之間所包含的氣泡的比率。
[0019]此方法允許通過電氣測量得知在所述復(fù)合材料中的氣泡比率，所述測量可以用非常簡單的方式來進(jìn)行。
[0020]根據(jù)該方法的其它可選功能:
[0021]-所述交流輸入電壓電源使用相對(duì)高的頻率，測量由所述纖維和液態(tài)樹脂形成的區(qū)域中的至少一部分的電容，并且根據(jù)該類型的關(guān)系Φν = f( ε ν，ε r, ε f, ε t, Φf, Ccap)推導(dǎo)出氣泡的比率，其中Φv,εr和Φf分別是真空、所述樹脂、所述纖維和所述復(fù)合材料的介電常數(shù)，并且Φν、Φ^和Of分別是在兩個(gè)電極(1，3)之間的氣泡、樹脂和纖維的比率:該區(qū)域的電容實(shí)際上受到出現(xiàn)氣泡的影響，使得該電容的測量考慮到了為使這些氣泡消失所需要的立刻修正(樹脂注塑壓力，等)；
[0022]-所述電容測量被用于推導(dǎo)出所述氣泡的去極化系數(shù)，并且因而推導(dǎo)出這些氣泡的形狀和大??；
[0023]-所述交流輸入電壓電源使用相對(duì)低的頻率，將所述交流參考電壓與表示在所述電極之間的樹脂流完全沒有氣泡時(shí)的理論電壓值相比較，并且根據(jù)這兩個(gè)值之間的比例系數(shù)推導(dǎo)出氣泡的比率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]通過閱讀下面的說明，并研究附圖，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得清楚，其中:
[0025]-圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的電氣圖，
[0026]-圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的兩個(gè)電極，并顯示了寄生于該測量的邊緣效應(yīng)，
[0027]-圖3示出圖2的兩個(gè)電極，其中為了最大限度地減小邊緣效應(yīng)，增加了兩個(gè)保護(hù)電極，
[0028]-圖4示出了交流參考電壓的模隨時(shí)間的變化，以及與其上執(zhí)行測量的區(qū)域完全沒有氣泡相對(duì)應(yīng)的理論上交流電的最大電壓的模的變化(注意，所測量的電壓是傳感器在電容模式或?qū)щ娔Ｊ较逻M(jìn)行)。
[0029]在所有這些圖中，相同或相似的附圖標(biāo)記指的是相同或相似的元器件或元器件組。

【具體實(shí)施方式】
[0030]現(xiàn)在參照圖1，其中示出了兩個(gè)電極I和3，用于集成到設(shè)備的模具和反模中，所述設(shè)備通過液態(tài)樹脂注塑法(LCM法)制造纖維復(fù)合材料部件。
[0031]其本身公知的是，這樣的方法涉及將纖維織物(例如，在碳或玻璃)置于模具和反模之間，并且在這些織物中注入樹脂(例如，環(huán)氧樹脂、無機(jī)聚合物或預(yù)陶瓷樹脂):該樹脂通過前進(jìn)前沿的移動(dòng)浸潰所述纖維織物。
[0032]當(dāng)該前進(jìn)前沿穿過所有纖維織物時(shí)，溫度會(huì)升高，從而使樹脂在所述纖維的周圍聚合。
[0033]如本說明書的前文所述，所述樹脂穿過所述纖維前進(jìn)經(jīng)常伴隨著氣泡的產(chǎn)生，這會(huì)隨后在最終產(chǎn)品中產(chǎn)生孔隙，這對(duì)于所述部件的機(jī)械強(qiáng)度方面是不能接受的。
[0034]設(shè)置在由液態(tài)樹脂和纖維形成的區(qū)域兩側(cè)的兩個(gè)電極I和3使得能夠在樹脂聚合步驟之前檢測氣泡的存在，根據(jù)以下的說明會(huì)很清楚。
[0035]交流電壓Vin(t)被施加到電極1，在另一個(gè)電極3上測得參考電壓VMf (t)。
[0036]更具體地，電壓Vref⑴被分接出包括電阻Rref和電容C,ef的RC型電路，該電路插入在主體M和電極3之間。
[0037]兩個(gè)電極I和3被分開的距離基本上對(duì)應(yīng)于待制造的部件的厚度。
[0038]如在圖1中可以看出，通過樹脂和纖維形成的區(qū)域本身可以被建模為RC型電路，所述RC型電路具有其自身的電阻Rmp和其自身的電容Cmp。
[0039]根據(jù)本發(fā)明的方法包括測量電容CMP，開始認(rèn)識(shí)到，所述電容Cmp顯示了截留在樹脂中的氣泡的存在、數(shù)量和形狀。
[0040]理論研究顯示:這些氣泡的存在、數(shù)量和形狀，影響了由樹脂和纖維構(gòu)成的區(qū)域的介電常數(shù)，并且因此影響了該區(qū)域的等效電容。
[0041]更具體地，圖1中所示的RC電路的復(fù)阻抗Zref (t)和Zeap (t)被確定如下:
[0042]Zref (t) = I / (I/Rref+1 ω Cref)
[0043]Zcap (t) = I/(1/Rcaps+1 coCcap)
[0044]根據(jù)這些關(guān)系可推導(dǎo)出，當(dāng)ω為“高”時(shí)(即該交流電壓Vin(t)的頻率非常高):
[0045]Ccap = Cref.Vref/(Vin-Vref)傳感器在電容模式上運(yùn)行。
[0046]以這樣一種方式，有關(guān)Vin(t)和VMf(t)的知識(shí)使得可以找出由所述纖維和液態(tài)樹脂形成的區(qū)域的等效電容CMP:因而，由兩個(gè)電極I和3形成的傳感器按照電容模式來工作。
[0047]在實(shí)踐中，鋼模具和傳感器的電子環(huán)境會(huì)產(chǎn)生干擾測量的寄生(parasitic)電容。
[0048]因此，該電容(；ef應(yīng)根據(jù)該類型的法則來修改(modified):
[0049]Cref0llodified) (t) = Cref (t) +Cparasite (t)
[0050]這種可以通過將電容已知的材料填充到電極之間的容積來評(píng)估，從而根據(jù)電極之間的電容的變化提供CparasitJ寄生電容)的演變。
[0051]另一種可能是通過重新設(shè)置電極和參考而在電極的兩側(cè)進(jìn)行同步測量。這兩個(gè)電壓的比值可以實(shí)現(xiàn)消除寄生電容。
[0052]最后一種可能是在同一時(shí)間將保護(hù)電極維持在傳感器所允許的相同電位，因而不僅抑制邊緣效應(yīng)，而且抑制外部干擾。
[0053]反之，低ω值工作時(shí)，根據(jù)前面的關(guān)系推導(dǎo)出:
[0054]Rcap = Rref ((Vin-Vref) /Vref)傳感器在電導(dǎo)性模式上運(yùn)行。
[0055]因此，可以確定由液態(tài)樹脂和纖維形成的區(qū)域的等效電阻Rcap:由電極I和3所形成的傳感器然后在電導(dǎo)模式運(yùn)行(可以在隨后明智地除去參考不再有用的電容)。
[0056]因此，當(dāng)在高頻率工作并分析電壓VMf(t)，可以正好在所述液態(tài)樹脂聚合之前獲得有關(guān)氣泡存在、數(shù)量和形狀的信息。
[0057]根據(jù)該信息的結(jié)果，可以糾正若干工藝參數(shù)，如樹脂注入壓力，以盡量減少在樹脂中的氣泡，并因此避免最后聚合部件具有不可接受的孔隙率。
[0058]更具體地，用于分析所述電壓VMf(t)的所需設(shè)備是信號(hào)處理裝置，其可以包括信號(hào)調(diào)節(jié)器，為采樣-保持電路提供模擬信號(hào)，所述采樣-保持電路又連接到模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
[0059]采樣-保持電路的作用是收集瞬時(shí)值，并在至少一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間期間內(nèi)在模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入端保持所述瞬時(shí)值。
[0060]采樣-保持電路和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以由一個(gè)邏輯電路控制，所述邏輯電路給出了在所選擇時(shí)刻的采樣順序。
[0061]這樣的邏輯功能可以通過簡單的布線邏輯系統(tǒng)或微處理器來執(zhí)行，所述微處理器為編制所需的管理程序提供了可能性。
[0062]模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出可以由計(jì)算機(jī)處理(參見下面關(guān)于氣泡比率的說明)或存儲(chǔ)供以后分析，甚至通過數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器重構(gòu)原模擬形式，并且在所述工藝的控制中使用。
[0063]如圖2，在兩個(gè)電極I和3的外圍，當(dāng)然有邊緣效應(yīng)5，7，這可能破壞測量的可靠性。
[0064]這就是為什么要在兩個(gè)電極I和3的外圍添加保護(hù)電極9，11和13，15，以這樣一種方式，使電極I 和3避免邊緣效應(yīng)，并因此獲得極可靠的電壓測量。
[0065]采用前面所述的測量設(shè)備得到的典型結(jié)果示于圖4中。
[0066]圖4的曲線圖的橫坐標(biāo)表示時(shí)間，而該曲線圖的縱坐標(biāo)表示測得的電壓VMf(t)的值。
[0067]直線F表示朝向兩電極I和3右側(cè)的樹脂前沿通過。
[0068]如該圖所示，因此，該電壓Vref (t)在樹脂前沿F到達(dá)處急劇地升起，然后一旦該前進(jìn)前沿通過，該電壓繼續(xù)不顯著地上升。
[0069]虛線曲線Vmax表示在兩個(gè)電極1，3之間流過的該液態(tài)樹脂中完全沒有氣泡時(shí)Vref的理論值:可以看到，在這個(gè)假設(shè)中，電壓Vref (t)會(huì)在所述樹脂的前進(jìn)前沿通過后不久達(dá)到完全平直段。
[0070]確定樹脂中氣泡的比率的第一種方式是根據(jù)電容模式操作上述設(shè)備，也就是以高頻率的交流電壓vin(t)施加到電極I。
[0071]通過將所述兩個(gè)電極I和3之間的氣泡、樹脂和纖維的比率命名為Φν，Φ,以及 ，滿足關(guān)系 Φν+Φ^Φ? = I。
[0072]通過將真空、樹脂、纖維和復(fù)合材料的介電常數(shù)常量分別命名為εν、er> ^和ε t，得到當(dāng)所述設(shè)備工作在電容模式時(shí)該類型的關(guān)系Φν = f ( ε ν，ε, ε f, ε t，Φ,, Ccap)。
[0073]因而，可以根據(jù)這種類型的關(guān)系推導(dǎo)出氣泡率Φν的值。
[0074]另一種來確定這個(gè)比率的方式是在電阻模式下操作上述測量設(shè)備，即使用相對(duì)低的頻率的交流電壓Vin(t)。
[0075]在這個(gè)特定的操作模式下，其顯示出在Vmax和VMf (t)之間有正比關(guān)系(參見圖4)，這兩個(gè)值之間的比例系數(shù)代表了在兩個(gè)電極I和3之間的區(qū)域的液體的飽和度S。
[0076]其結(jié)果是，在真空比率(氣泡比率)可以表示為(1-S) *100。
[0077]此后，當(dāng)要進(jìn)一步推行尤其與氣泡的形狀相關(guān)的調(diào)查時(shí)，可以適當(dāng)?shù)靥幚泶碓O(shè)置在所述兩個(gè)電極I和3之間的區(qū)域的電容Cmp的信號(hào)。
[0078]事實(shí)上，該信號(hào)包括與該區(qū)域的不同成分(纖維，樹脂，真空)的介電常數(shù)相關(guān)的信息，介電常數(shù)是每個(gè)成分的容積比和它們的形狀(更準(zhǔn)確地說，在所測量的容積內(nèi)的成分之間的接觸表面的布置)的函數(shù)。
[0079]然后，可以根據(jù)這些介電常數(shù)的變化和由樹脂、纖維和氣泡形成的區(qū)域的本構(gòu)方程推導(dǎo)出形狀因子，所述形狀因子代表氣泡的幾何形狀(圓柱形或球形)。
[0080]鑒于前面的描述，可以理解，根據(jù)本發(fā)明的方法和設(shè)備允許，正好在聚合步驟之前，以非常簡單的方式測量若干個(gè)因素，比如位于將穿過纖維織物注入的液態(tài)樹脂內(nèi)的氣泡的存在、比率和形狀。
[0081]可以根據(jù)這些測量推導(dǎo)出校正動(dòng)作，以限制或甚至消除最后得到多孔的復(fù)合材料部件的風(fēng)險(xiǎn)。
[0082]這些測量也允許去檢測樹脂填充結(jié)束，所述樹脂填充結(jié)束出現(xiàn)在所述樹脂中不再有氣泡時(shí)。
[0083]在本說明書的上下文中僅僅示出了一對(duì)電極1，3，但是，當(dāng)然應(yīng)當(dāng)理解，在用于制造復(fù)合材料部件的模具和反模的不同部分中可以布置多對(duì)電極，以檢測在由液態(tài)樹脂和纖維形成的區(qū)域的不同部分的氣泡的存在。
【權(quán)利要求】
1.一種在制造纖維復(fù)合材料部件的樹脂注塑操作期間借助于設(shè)備檢測氣泡的方法，所述設(shè)備包括: -至少一個(gè)模具和一個(gè)反模， -至少一對(duì)電極(1，3)，所述電極(1，3)分別設(shè)置在所述模具和所述反模中， -交流輸入電壓(Vin(t))電源，所述電源連接到所述電極(1，3)中的一個(gè)(1)， -RC電路，所述RC電路首 先連接到所述電極中的一個(gè)(3)，并且接下來連接到主體(M)，在其端部有交流參考電壓(VMf(t))，以及 -信號(hào)處理裝置，所述信號(hào)處理裝置適于利用所述交流輸入電壓和交流參考電壓的測量值， 所述方法的特征在于，根據(jù)所述測量值計(jì)算出所述電極(1，3)之間所包含的氣泡的比率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述交流輸入電壓(Vin(t))電源使用相對(duì)高的頻率，測量由纖維和液態(tài)樹脂形成的區(qū)域的至少一部分的電容(Cmp)，并且根據(jù)該類型的關(guān)系Φν = f(ev，ε r, ε f, ε t, Φr, Ccap)推導(dǎo)出氣泡的比率，其中ε ν、ε 一 ε f和^分別是真空、所述樹脂、所述纖維和所述復(fù)合材料的介電常數(shù)，并且Φν、Φr和Of分別是在兩個(gè)電極(1，3)之間的氣泡、樹脂和纖維的比率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述電容(Ccap)測量被用于推導(dǎo)出所述氣泡的去極化系數(shù)，并且因而推導(dǎo)出這些氣泡的形狀和大小。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述交流輸入電壓(Vin(t))電源使用相對(duì)低的頻率，將所述交流參考電壓(Ut))與電壓值(Vmax)相比較，所述電壓值(Vmax)表示在所述電極(1，3)之間的樹脂流完全沒有氣泡時(shí)的理論值(VMf (t))，并且根據(jù)這兩個(gè)值之間的比例系數(shù)推導(dǎo)出所述氣泡的比率。
【文檔編號(hào)】G01N33/44GK104053988SQ201280057590
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2012年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月23日
【發(fā)明者】弗洛朗·布榮, 喬爾·布耶爾德, 勞倫特·比才, 塞巴斯蒂安·格羅 申請人:埃爾塞樂公司, 國家科學(xué)研究中心