專利名稱：：纖維織物面外滲透率的測試方法及測試模具的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種多孔材料滲透性的測試方法及測試模具，尤其涉及一種纖維織物滲透性的測試方法及測試模具。
背景技術：
：使用液體成型技術制造復合材料構件時，復合材料構件的質量受多種因素的影響，包括纖維增強材料的性質、基體的性質、基體與纖維織物界面的性質、設備的運行情況和工藝條件的制定等。滲透率是纖維增強材料的特性之一，是影響液體成型技術的重要參數之一。纖維滲透率可分為面內滲透率和面外滲透率。面內滲透率是流體通過纖維織物平面時所受阻力的指標。面外滲透率是反映流體通過纖維織物厚度方向(即Z向)時所受阻力情況的參數。纖維織物的面內滲透率和面外滲透率是預測復合材料液體成型工藝的充模過程、進行模具設計和優化工藝的重要參數，最終影響復合材料構件的質量和穩定性。現今絕大多數的液體復合材料成型工藝的充模過程及其優化設計簡化為二維流動，即只使用面內滲透率，然而，對于制造復雜形狀和結構的復合材料而言，特別是大型化、厚截面的復合材料構件(例如大型復合材料風電葉片、船體、機艙罩等等)，只采用面內滲透率則遠遠不能滿足實際需要。隨著纖維增強復合材料應用的不斷擴大，特別是大型化、厚截面構件的廣泛應用和纖維增強材料的多樣化，纖維織物的面外滲透率及其測試技術顯示出其重要性和實際應用價值。目前，國內外關于纖維織物面外滲透率的測試方法尚無標準可參照，即尚未形成統一、可靠和穩定的測試方法。許多學者對此課題進行了研究，例如特維諾(Trevino)等人的研究發現，大多數增強材料的面外滲透率依賴于鋪層的厚度(參見“用替代纖維氈分析樹脂的注入1滲透率和可壓縮性測試方法”，《聚合物基復合材料》(Analysisofresininjectionmoldinginmoldswithreplacedfibermats.1:Permeabilityandcompressibilitymeasurement.Polymercomposites.)，1991，12(1)，20-29)；吳某(Wu)等人則設計有一個直徑18mm的圓形預制件來完成纖維織物的滲透率實驗(參見“面外滲透率的測量及其在復合材料液體模塑成型技術中的應用”，《聚合物基復合材料》(Trans-planefluidpermeabilitymeasurementanditsapplicationinliquidcompositemolding.PolymerComposites)，1994，15(4)，289-298)，該方法設計了一對同心圓筒裝置進行測量，它利用一維流動實驗測量面外滲透率，發現注入壓力影響滲透率的測試結果；安某(Ahn)等人則提出了利用預埋光導纖維監測復合材料液體纖維面外滲透時其液體流動前沿位置的方法(參見“利用植入光導纖維測量纖維預制件的三維滲透率”，《復合材料雜志》(Measurementofthethree-dimensionalpermeabilityoffiberperformsusingembeddedfiberopticsensors.JournalofCompositesMaterials)，1995，29(6)，714-733)，該方法記錄的流動前沿是光導纖維的滲透情況，與實際所測的纖維的滲透率存在差距；沃頓安(Woerdeman)等人則設計了一個數學模型，利用六個一維流動測試法來測試纖維織物的面內和面外滲透率(參見“RTM中測量三維滲透率的方法”，《聚合物基復合材料〉〉(Interpretationof3-DpermeabilitymeasurementsforRTMmolding.PolymerComposites)，1995，16(6)，470-480)，該方法提出了計算四個面內滲透率和兩個面外滲透率的數學模型，但沒有實驗方法，因為文中所涉及到的幾個一維實驗僅在理論上可行，而在實際中難以實現；維真博克(Weitzenbock)等人設計的測試方法中使用了熱敏傳感器來記錄復合材料液體由纖維織物面外滲透時其液體流動前沿位置的方法(參見“三維滲透率的測量，，，《復合材料A》(Measurementofthree-dimensionalpermeability.CompositesPartA)，1998,29A,159-169)，該方法在纖維層之間預埋了熱敏傳感器，從而影響了流動的真實性；奈達諾夫(Nedanov)則提出了同時測試纖維織物面外滲透率和面內滲透率的方法(參見“測量纖維增強材料三維滲透率的方法”，《復合材料雜志》(Amethodtodetermine3Dpermeabilityoffibrousreinforcements.Journalofcompositematerials)，2002，36(2)，241-254)，該實驗是在一定注入流速條件下完成，在面外滲透率測試中，流體通過厚度方向的位置是通過監測流體流入纖維的體積計算而得到的；斯多文(Stoven)等人又提出了一種利用超聲波接收器監測液體在纖維織物厚度方向滲透時其流動前沿位置的變化，利用超聲波在不同介質中的變化接收流體的信息(參見“連續監測樹脂通過纖維/口、·白勺^會！云力”，《S;&#I4A》(Continuousmonitoringofthree-dimensionalresinflowthroughafibreperform.Composite=PartA),2003,34475-480)；出了將纖維織物制成帶狀并纏繞成圓盤，然后恒壓注入流體測試流體面外流動前沿的方法來測試纖維織物的面外滲透率(參見CN1651899A號中國專利文獻)，但該方法帶狀圓盤試樣的制備較為困難，而且上述測試方法多數只適合于薄截面構件纖維織物預成型體面外滲透率的測試，對于厚截面構件纖維織物預成型體面外滲透率的測試尚未有行之有效的方法。為了適應大型化、厚截面復合材料構件制備和設計的需要，發展和建立相應的面外滲透率測試方法和技術具有重要的現實意義。
發明內容本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種簡單、便捷、準確度高、適用性強的纖維織物面外滲透率的測試方法，還提供一種結構簡單、操作方便、成本低的纖維織物面外滲透率的測試模具。為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為一種纖維織物面外滲透率的測試方法，該方法包括以下步驟首先是在一設有微孔的模具面板上將待測纖維織物鋪放成臺階數為η的階梯狀，然后用一柔性真空袋膜包覆所述纖維織物并與模具面板密封形成模腔；利用該柔性真空袋膜外接的抽真空系統對所述模腔進行抽真空處理，測量和記錄各纖維織物臺階面距離模具面板的距離Ln；再利用真空負壓使測試用流體經由模具面板上均勻設置的微孔注入到模腔中，進入模腔后的測試用流體沿厚度方向(也即高度方向)浸漬纖維織物，觀測并記錄下測試用流體流動前沿到達各纖維織物臺階面的時間tn；根據記錄的Ln和tn值作出L2-t或t-L2的線性關系圖，擬合后得到該線性關系圖中的直線斜率k，再根據以下公式測算出待測纖維織物的面外滲透率K<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>上述公式(1)中，η為測試用流體的黏度，ΔP為真空負壓的大小(因為采用真空負壓注射，注射過程中真空負壓保持恒定，因此可認為真空負壓即注射口與流動前沿的壓力差)4為待測纖維織物所組成的纖維預成型體的孔隙率4的計算公式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>上述公式(2)中，Mf為所述纖維織物預成型體的質量；Pf為待測纖維織物所用纖維的密度；w為所述纖維織物預成型體的寬度^phyh3.....hn分別表示第1、2、3.....η層臺階的厚度；li、l2、l3.....In分別表示第1、2、3.....η層臺階的長度。上述技術方案主要是根據達西定律的單向流動定律來求解面外滲透率，所述達西定律的單向流動方程為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>式(3)中，u為測試用流體的表觀流速，η為測試用流體的黏度，P為注射壓力，K為面外滲透率，L為t時刻測試用流體流動前沿位置；將式(3)作簡單變換可得到<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>式(4)中，ΔΡ為真空負壓的大小，識為纖維預成型體的孔隙率，t為注射時間，在恒壓且初始條件為t=0、L=0情況下，對式(4)進行積分可得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>由式(5)可見，確定出L2與t的關系便可測算出待測纖維織物的面外滲透率。上述的纖維織物面外滲透率的測試方法中，所述的待測纖維織物可以是各種形態的纖維織物，將纖維織物鋪放成階梯狀是上述技術方案的一大特點，測試時以階梯鋪層形成的臺階為測試用流體流動前沿的觀察點，便可方便、準確地記錄測試用流體流動前沿達到不同臺階的時間tn，而不同的距離Ln就可當作測試用流體的流動前沿位置，這樣便解決了測試用流體在纖維織物預成型體厚度方向上流動前沿位置信息難以測定的問題。根據流動前沿位置Ln和時間tn的關系，便可對L2-t或t-L2作圖，經線性擬合可算出圖中直線的斜率k。再將上述式(5)作簡單變換后即得到上述的式(1)，最后根據式(1)和確定的斜率k便可計算出待測纖維織物預成型體的面外滲透率K。上述的測試方法中，鋪放成的階梯狀可以為厚度均勻的臺階，也可以為厚度不等的臺階，但優選厚度均勻或相等的臺階(即Ill=h2=h3=...=hn)，這樣更便于簡化操作步驟，方便記錄。作為一個總的技術構思，本發明還提供一種可用于上述測試方法中的纖維織物面外滲透率的測試模具，所述測試模具包括模具面板和測試用流體的儲存箱，所述模具面板固接在儲存箱上方形成一密閉容腔；所述模具面板上均勻布設有微孔，該微孔與儲存箱的密閉容腔相連通；所述儲存箱底部設有與外部注液系統相連通的液流通道。所述模具面板上方包覆有一柔性真空袋膜形成一模腔，所述柔性真空袋膜上開設有一與外部抽真空系統相連通的真空抽氣口。上述的測試模具中，模具面板的上表面是用作鋪放待測纖維織物的工作面，因此模具面板應盡可能光滑平整，同時應具有一定剛度以承受測試過程中的真空壓力；模具面板上均勻分布的微孔使模具面板形成一個過濾網，微孔的孔徑范圍優選為1ΙΟΟμπι，以更好地保證纖維織物與模具面板接觸面上流體的均勻分布，減少實驗誤差。上述的測試模具中，儲存箱的作用是緩沖注入的測試用流體，使測試用流體在儲存箱中緩沖后形成均勻平坦的流動前沿并同步平坦地通過模具面板上的微孔，浸漬待測纖維織物。與現有技術相比，本發明的優點在于首先，本發明的測試方法中采用階梯鋪層法鋪設多層的纖維織物，這有效地解決了纖維織物面外滲透率測試過程中測試用流體流動前沿確定困難的問題，且操作方法簡單便捷；其次，本發明的測試方法和測試模具中采用柔性真空袋膜封裝纖維織物，該柔性真空袋膜在真空負壓下能夠緊密地貼緊纖維織物邊緣，可以有效避免和防止測試過程中流道效應產生的實驗誤差，且注射壓力為真空負壓，測試過程操作簡單，數據穩定；再次，由于真空負壓注射、柔性真空袋膜封裝和階梯鋪層操作簡單，確定流體流動前沿容易，因此本發明的測試方法特別適合于厚截面纖維織物預成型體面外滲透率的測量。此外，本發明的測試模具結構簡單，制作成本低廉，使用方便，可有效應用到本發明的測試方法中。圖1為本發明纖維織物面外滲透率的測試模具的結構示意圖；圖2為本發明的測試方法中參數Ln的含義示意圖；圖3為本發明的測試方法中參數hn的含義示意圖；圖4為本發明的測試方法中參數In和w的含義示意圖；圖5為本發明實施例1中36層的纖維織物預成型體測得的L2_t的線性擬合關系圖；圖6為本發明實施例1中48層的纖維織物預成型體測得的L2_t的線性擬合關系圖；圖7為本發明實施例1中60層的纖維織物預成型體測得的L2_t的線性擬合關系圖；圖8為本發明實施例1中72層的纖維織物預成型體測得的L2_t的線性擬合關系圖；圖9為本發明實施例2中02玻璃布組成的纖維織物預成型體測得的L2_t的線性擬合關系圖；圖10為本發明實施例2中04玻璃布組成的纖維織物預成型體測得的L2_t的線性擬合關系圖；圖11為本發明實施例2中41編織布組成的纖維織物預成型體測得的L2_t的線性擬合關系圖12為本發明實施例2中14編織布組成的纖維織物預成型體測得的L2_t的線性擬合關系圖。圖例說明1、模具面板；11、微孔；2、儲存箱；21、密閉容腔；22、液流通道；3、柔性真空袋膜；31、真空抽氣口；4、模腔；5、閥門；6、纖維織物預成型體。具體實施例方式以下結合附圖，對本發明的具體實施方式進行詳細地說明。實施例1一種如圖1所示的本發明的纖維織物面外滲透率的測試模具，該測試模具包括模具面板1和測試用流體的儲存箱2，模具面板1光滑平整，且能承受一定壓力，儲存箱2為一凹槽形狀，模具面板1近似于一蓋在儲存箱2上的箱蓋，并固接于儲存箱2上方形成一密閉容腔21。模具面板1上方包覆有一柔性真空袋膜3形成一模腔4，柔性真空袋膜3的邊緣與模具面板1形成密封，柔性真空袋膜3上開設有一與外部抽真空系統相連通的真空抽氣口31。模具面板1上均勻布設有多個微孔11(連通模腔4和密閉容腔21的通孔，見圖1)，該微孔11的孔徑為50μm；儲存箱2底部均勻設有三條與外部注液系統相連通的液流通道22，液流通道22通過一外設的閥門5控制測試用流體進出儲存箱2。采用本實施例的測試模具對一種纖維織物的面外滲透率進行測試，具體方法如下首先在模具面板1上將待測纖維織物國產04玻璃纖維編織布(面密度300g/m2)鋪放成階梯狀的纖維織物預成型體6(階梯鋪層數分別取36、48、60、72層四組，每組的臺階數η均取6階)，然后采用柔性真空袋膜3包覆纖維織物預成型體6并與模具面板1密封形成模腔4，柔性真空袋膜3上設置的真空抽氣口31外接有抽真空系統，然后關閉閥門5，利用抽真空系統開始抽真空以壓實纖維織物預成型體6，真空負壓ΔΡ為0.092MPa(整個測試過程中都恒定該負壓)，并檢查測試模具的氣密性；然后測量和記錄壓實后纖維織物預成型體6上各臺階面距離模具面板1的距離Ln(Ln的含義示意見圖2，η=0、1........6)，記錄完成后打開閥門5，利用真空負壓開始注入測試用流體191#UP不飽和聚酯樹脂(溫度為25°C，粘度η為1.52Pa·s)，測試用流體通過儲存箱2上的三個液流通道22進入儲存箱2的密閉容腔21中，經過儲存箱2緩沖后再通過模具面板1上的微孔11沿厚度方向浸漬纖維織物預成型體6，觀測并記錄下測試用流體流動前沿到達不同臺階的時間tn，得到測試用流體流動前沿位置L(即各臺階面距離模具面板1的距離Ln)和時間t的關系數據，作出L2-t的線性關系圖(四種不同層數的纖維織物預成型體的線性關系圖分別如圖5圖8所示)，擬合后得到該線性關系圖中的直線斜率k，根據不同階梯鋪層計算得到的k值、m值如表1所示，再依據<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>計算出本實施例中不同階梯鋪層下纖維預成型體的面外滲φ透率(見表1)。上述公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>中，η為測試用流體的黏度，ΔΡ為真空負壓的大小、φ為待測纖維織物所組成的纖維預成型體的孔隙率φ的計算公式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中，Mf為所述纖維織物預成型體的質量(本實施例中四組纖維織物預成型體(36、48、60和72層)的質量分別為944.8,1260.2、1575.4和1890.3g)；Pf為待測纖維織物所用纖維的密度(本實施例中所用玻璃纖維的密度為2.54g/cm3)；w為所述纖維織物預成型體的寬度(本實例中纖維織物預成型體的寬度w為250mm)；l·^、h2、h3.....hn分別表示第1、2、3.....η層臺階的厚度(其含義示意見圖3)；I1,12、I3.....In分別表示第1、2、3.....η層臺階的長度(其含義示意見圖4)。表1實施例1中不同階梯鋪層數的測試過程參數列表<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>實施例2本實施例采用與實施例1相同的測試模具。本實施例測試的對象分別為72層的02玻璃布、36層的04玻璃布、18層的41玻纖編織布(緯4經1)和18層的14玻纖編織布(緯1經4)，測試中的真空負壓ΔΡ為0.097MPa，本實施例測試方法的操作步驟及其余工藝參數與實施例1相同(四種不同層數的纖維織物預成型體的線性關系圖分別如圖9圖12所示)。本實施例的測試結果如下表2所示表2實施例2中不同階梯鋪層數的測試過程參數列表<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>權利要求一種纖維織物面外滲透率的測試方法，該方法包括以下步驟首先是在一設有微孔的模具面板上將待測纖維織物鋪放成臺階數為n的階梯狀，然后用一柔性真空袋膜包覆所述纖維織物并與模具面板密封形成模腔；利用該柔性真空袋膜外接的抽真空系統對所述模腔進行抽真空處理，測量和記錄各纖維織物臺階面距離模具面板的距離Ln；再利用真空負壓使測試用流體經由模具面板上均勻設置的微孔注入到模腔中，進入模腔后的測試用流體沿厚度方向浸漬纖維織物，觀測并記錄下測試用流體流動前沿到達各纖維織物臺階面的時間tn；根據記錄的Ln和tn值作出L2-t或t-L2的線性關系圖，擬合后得到該線性關系圖中的直線斜率k，再根據以下公式測算出待測纖維織物的面外滲透率K上述公式(a)中，η為測試用流體的黏度，ΔP為真空負壓的大小，為待測纖維織物所組成的纖維預成型體的孔隙率，的計算公式為上述公式(b)中，Mf為所述纖維織物預成型體的質量；ρf為待測纖維織物所用纖維的密度；w為所述纖維織物預成型體的寬度；h1、h2、h3、...、hn分別表示第1、2、3、...、n層臺階的厚度；l1、l2、l3、...、ln分別表示第1、2、3、...、n層臺階的長度。FDA0000021147990000011.tif,FDA0000021147990000012.tif,FDA0000021147990000013.tif,FDA0000021147990000014.tif2.根據權利要求1所述的纖維織物面外滲透率的測試方法，其特征在于所述各層臺階的厚度相等。3.—種纖維織物面外滲透率的測試模具，所述測試模具包括模具面板和測試用流體的儲存箱，其特征在于所述模具面板固接在儲存箱上方形成一密閉容腔；所述模具面板上均勻布設有微孔，該微孔與儲存箱的密閉容腔相連通；所述儲存箱底部設有與外部注液系統相連通的液流通道。4.根據權利要求3所述的纖維織物面外滲透率的測試模具，其特征在于所述微孔的孔徑為1100μm。全文摘要本發明屬于多孔材料滲透性的測試方法，具體公開了一種纖維織物面外滲透率的測試方法及測試模具，該方法首先是在一模具面板上將待測纖維織物鋪放成臺階數為n的階梯狀，然后密封形成模腔；再進行抽真空處理，測量和記錄各臺階面距離模具面板的距離Ln，利用真空負壓注入測試用流體，記錄下測試用流體流動前沿到達各臺階面的時間tn；作出Ln的平方和tn的線性關系圖，擬合得到斜率k，再根據公式測算出待測纖維織物的面外滲透率K。該測試模具包括模具面板和儲存箱，模具面板固接在儲存箱上方形成密閉容腔，其上設有與密閉容腔相連通的微孔，儲存箱底部設有與外部注液系統相連通的液流通道。本發明具有操作簡單、準確度高、適用性強、成本低等優點。文檔編號G01N15/08GK101819129SQ20101016525公開日2010年9月1日申請日期2010年5月7日優先權日2010年5月7日發明者劉卓峰,彭超義,曾竟成,楊孚標,楊金水,肖加余申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學