一種基于叉指電極的樹脂基復合材料纖維取向測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于樹脂基復合材料纖維取向測量領域。
【背景技術】
[0002] 樹脂基復合材料，也稱纖維增強塑料，其特點是比重小、比強度和比模量大，因此 在航天，汽車，化工及醫學等領域得到廣泛的應用。這種材料是由短、長纖維或連續纖維增 強熱固性或熱塑性樹脂基體，經復合而成。在其的加工過程中，纖維隨熔體流動方向取向， 并隨恪體各處剪切與溫度的不同，呈現一定的取向分布。纖維在最終產品的取向決定著最 終產品的力學性能、光學性能及熱物理性能。纖維取向的測量是復合材料物理機械性能研 究的一個重要指標，而快速，準確地獲取纖維取向結果顯得尤為關鍵。
[0003] 目前，公開報道的復合材料纖維取向測量方法主要分為兩大類，一類是直接觀測 法，顯微圖量角法和顯微鏡標尺法；另一類是間接表示法，利用其各向異性的特征，采用聲 學，熱學或電磁學的方法表征纖維取向。然而對于直接觀測法，為了獲取較好的纖維與基 體的對比度，待測試樣準備過程較復雜。對于間接表征方法，均需要聲學，熱學或電磁學的 測試儀器，設備平臺安裝與調試復雜，且成本較高。1983年，S.H.McGee提出一種顯微照相 結合小孔散射技術快速獲得取向特征的方法測定纖維取向。1988年，G.Fischer發明了一 種圖像分析法，通過分析相互垂直截面纖維取向，來獲得纖維的三維取向，并進行了誤差校 正。到了 20世紀90年代，隨著圖像處理技術的發展，F.Gadala-maria開發了一種數字圖 像處理技術來測定纖維取向。而隨著顯微照相技術的提高，A.R.Clarke采用共焦激光掃描 顯微鏡來研究纖維取向，成為一種研究纖維取向的新標準。到2000年以后，越來越多研究 各向異性的方法被用于研究纖維取向測定。2002年，YoshimiWatanabe將電磁各向異性檢 測方法應用于具有磁性纖維的取向測定。2008年，Η.Y.Lee根據材料介電性質的各向異性， 實驗測定了石墨纖維環氧樹脂材料的纖維取向。2009年，I.Y.Yang采用一種單邊一發一收 超聲技術，實現了對碳纖維增強塑料的纖維取向測定。最近的2015年，H.Fernandes發掘 了主動熱紅外成像技術在纖維取向測定上應用。
[0004] 目前，公開專利中大都是對非織造布纖維取向的測定方法，非織造布的材料較薄， 可結合非接觸測量及圖像識別技術，來進行平均取向的測量。但由于大部分樹脂基復合材 料均的成型件厚度不一，若采用上面方法測量取向，需要對材料進行切片處理，這過程容易 影響其本身原始取向。現有的一些采用無損檢測技術類復合材料取向測量方法利用材料的 各向異性，即光學各向異性與聲學各向異性來進行測量，一方面對待測試樣的光學與聲學 特性有要求，且測試設備較復雜，實施不易。
【發明內容】
[0005] 針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種基于叉指電極的樹脂基 復合材料纖維取向測量方法，使用叉指電極可對樹脂基復合材料在不同電場方向上的電容 值進行分析，測量出其纖維取向角。
[0006] 為實現上述目的，按照本發明，提供了一種基于叉指電極的樹脂基復合材料纖維 取向測量方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0007] 1)將由樹脂基復合材料制成的待測試樣固定在旋轉載物臺上，其中，所述旋轉載 物臺包括固定支架、電機和載物平臺，所述電機安裝在所述固定支架上并且其轉軸豎直設 置，所述載物平臺固定安裝在所述電機的轉軸上，以承接所述待測試樣并帶動所述待測試 樣旋轉，所述待測試樣水平放置在所述載物平臺上；
[0008] 2)在待測試樣上表面涂一層潤滑油，將叉指電極與待測試樣上表面貼合并將叉 指電極與電容測試儀連接；其中，所述叉指電極貼在基底上，所述基底固定在所述固定支架 上，所述叉指電極包括多根相互平行的叉指，所述叉指浸入待測試樣上表面的潤滑油中，此 外，從俯視圖上看，叉指電極在待測試樣上的投影位于待測試樣的邊緣所圍區域內；
[0009] 3)讓載物平臺帶動待測樣品旋轉360度，并采用電容測試儀測量在待測樣品旋轉 時叉指電極的電容變化情況，其中，載物平臺的轉速為ωρ圈/分，電容數據采集頻率ω3欠 / 秒，且 1〇3ΧωΡ;
[0010] 4)獲取電容值最大時所述電容測試儀采集數據量的個數Ν，則獲得纖維取向與所 述叉指寬度方向所成的角~ =--=，單位為度。 &c
[0011] 總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有 益效果：本發明利用叉指電極的結構優勢，實現了通過材料的介電各向異性測量樹脂基復 合材料的纖維取向。本發明無需待測試樣準備過程，采用無損檢測技術，方法簡單，易實施， 且為電學量測量，精度高，便于樹脂基復合材料物理機械性能的判斷。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發明中附在基底上的叉指電極的結構示意圖；
[0013] 圖2為叉指電極貼在待測試樣上時的剖面圖；
[0014] 圖3為本發明的測量原理示意圖；
[0015] 圖4為本發明中Ce與Θ的關系示意圖；
[0016]圖5為本發明中的測量裝置測量樹脂基復合材料纖維取向角時的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0017] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并 不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要 彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0018] 參照圖1~圖5,本發明的叉指電極2結構能提供單向測量便利，相對于平行平板 電容，對受測材料沒有過多邊界約束，其示意圖見圖1，叉指電極2具有一對電極，每個電極 具有多根相互平行的叉指21并且每個電極均附著在基底3上，其中一個電極接電源的正 極，另一個接電源的負極。
[0019] 圖2中電極以下為基底3,基底3的介電常數為εs，電極以上空間包括待測試樣5 和待測試樣5上的一層潤滑油4,此處潤滑油4 一方面起到隔絕水汽與空氣的作用，一方面 增強待測材料與電極之間的介電耦合。
[0020] 叉指電極2與上介電質（即待測試樣5和潤滑油4)和下介電質（即基底3)構成 的電容為Ce，如公式（1)，
[0021]
[0022] 其中C。