本發(fā)明屬于樹脂基纖維增強復(fù)合材料液態(tài)成型技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種纖維織物面內(nèi)滲透率的測量方法及測量系統(tǒng)，以及采用該系統(tǒng)測量纖維織物面內(nèi)滲透率的方法。

背景技術(shù)：

滲透率是多孔介質(zhì)的固有屬性，用來表征流體流經(jīng)內(nèi)部孔隙的難易程度。作為纖維預(yù)成型體的關(guān)鍵性能之一，滲透率是影響樹脂在纖維預(yù)成型體中流動的一個重要參數(shù)，滲透率的不均勻性是導(dǎo)致樹脂在局部區(qū)域內(nèi)流動產(chǎn)生差異的根本原因，因而準(zhǔn)確獲得預(yù)成型體的滲透率大小及其分布，對于優(yōu)化液態(tài)成型工藝避免干斑、氣泡等缺陷的產(chǎn)生具有很大的工程價值。采用RTM注射成型或真空輔助VARI成型工藝制備樹脂基復(fù)合材料的過程中，預(yù)成形體的滲透率是預(yù)測復(fù)合材料液態(tài)成型工藝充模過程，進行模具設(shè)計和工藝優(yōu)化的重要參數(shù)，影響真空作用下樹脂流動和氣體排出的關(guān)鍵因素之一，從而在一定程度上影響復(fù)合材料制件的成型質(zhì)量。

在現(xiàn)有的纖維織物面內(nèi)滲透率測試裝置中，專利200710099160.6“纖維鋪層面內(nèi)及厚度方向滲透率測試裝置與飽和滲透率測試方法”和專利201210300720.0“一種纖維織物徑向面內(nèi)滲透率測試裝置和測試方法”不能測量不同注射壓力下不同層數(shù)纖維織物的面內(nèi)滲透率而且裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，操作復(fù)雜。

為此本發(fā)明專利提出了一種用于測量纖維織物面內(nèi)滲透率的測量方法及測量系統(tǒng)，該裝置結(jié)構(gòu)相對簡單，價格低廉，適合實驗室用來測量不同注射壓力下不同層數(shù)纖維織物的面內(nèi)滲透率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：為了避免現(xiàn)有技術(shù)的局限性,本發(fā)明提出一種新型纖維織物面內(nèi)滲透率測量方法及測量系統(tǒng)，目的在于主要用于測量不同注射壓力下不同層數(shù)纖維織物的面內(nèi)滲透率。本測量方法通過空氣壓縮機給纖維織物滲透率測量提供壓力，通過測量樹脂浸潤纖維織物的流動前沿隨時間的變化來估算纖維織物的面內(nèi)滲透率。根據(jù)纖維織物不同的介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，選用不同的計算公式。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種纖維織物面內(nèi)滲透率的測量方法，包括以下步驟：

步驟1：用丙酮將模具表面擦拭干凈，晾干；將纖維織物鋪放在下模具上，蓋上上模具和金屬加強框；在金屬加強框上放置相互垂直的標(biāo)尺，記錄不同時刻流動前沿的位置；通過在上下模具間同規(guī)格的塞尺實現(xiàn)纖維織物厚度控制；

步驟2：打開空氣壓縮機和閥門，向模具內(nèi)注入液體，使模具型腔內(nèi)的液體浸潤纖維織物，當(dāng)液體流動前沿接近模腔邊緣時，關(guān)閉閥門；

步驟3：通過拍攝和記錄不同時刻流動前沿位置，根據(jù)所測纖維織物的介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，選取不同的計算公式，得到纖維織物面內(nèi)滲透率，分為以下兩種情況：

(1)各向同性多孔介質(zhì)

各向同性多孔介質(zhì)的流動前沿為圓形，滲透率在各個方向相同，根據(jù)公式(1)，通過F對t作圖，t代表時間，表示t時刻與流動前沿的位置間的關(guān)系，得到一條通過原點的直線，原點指的是坐標(biāo)原點，在二維平面坐標(biāo)系中F對t繪制的直線必過原點，可參考圖6，由直線斜率即可計算出滲透率K；

其中P₀為注口壓力，R₀為注口半徑，P_e為流動前沿的壓力，R_e為t時刻流動前沿的半徑，φ為孔隙率，μ為液體的粘度，K為滲透率；

(2)各向異性多孔介質(zhì)

各向異性多孔介質(zhì)的流動前沿為橢圓形，滲透率張量坐標(biāo)系主軸與材料坐標(biāo)系軸之間存在一定夾角θ，結(jié)合面內(nèi)主滲透率K_x和K_y值，即可計算各向異性多孔介質(zhì)面內(nèi)滲透率張量：

其中ΔP為注口與流動前沿之間的壓力差，R₀為注口半徑，φ為孔隙率，μ為液體的粘度，x_t為t時樹脂流動前沿在x方向與注口的距離，y_t為t時樹脂流動前沿在y方向與注口的距離，K_x、K_y為面內(nèi)滲透率；

令通過拍攝和記錄不同時間下流動前沿位置x_t、y_t，就可分別計算G_x、G_y，并對時間t作圖，所作直線的斜率即為面內(nèi)滲透率K_x、K_y。

本發(fā)明的進一步技術(shù)方案是：一種實現(xiàn)上述方法的纖維織物面內(nèi)滲透率的測量系統(tǒng)，包括調(diào)節(jié)組件和測量組件，且調(diào)節(jié)組件和測量組件之間通過連接管進行連接；所述測量組件包括相機6、下模具7、上模具8和塞尺11；上模具8為透明板，便于相機記錄纖維織物充模過程；下模具7和上模具8之間形成放置纖維織物的內(nèi)腔，且內(nèi)腔大小通過下模具7和上模具8之間設(shè)有的塞尺11進行調(diào)節(jié)；所述調(diào)節(jié)組件包括空氣壓縮機1、壓力調(diào)節(jié)閥2、儲液罐3、閥們4和壓力表5，五者之間依次通過連接管連接；空氣壓縮機1將儲液罐3中的樹脂注入纖維織物，當(dāng)樹脂全部滲透纖維織物時，關(guān)閉閥們4，進行滲透率測量；通過壓力調(diào)節(jié)閥2調(diào)節(jié)注射壓力，通過不同規(guī)格的塞尺11調(diào)節(jié)纖維織物層數(shù)，測量不同注射壓力下，不同層數(shù)纖維織物的面內(nèi)滲透率。

本發(fā)明的進一步技術(shù)方案是：還包括金屬加強框9，所述金屬加強框9位于上模具8上方，通過螺栓10固定，防止上模具8變形。

本發(fā)明的進一步技術(shù)方案是：金屬加強框9上設(shè)有兩個刻度尺，且兩個刻度尺相互垂直放置。

本發(fā)明的進一步技術(shù)方案是：所述下模具7為金屬板，中心設(shè)有通孔，作為樹脂注入口。

本發(fā)明的進一步技術(shù)方案是：所述相機6在上模具8上方拍攝，能拍攝到全部纖維織物面即可。

發(fā)明效果

本發(fā)明的技術(shù)效果在于：本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)，實現(xiàn)了不同注射壓力下，不同層數(shù)纖維織物的面內(nèi)滲透率測量，而且裝置結(jié)構(gòu)相對簡單，價格低廉，根據(jù)所測纖維的結(jié)構(gòu)特點(各向同性或者各向異性)選擇不同計算公式，實現(xiàn)了不同纖維織物結(jié)構(gòu)面內(nèi)滲透率的測量。其測量過程簡單，可操作性強，實驗數(shù)據(jù)可靠。

附圖說明

圖1為測量系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為上模具示意圖

圖3為下模具示意圖

圖4為金屬加強框示意圖

圖5流動前沿示意圖

圖6滲透率數(shù)據(jù)處理示意圖

附圖標(biāo)記說明：1—空氣壓縮機；2—壓力調(diào)節(jié)閥；3—儲液罐；4—閥門；5—壓力表；6—相機；7—下模具；8—上模具；9—金屬加強框；10—螺栓；11—塞尺。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。

參照附圖，本實施例中的纖維織物面內(nèi)滲透率的測量系統(tǒng)包括空氣壓縮機1、壓力調(diào)節(jié)閥2、儲液罐3、閥門4、壓力表5、相機6、下模具7、上模具8、金屬加強框9、螺栓10、塞尺11構(gòu)成。

實驗過程中，合模后纖維織物的總厚度的控制通過在上下模具之間墊不同規(guī)格的塞尺實現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)閥得到不同的注射壓力。由于測量纖維織物滲透率的裝置需要空氣壓縮機提供壓力，所以裝置在連接過程中用塑料管連接，并通過螺紋以及生料帶進行固定密封，在本實施例中，生料帶為聚四氟乙烯，該裝置采用指針式壓力表，所以在安裝過程中加入了閥門，以便節(jié)省調(diào)節(jié)壓力的時間。測試流體在壓縮空氣的推動下，從模具底部中心注入，通過拍攝和記錄不同時刻流動前沿位置，根據(jù)所測纖維織物的介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征(各向同性介質(zhì)/各向異性介質(zhì))選取不同的計算公式，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，計算得到纖維織物面內(nèi)滲透率。

本實施例的纖維織物厚度方向穩(wěn)態(tài)滲透率的測試方法，包括如下步驟:

步驟1：用丙酮等溶劑將模具表面擦拭干凈，晾干；將纖維織物鋪放在下模具上，然后分別蓋上上模具和金屬加強框并用螺栓固定上下模具以及金屬加強框，在模具中心位置放兩個相互垂直的標(biāo)尺，記錄不同時刻流動前沿的位置，通過在上下模具間放不同規(guī)格的塞尺實現(xiàn)纖維織物厚度控制。

步驟2：打開空氣壓縮機，將閥門打開，向模具內(nèi)注入液體，使模具型腔內(nèi)的液體浸潤纖維織物，當(dāng)液體流動前沿接近模腔邊緣時，關(guān)閉閥門，實驗結(jié)束。

步驟3：通過拍攝和記錄不同時刻流動前沿位置，根據(jù)所測纖維織物的介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征(各向同性介質(zhì)/各向異性介質(zhì))選取不同的計算公式，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，計算得到纖維織物面內(nèi)滲透率。

①各向同性多孔介質(zhì)

各向同性多孔介質(zhì)的流動前沿為圓形，滲透率在各個方向相同，根據(jù)公式(1)，通過F對t作圖，得到一條通過原點的直線，由直線斜率即可計算出滲透率K。

其中P₀為注口壓力，R₀為注口半徑，P_e為流動前沿的壓力，R_e為t時刻流動前沿的半徑，φ為孔隙率，μ為液體的粘度，K為滲透率。

②各向異性多孔介質(zhì)

各向異性多孔介質(zhì)的流動前沿為橢圓形，滲透率張量坐標(biāo)系主軸與材料坐標(biāo)系軸之間存在一定夾角θ，結(jié)合面內(nèi)主滲透率K_x和K_y值，即可計算各向異性多孔介質(zhì)面內(nèi)滲透率張量：

其中ΔP為注口與流動前沿之間的壓力差，R₀為注口半徑，φ為孔隙率，μ為液體的粘度，x_t為t時樹脂流動前沿在x方向與注口的距離，y_t為t時樹脂流動前沿在y方向與注口的距離，K_x、K_y為面內(nèi)滲透率。

令通過拍攝和記錄不同時間下流動前沿位置x_t、y_t，就可分別計算G_x、G_y，并對時間t作圖，所作直線的斜率即為面內(nèi)滲透率K_x、K_y。

一種纖維織物面內(nèi)滲透率的測量系統(tǒng)，包括空氣壓縮機、壓力調(diào)節(jié)閥、儲液罐、閥門、壓力表、相機、下模具、上模具、金屬加強框、螺栓等構(gòu)成。實驗過程中，合模后纖維織物的總厚度的控制通過在上下模具之間墊不同規(guī)格的塞尺實現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)閥得到不同的注射壓力。通過空氣壓縮機給纖維織物滲透率測量提供一定的壓力，通過拍攝和記錄不同時刻流動前沿位置來估算纖維織物的面內(nèi)滲透率。通過調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)閥，可以測量不同壓力下纖維織物面內(nèi)滲透率。通過在上下模具之間墊不同規(guī)格的塞尺實現(xiàn)不同厚度纖維織物面內(nèi)滲透率的測量。該測試系統(tǒng)通用性強，可以測量不同材料，不同幾何構(gòu)型纖維織物面內(nèi)滲透率。通過拍攝和記錄不同時刻流動前沿位置來計算纖維織物的面內(nèi)滲透率，此方法不受邊緣效應(yīng)的影響。

一種纖維織物向穩(wěn)態(tài)滲透率的測量方法，其特征在于:包括以下步驟:

步驟1：用丙酮等溶劑將模具表面擦拭干凈，晾干；將纖維織物鋪放在下模具上，然后分別蓋上上模具和金屬加強框并用螺栓固定上下模具以及金屬加強框，在模具中心位置放兩個相互垂直的標(biāo)尺，記錄不同時刻流動前沿的位置，通過在上下模具間放不同規(guī)格的塞尺實現(xiàn)纖維織物厚度控制。

步驟2：打開空氣壓縮機，將閥門打開，向模具內(nèi)注入液體，使模具型腔內(nèi)的液體浸潤纖維織物，當(dāng)液體流動前沿接近模腔邊緣時，關(guān)閉閥門，實驗結(jié)束。

步驟3：通過拍攝和記錄不同時刻流動前沿位置，根據(jù)所測纖維織物的介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征(各向同性介質(zhì)/各向異性介質(zhì))選取不同的計算公式，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，計算得到纖維織物面內(nèi)滲透率。

①各向同性多孔介質(zhì)

各向同性多孔介質(zhì)的流動前沿為圓形，滲透率在各個方向相同，根據(jù)公式(1)，通過F對t作圖，得到一條通過原點的直線，由直線斜率即可計算出滲透率K。

其中P₀為注口壓力，R₀為注口半徑，P_e為流動前沿的壓力，R_e為t時刻流動前沿的半徑，φ為孔隙率，μ為液體的粘度，K為滲透率。

②各向異性多孔介質(zhì)

各向異性多孔介質(zhì)的流動前沿為橢圓形，滲透率張量坐標(biāo)系主軸與材料坐標(biāo)系軸之間存在一定夾角θ，結(jié)合面內(nèi)主滲透率K_x和K_y值，即可計算各向異性多孔介質(zhì)面內(nèi)滲透率張量：

其中ΔP為注口與流動前沿之間的壓力差，R₀為注口半徑，φ為孔隙率，μ為液體的粘度，x_t為t時樹脂流動前沿在x方向與注口的距離，y_t為t時樹脂流動前沿在y方向與注口的距離，K_x、K_y為面內(nèi)滲透率。

令通過拍攝和記錄不同時間下流動前沿位置x_t、y_t，就可分別計算G_x、G_y，并對時間t作圖，所作直線的斜率即為面內(nèi)滲透率K_x、K_y。

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的局限性,本發(fā)明提出一種新型纖維織物面內(nèi)滲透率測量方法及測量系統(tǒng)，目的在于主要用于測量不同注射壓力下不同層數(shù)纖維織物的面內(nèi)滲透率。本測量方法通過空氣壓縮機給纖維織物滲透率測量提供壓力，通過測量樹脂浸潤纖維織物的流動前沿隨時間的變化來估算纖維織物的面內(nèi)滲透率。根據(jù)纖維織物不同的介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，選用不同的計算公式。

①各向同性多孔介質(zhì)

各向同性多孔介質(zhì)的流動前沿為圓形，滲透率在各個方向相同，根據(jù)公式(1)，通過F對t作圖，得到一條通過原點的直線，由直線斜率即可計算出滲透率K。

其中P₀為注口壓力，R₀為注口半徑，P_e為流動前沿的壓力，R_e為t時刻流動前沿的半徑，φ為孔隙率，μ為液體的粘度，K為滲透率。

②各向異性多孔介質(zhì)

各向異性多孔介質(zhì)的流動前沿為橢圓形(如圖5所示)，X、Y分別表示織物的經(jīng)向和緯向方向、x_t和y_t分別表示t時刻樹脂流動前沿橢圓長軸和短軸的長度，滲透率張量坐標(biāo)系主軸與材料坐標(biāo)系軸之間存在一定夾角θ，結(jié)合面內(nèi)主滲透率K_x和K_y值，即可計算各向異性多孔介質(zhì)面內(nèi)滲透率張量：

其中ΔP為注口與流動前沿之間的壓力差，R₀為注口半徑，φ為孔隙率，μ為液體的粘度，x_t為t時樹脂流動前沿在x方向與注口的距離，y_t為t時樹脂流動前沿在y方向與注口的距離，K_x、K_y為面內(nèi)滲透率。

令通過拍攝和記錄不同時間下流動前沿位置x_t、y_t，就可分別計算G_x、G_y，并對時間t作圖(如圖6所示)，所作直線的斜率即為面內(nèi)滲透率K_x、K_y。一種纖維織物面內(nèi)滲透率的測量系統(tǒng)，其特征在于：用塑料管依次連接空氣壓縮機、壓力調(diào)節(jié)閥、儲液罐、閥門、壓力表、模具，其中模具由上模具、下模具、金屬加強框三部分組成，上模具為透明的有機玻璃板，保證了充模過程的可視化，同時為防止上模具變形，在有機玻璃板的上方安裝金屬加強框。下模具為金屬模，尺寸為380mm創(chuàng)380mm 25mm，內(nèi)部模腔尺寸為300mm創(chuàng)300mm 2mm，注口半徑為5mm，模腔深度調(diào)節(jié)采用不銹鋼塞尺作為調(diào)整墊片(單片塞尺的最小規(guī)格為0.02mm，最大為1mm)。在金屬加強框上放置刻度尺，以便統(tǒng)計不同時刻流動前沿的位置。所述一種纖維織物面內(nèi)滲透率的測量系統(tǒng)，通過空氣壓縮機給纖維織物滲透率測量提供0.1～0.2MPa的壓力，通過記錄流動前沿隨時間的變化來計算纖維織物的面內(nèi)滲透率。通過調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)閥，可以測量不同注射壓力下纖維織物面內(nèi)滲透率。通過調(diào)整塞尺的規(guī)格大小實現(xiàn)不同層數(shù)纖維織物面內(nèi)滲透率的測量。該測試裝置通用性強，可以測量不同材料，不同幾何構(gòu)型纖維織物面內(nèi)滲透率。

所述一種纖維織物面內(nèi)滲透率的測量方法，包括以下步驟:

步驟1：用丙酮等溶劑將模具表面擦拭干凈，晾干；將纖維織物鋪放在下模具上，然后分別蓋上上模具和金屬加強框并用螺栓固定上下模具以及金屬加強框，在模具中心位置放兩個相互垂直的標(biāo)尺，記錄不同時刻流動前沿的位置，通過在上下模具間放不同規(guī)格的塞尺實現(xiàn)纖維織物厚度控制。

步驟2：打開空氣壓縮機，將閥門打開，向模具內(nèi)注入樹脂，使模具型腔內(nèi)的液體，當(dāng)樹脂全部浸潤纖維織物時，關(guān)閉閥門，實驗結(jié)束。

步驟3：通過拍攝視頻，記錄不同時刻流動前沿位置，根據(jù)所測纖維織物的介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征(各向同性介質(zhì)/各向異性介質(zhì))選取不同的計算公式，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，計算得到纖維織物面內(nèi)滲透率。

本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)，實現(xiàn)了不同注射壓力下，不同層數(shù)纖維織物的面內(nèi)滲透率測量，而且裝置結(jié)構(gòu)相對簡單，價格低廉，根據(jù)所測纖維的結(jié)構(gòu)特點(各向同性或者各向異性)選擇不同計算公式，實現(xiàn)了不同纖維織物結(jié)構(gòu)面內(nèi)滲透率的測量。其測量過程簡單，可操作性強，實驗數(shù)據(jù)可靠。