複合材料固化過程的超聲波實時監測方法及系統的製作方法
2023-10-29 11:03:22
專利名稱：複合材料固化過程的超聲波實時監測方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及材料固化技術領域，特別涉及採用對複合材料固化過程進 行監測的方法及系統。技術領域複合材料的固化特徵和材料的最終性能主要取決於基體的熱動力學和 化學流變特性。固化初期階段和膠凝過程與材料粘度的提高及玻璃化溫度 相關，聚合過程中的失控將導致基體網格結構缺陷、微觀畸變以及諸如孔 隙、氣泡、脫粘及纖維損傷等宏觀缺陷。因此，熱固性聚合物基複合材料 固化周期中的有效監控將直接決定材料的最終力學性能。複合材料的固化操作存在著複雜的內部過程，如何確定最佳工藝條件 使生產質量最好，並且生產成本最少，這是很困難的。以前主要靠兩種方 法來摸索操作工藝實驗法和經驗法。前者通過對形狀簡單的小型試件多 次實驗，並結合有限的定性分析設計出較合理的操作工藝，但它不適用於 較大尺寸或形狀複雜的產品；後者是生產廠家在長期的生產實踐中摸索出的操作工藝，也只適用於特定的範圍。這兩種方法都不能從根本上解決目 前生產中存在的產品合格率低、成本居高不下的問題。傳統的固化過程研究方法，如傅立葉紅外光譜、核磁共振、DSC等,是通 過檢測固化過程中的化學反應，如基團變化，反應放熱，來分析固化反應過程，有其應用局限性，它只適用於純樹脂體系，並不適合分析複合材 料的固化反應，比如在反應體系中添加填料，纖維，這些惰性材料的加入 對其基團變化或反應放熱並沒有影響，但是材料性能卻得到很大改變，這 樣的改變用傳統的測試方法是無法檢測的。發明內容本發明的目的在於提供一種複合材料固化過程的超聲波實時監測方 法，優化了材料的固化工藝，獲得高質量的產品。本發明的另一目的在於提供實現上述監測方法的監測系統，可實時在 線檢測材料固化過程，優化了材料的固化工藝，獲得高質量的產品。一種複合材料固化過程的超聲波實時監測方法，具體為將待固化樣品置於0 30(TC環境下恆溫，向待固化樣品發送超聲波信號，接收經過待固 化樣品後的超聲波信號，分析信號的飛越時間及振幅，計算出超聲波速度、 衰減量、以及材料的泊松比、楊氏模量和剪切模量，以表徵複合材料的固化 過程。一種實現上述複合材料固化過程的超聲波實時監測方法的監測系統， 包括測試模具l、探頭支架2、至少一個超聲波探頭5、烘箱6、超聲波發射 /接收裝置7和信號處理器8，測試模具1位於烘箱6內，超聲波探頭5的晶 片端通過探頭支架2與測試模具1側壁接觸，超聲波探頭5的導柱接口端分 別通過超聲波發射/接收裝置7連接信號處理器8。本發明採用超聲波技術實施監測複合材料固化反應過程，通過分析超 聲波信號的飛越時間及振幅，計算出超聲波速度、衰減量、以及材料的泊 松比、楊氏模量和剪切模量，以表徵複合材料的固化過程，具有靈敏度高、 迅速及非破壞性的優點，能完整記錄整個體系固化過程，可以在很大程度 上提高複合材料的的生產效率，提高產品質量，降低生產成本。
圖1為本發明複合材料固化過程的超聲波實時監測系統結構示意圖；圖2為本發明探頭安置方式示意圖，圖2a為第一種探頭實施方式，圖 2b為第二種探頭實施方式，圖2c為第三種探頭實施方式；圖3為本發明一實施例監測獲取的超聲波波形圖，圖3a為本發明一實 施實例中監測到的在複合材料固化過程中的橫波波形圖；圖3b為本發明一 實施實例中監測到的在複合材料固化過程中的縱波波形圖。
具體實施方式
當超聲波在不同的介質中傳播時，在界面處會出現反射和透射等現象， 它們與入射角和介質的性質有關，其參數對材料的宏觀性能，如機械性能，變化十分敏感。如超聲波的傳播速度和衰減量與高分子的粘度和模量直 接相關，通過監測超聲波的信號(主要是指飛越時間、振幅)可以得到介質的 物理化學性質。本發明複合材料固化過程的超聲波實時監測方法，具體為將待固化 樣品置於0 30(TC環境下恆溫，向待固化樣品發送超聲波信號，接收經過 待固化樣品後的超聲波信號，分析信號的飛越時間及振幅，計算出超聲波 速度、衰減量、以及材料的泊松比、楊氏模量和剪切模量，以表徵複合材 料的固化過程。超聲波信號的收發具體有兩種方式 一種為透射法，向待 固化樣品一側發送信號，從另外一側接收穿過該樣品的信號；另一種為反 射法，向待固化樣品一側發送信號，在同側接收待固化樣品反射回來的信 號。當收到穿過待固化樣品後的超聲波，此時記錄飛越時間T，計算超聲波信號穿過待固化樣品後的速度c-s/r ，式中，S為超聲波穿越距離。超聲波衰減係數db為必-^20xlgA ，式中，d為樣品厚度，A,為 超聲波信號穿入樣品前的振幅，An為超聲信號穿過樣品時的振幅。若同時收發橫波和縱波，則還可計算固化過程中的泊松比5、楊氏模量 E、剪切模量p值隨固化時間的變化趨勢，以便更好地研究固化工藝過程，formula see original document page 6formula see original document page 7式中，C,為縱波穿過待固化樣品後的速度，Ct為橫波穿過待固化樣品後的速度，p為材料密度。圖1為本發明實現上述方法的超聲波實時監測系統結構示意圖，包括測試模具l、探頭支架2、力傳感器3、萬用表4、超聲波探頭5、烘箱6、 超聲波發射/接收裝置7和信號微處理器8。超聲波探頭5可為橫波探頭或 縱波探頭或橫波探頭與縱波探頭的組合，其頻率範圍在10kHz—50MHz。用於放置待固化樣品的測試模具1位於烘箱7內，超聲波探頭5的晶 片端塗附耦合劑後通過探頭支架2與測試模具1側壁接觸，導柱接口端依 次連接超聲波發射/接收裝置7和信號處理器8。為了更好的控制探頭受力 及固定狀態，將兩探頭的受力非晶片端通過力傳感器3連接萬用表4。下面以縱波探頭為例詳細說明超聲波探頭的設置方式。對應於透射法，本發明監測系統採用不同側收發方式，如圖2a所示， 使用一對縱波探頭，兩個縱波探頭晶片端分別與樣品模具.l兩側接觸，一 個用於發出縱波，另一個用於接收對應縱波。對應於反射法採用同側收發方式，如圖2b所示，使用一個縱波探頭在 樣品模具l 一側自發自收縱波，或者如圖2c所示，使用一對縱波探頭，安 置在樣品模具l同一側， 一個用於發出，另一個用於接收。橫波探頭以及縱波探頭與橫波探頭的組合設置方式與縱波探頭相同， 在此不作累述。保持烘箱6恆溫，超聲波發射/接收裝置7實時接收檢測到的超聲波信 號並將其傳送給信號處理器8以作信號處理。圖3a和圖3b分別截取了固 化過程中的橫波和縱波波形圖，通過分析圖中飛越時間及振幅的變化，計 算出超聲波速度、衰減量、以及材料的泊松比、楊氏模量和剪切模量來表 徵複合材料的固化過程。
權利要求
1、一種複合材料固化過程的超聲波實時監測方法，具體為將待固化樣品置於0～300℃環境下恆溫，向待固化樣品發送超聲波信號，接收經過待固化樣品後的超聲波，記錄超聲波經過待固化樣品的飛越時間及穿出後的振幅，根據飛越時間和振幅計算超聲波穿出待固化樣品後的速度和衰減量以表徵複合材料的固化工藝過程。
2、 根據權利要求1所述的超聲波實時監測方法，其特徵在於，還根 據所述超聲波穿過待固化樣品後的速度計算待固化樣品的泊松比5、楊氏模 量E和剪切模量n值以表徵固化工藝過程，formula see original document page 2d為縱波穿過待固化樣品後的速度，Ct為橫波穿過待固化樣品後的速度，P為材料密度。
3、 根據權利要求1或2所述的一種複合材料固化過程的超聲波實 時監測方法，其特徵在於，向待固化樣品一側發送所述超聲波，從待固化樣 品另外一側接收穿過該樣品的超聲波。
4、 根據權利要求1或2所述的一種複合材料固化過程的超聲波實 時監測方法，其特徵在於，在待固化樣品同一側發送和接收所述超聲波。
5、 一種實現權利要求1所述的複合材料固化過程的超聲波實時監 測方法的系統，其特徵在於，包括測試模具(1)、探頭支架(2)、至少一個波發射/接收裝置(7)和信號處理器(8)， 測試模具(1)位於烘箱(6)內，超聲波探頭(5)的晶片端通過探頭支架 (2)與測試模具(1)側壁接觸，超聲波探頭(5)的導柱接口端通過超聲 波發射/接收裝置(7)連接信號處理器(8)。
6、 根據權利要求5所述的系統，其特徵在於，系統還包括力傳感器 (3)和萬用表(4)，萬用表(4)通過傳感器(3)連接所述超聲波探頭5的受力非晶片端。
7、 根據權利要求5所述的系統，其特徵在於，系統包括至少一個橫 波探頭和至少一個縱波探頭。
8、 根據權利要求5或6或7所述的系統，其特徵在於，所述超聲波 探頭(5)的頻率範圍為10kHz 50MHz。
全文摘要
本發明提供了一種複合材料固化過程的超聲波實時監測方法，將待固化樣品置於0～300℃環境下恆溫，向待固化樣品發送超聲波信號，接收經過待固化樣品後的超聲波信號，記錄信號的飛越時間及振幅，計算超聲波速度和衰減量，以及材料的泊松比、楊氏模量和剪切模量，以表徵複合材料的固化過程。本發明還提供了一種實現上述方法的監測系統，包括測試模具、探頭支架、至少一個超聲波探頭、烘箱、超聲波發射/接收裝置和信號處理器，測試模具位於烘箱內，超聲波探頭的晶片端通過探頭支架與測試模具側壁接觸，超聲波探頭的導柱接口端通過超聲波發射/接收裝置連接信號處理器。本發明優化了材料的固化工藝，獲得高質量的產品，降低了生產成本。
文檔編號G01N29/00GK101256171SQ200810047228
公開日2008年9月3日 申請日期2008年4月3日 優先權日2008年4月3日
發明者周興平, 朱鴻茂, 解孝林, 趙瑾朝 申請人:華中科技大學