一种纤维织物面内渗透率的测量方法及测量系统与流程

本发明属于树脂基纤维增强复合材料液态成型技术领域，具体涉及一种纤维织物面内渗透率的测量方法及测量系统，以及采用该系统测量纤维织物面内渗透率的方法。

背景技术：

渗透率是多孔介质的固有属性，用来表征流体流经内部孔隙的难易程度。作为纤维预成型体的关键性能之一，渗透率是影响树脂在纤维预成型体中流动的一个重要参数，渗透率的不均匀性是导致树脂在局部区域内流动产生差异的根本原因，因而准确获得预成型体的渗透率大小及其分布，对于优化液态成型工艺避免干斑、气泡等缺陷的产生具有很大的工程价值。采用RTM注射成型或真空辅助VARI成型工艺制备树脂基复合材料的过程中，预成形体的渗透率是预测复合材料液态成型工艺充模过程，进行模具设计和工艺优化的重要参数，影响真空作用下树脂流动和气体排出的关键因素之一，从而在一定程度上影响复合材料制件的成型质量。

在现有的纤维织物面内渗透率测试装置中，专利200710099160.6“纤维铺层面内及厚度方向渗透率测试装置与饱和渗透率测试方法”和专利201210300720.0“一种纤维织物径向面内渗透率测试装置和测试方法”不能测量不同注射压力下不同层数纤维织物的面内渗透率而且装置结构复杂，成本高，操作复杂。

为此本发明专利提出了一种用于测量纤维织物面内渗透率的测量方法及测量系统，该装置结构相对简单，价格低廉，适合实验室用来测量不同注射压力下不同层数纤维织物的面内渗透率。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：为了避免现有技术的局限性,本发明提出一种新型纤维织物面内渗透率测量方法及测量系统，目的在于主要用于测量不同注射压力下不同层数纤维织物的面内渗透率。本测量方法通过空气压缩机给纤维织物渗透率测量提供压力，通过测量树脂浸润纤维织物的流动前沿随时间的变化来估算纤维织物的面内渗透率。根据纤维织物不同的介质结构特征，选用不同的计算公式。

本发明的技术方案是：一种纤维织物面内渗透率的测量方法，包括以下步骤：

步骤1：用丙酮将模具表面擦拭干净，晾干；将纤维织物铺放在下模具上，盖上上模具和金属加强框；在金属加强框上放置相互垂直的标尺，记录不同时刻流动前沿的位置；通过在上下模具间同规格的塞尺实现纤维织物厚度控制；

步骤2：打开空气压缩机和阀门，向模具内注入液体，使模具型腔内的液体浸润纤维织物，当液体流动前沿接近模腔边缘时，关闭阀门；

步骤3：通过拍摄和记录不同时刻流动前沿位置，根据所测纤维织物的介质结构特征，选取不同的计算公式，得到纤维织物面内渗透率，分为以下两种情况：

(1)各向同性多孔介质

各向同性多孔介质的流动前沿为圆形，渗透率在各个方向相同，根据公式(1)，通过F对t作图，t代表时间，表示t时刻与流动前沿的位置间的关系，得到一条通过原点的直线，原点指的是坐标原点，在二维平面坐标系中F对t绘制的直线必过原点，可参考图6，由直线斜率即可计算出渗透率K；

其中P₀为注口压力，R₀为注口半径，P_e为流动前沿的压力，R_e为t时刻流动前沿的半径，φ为孔隙率，μ为液体的粘度，K为渗透率；

(2)各向异性多孔介质

各向异性多孔介质的流动前沿为椭圆形，渗透率张量坐标系主轴与材料坐标系轴之间存在一定夹角θ，结合面内主渗透率K_x和K_y值，即可计算各向异性多孔介质面内渗透率张量：

其中ΔP为注口与流动前沿之间的压力差，R₀为注口半径，φ为孔隙率，μ为液体的粘度，x_t为t时树脂流动前沿在x方向与注口的距离，y_t为t时树脂流动前沿在y方向与注口的距离，K_x、K_y为面内渗透率；

令通过拍摄和记录不同时间下流动前沿位置x_t、y_t，就可分别计算G_x、G_y，并对时间t作图，所作直线的斜率即为面内渗透率K_x、K_y。

本发明的进一步技术方案是：一种实现上述方法的纤维织物面内渗透率的测量系统，包括调节组件和测量组件，且调节组件和测量组件之间通过连接管进行连接；所述测量组件包括相机6、下模具7、上模具8和塞尺11；上模具8为透明板，便于相机记录纤维织物充模过程；下模具7和上模具8之间形成放置纤维织物的内腔，且内腔大小通过下模具7和上模具8之间设有的塞尺11进行调节；所述调节组件包括空气压缩机1、压力调节阀2、储液罐3、阀们4和压力表5，五者之间依次通过连接管连接；空气压缩机1将储液罐3中的树脂注入纤维织物，当树脂全部渗透纤维织物时，关闭阀们4，进行渗透率测量；通过压力调节阀2调节注射压力，通过不同规格的塞尺11调节纤维织物层数，测量不同注射压力下，不同层数纤维织物的面内渗透率。

本发明的进一步技术方案是：还包括金属加强框9，所述金属加强框9位于上模具8上方，通过螺栓10固定，防止上模具8变形。

本发明的进一步技术方案是：金属加强框9上设有两个刻度尺，且两个刻度尺相互垂直放置。

本发明的进一步技术方案是：所述下模具7为金属板，中心设有通孔，作为树脂注入口。

本发明的进一步技术方案是：所述相机6在上模具8上方拍摄，能拍摄到全部纤维织物面即可。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明相比现有技术，实现了不同注射压力下，不同层数纤维织物的面内渗透率测量，而且装置结构相对简单，价格低廉，根据所测纤维的结构特点(各向同性或者各向异性)选择不同计算公式，实现了不同纤维织物结构面内渗透率的测量。其测量过程简单，可操作性强，实验数据可靠。

附图说明

图1为测量系统的整体结构示意图

图2为上模具示意图

图3为下模具示意图

图4为金属加强框示意图

图5流动前沿示意图

图6渗透率数据处理示意图

附图标记说明：1—空气压缩机；2—压力调节阀；3—储液罐；4—阀门；5—压力表；6—相机；7—下模具；8—上模具；9—金属加强框；10—螺栓；11—塞尺。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步说明。

参照附图，本实施例中的纤维织物面内渗透率的测量系统包括空气压缩机1、压力调节阀2、储液罐3、阀门4、压力表5、相机6、下模具7、上模具8、金属加强框9、螺栓10、塞尺11构成。

实验过程中，合模后纤维织物的总厚度的控制通过在上下模具之间垫不同规格的塞尺实现，通过调节压力调节阀得到不同的注射压力。由于测量纤维织物渗透率的装置需要空气压缩机提供压力，所以装置在连接过程中用塑料管连接，并通过螺纹以及生料带进行固定密封，在本实施例中，生料带为聚四氟乙烯，该装置采用指针式压力表，所以在安装过程中加入了阀门，以便节省调节压力的时间。测试流体在压缩空气的推动下，从模具底部中心注入，通过拍摄和记录不同时刻流动前沿位置，根据所测纤维织物的介质结构特征(各向同性介质/各向异性介质)选取不同的计算公式，经数据处理，计算得到纤维织物面内渗透率。

本实施例的纤维织物厚度方向稳态渗透率的测试方法，包括如下步骤:

步骤1：用丙酮等溶剂将模具表面擦拭干净，晾干；将纤维织物铺放在下模具上，然后分别盖上上模具和金属加强框并用螺栓固定上下模具以及金属加强框，在模具中心位置放两个相互垂直的标尺，记录不同时刻流动前沿的位置，通过在上下模具间放不同规格的塞尺实现纤维织物厚度控制。

步骤2：打开空气压缩机，将阀门打开，向模具内注入液体，使模具型腔内的液体浸润纤维织物，当液体流动前沿接近模腔边缘时，关闭阀门，实验结束。

步骤3：通过拍摄和记录不同时刻流动前沿位置，根据所测纤维织物的介质结构特征(各向同性介质/各向异性介质)选取不同的计算公式，经数据处理，计算得到纤维织物面内渗透率。

①各向同性多孔介质

各向同性多孔介质的流动前沿为圆形，渗透率在各个方向相同，根据公式(1)，通过F对t作图，得到一条通过原点的直线，由直线斜率即可计算出渗透率K。

其中P₀为注口压力，R₀为注口半径，P_e为流动前沿的压力，R_e为t时刻流动前沿的半径，φ为孔隙率，μ为液体的粘度，K为渗透率。

②各向异性多孔介质

各向异性多孔介质的流动前沿为椭圆形，渗透率张量坐标系主轴与材料坐标系轴之间存在一定夹角θ，结合面内主渗透率K_x和K_y值，即可计算各向异性多孔介质面内渗透率张量：

其中ΔP为注口与流动前沿之间的压力差，R₀为注口半径，φ为孔隙率，μ为液体的粘度，x_t为t时树脂流动前沿在x方向与注口的距离，y_t为t时树脂流动前沿在y方向与注口的距离，K_x、K_y为面内渗透率。

令通过拍摄和记录不同时间下流动前沿位置x_t、y_t，就可分别计算G_x、G_y，并对时间t作图，所作直线的斜率即为面内渗透率K_x、K_y。

一种纤维织物面内渗透率的测量系统，包括空气压缩机、压力调节阀、储液罐、阀门、压力表、相机、下模具、上模具、金属加强框、螺栓等构成。实验过程中，合模后纤维织物的总厚度的控制通过在上下模具之间垫不同规格的塞尺实现，通过调节压力调节阀得到不同的注射压力。通过空气压缩机给纤维织物渗透率测量提供一定的压力，通过拍摄和记录不同时刻流动前沿位置来估算纤维织物的面内渗透率。通过调节压力调节阀，可以测量不同压力下纤维织物面内渗透率。通过在上下模具之间垫不同规格的塞尺实现不同厚度纤维织物面内渗透率的测量。该测试系统通用性强，可以测量不同材料，不同几何构型纤维织物面内渗透率。通过拍摄和记录不同时刻流动前沿位置来计算纤维织物的面内渗透率，此方法不受边缘效应的影响。

一种纤维织物向稳态渗透率的测量方法，其特征在于:包括以下步骤:

步骤1：用丙酮等溶剂将模具表面擦拭干净，晾干；将纤维织物铺放在下模具上，然后分别盖上上模具和金属加强框并用螺栓固定上下模具以及金属加强框，在模具中心位置放两个相互垂直的标尺，记录不同时刻流动前沿的位置，通过在上下模具间放不同规格的塞尺实现纤维织物厚度控制。

步骤2：打开空气压缩机，将阀门打开，向模具内注入液体，使模具型腔内的液体浸润纤维织物，当液体流动前沿接近模腔边缘时，关闭阀门，实验结束。

步骤3：通过拍摄和记录不同时刻流动前沿位置，根据所测纤维织物的介质结构特征(各向同性介质/各向异性介质)选取不同的计算公式，经数据处理，计算得到纤维织物面内渗透率。

①各向同性多孔介质

各向同性多孔介质的流动前沿为圆形，渗透率在各个方向相同，根据公式(1)，通过F对t作图，得到一条通过原点的直线，由直线斜率即可计算出渗透率K。

其中P₀为注口压力，R₀为注口半径，P_e为流动前沿的压力，R_e为t时刻流动前沿的半径，φ为孔隙率，μ为液体的粘度，K为渗透率。

②各向异性多孔介质

各向异性多孔介质的流动前沿为椭圆形，渗透率张量坐标系主轴与材料坐标系轴之间存在一定夹角θ，结合面内主渗透率K_x和K_y值，即可计算各向异性多孔介质面内渗透率张量：

其中ΔP为注口与流动前沿之间的压力差，R₀为注口半径，φ为孔隙率，μ为液体的粘度，x_t为t时树脂流动前沿在x方向与注口的距离，y_t为t时树脂流动前沿在y方向与注口的距离，K_x、K_y为面内渗透率。

令通过拍摄和记录不同时间下流动前沿位置x_t、y_t，就可分别计算G_x、G_y，并对时间t作图，所作直线的斜率即为面内渗透率K_x、K_y。

为了避免现有技术的局限性,本发明提出一种新型纤维织物面内渗透率测量方法及测量系统，目的在于主要用于测量不同注射压力下不同层数纤维织物的面内渗透率。本测量方法通过空气压缩机给纤维织物渗透率测量提供压力，通过测量树脂浸润纤维织物的流动前沿随时间的变化来估算纤维织物的面内渗透率。根据纤维织物不同的介质结构特征，选用不同的计算公式。

①各向同性多孔介质

各向同性多孔介质的流动前沿为圆形，渗透率在各个方向相同，根据公式(1)，通过F对t作图，得到一条通过原点的直线，由直线斜率即可计算出渗透率K。

其中P₀为注口压力，R₀为注口半径，P_e为流动前沿的压力，R_e为t时刻流动前沿的半径，φ为孔隙率，μ为液体的粘度，K为渗透率。

②各向异性多孔介质

各向异性多孔介质的流动前沿为椭圆形(如图5所示)，X、Y分别表示织物的经向和纬向方向、x_t和y_t分别表示t时刻树脂流动前沿椭圆长轴和短轴的长度，渗透率张量坐标系主轴与材料坐标系轴之间存在一定夹角θ，结合面内主渗透率K_x和K_y值，即可计算各向异性多孔介质面内渗透率张量：

其中ΔP为注口与流动前沿之间的压力差，R₀为注口半径，φ为孔隙率，μ为液体的粘度，x_t为t时树脂流动前沿在x方向与注口的距离，y_t为t时树脂流动前沿在y方向与注口的距离，K_x、K_y为面内渗透率。

令通过拍摄和记录不同时间下流动前沿位置x_t、y_t，就可分别计算G_x、G_y，并对时间t作图(如图6所示)，所作直线的斜率即为面内渗透率K_x、K_y。一种纤维织物面内渗透率的测量系统，其特征在于：用塑料管依次连接空气压缩机、压力调节阀、储液罐、阀门、压力表、模具，其中模具由上模具、下模具、金属加强框三部分组成，上模具为透明的有机玻璃板，保证了充模过程的可视化，同时为防止上模具变形，在有机玻璃板的上方安装金属加强框。下模具为金属模，尺寸为380mm创380mm 25mm，内部模腔尺寸为300mm创300mm 2mm，注口半径为5mm，模腔深度调节采用不锈钢塞尺作为调整垫片(单片塞尺的最小规格为0.02mm，最大为1mm)。在金属加强框上放置刻度尺，以便统计不同时刻流动前沿的位置。所述一种纤维织物面内渗透率的测量系统，通过空气压缩机给纤维织物渗透率测量提供0.1～0.2MPa的压力，通过记录流动前沿随时间的变化来计算纤维织物的面内渗透率。通过调节压力调节阀，可以测量不同注射压力下纤维织物面内渗透率。通过调整塞尺的规格大小实现不同层数纤维织物面内渗透率的测量。该测试装置通用性强，可以测量不同材料，不同几何构型纤维织物面内渗透率。

所述一种纤维织物面内渗透率的测量方法，包括以下步骤:

步骤1：用丙酮等溶剂将模具表面擦拭干净，晾干；将纤维织物铺放在下模具上，然后分别盖上上模具和金属加强框并用螺栓固定上下模具以及金属加强框，在模具中心位置放两个相互垂直的标尺，记录不同时刻流动前沿的位置，通过在上下模具间放不同规格的塞尺实现纤维织物厚度控制。

步骤2：打开空气压缩机，将阀门打开，向模具内注入树脂，使模具型腔内的液体，当树脂全部浸润纤维织物时，关闭阀门，实验结束。

步骤3：通过拍摄视频，记录不同时刻流动前沿位置，根据所测纤维织物的介质结构特征(各向同性介质/各向异性介质)选取不同的计算公式，经数据处理，计算得到纤维织物面内渗透率。

本发明相比现有技术，实现了不同注射压力下，不同层数纤维织物的面内渗透率测量，而且装置结构相对简单，价格低廉，根据所测纤维的结构特点(各向同性或者各向异性)选择不同计算公式，实现了不同纤维织物结构面内渗透率的测量。其测量过程简单，可操作性强，实验数据可靠。