材料技術—復合材料LCM工藝實時監測的研究

復合材料液體成型工藝LCM工藝方法靈活，產品可設計性強，是近年發展起來的一種高性能低成本先進復合材料制備技術，已廣泛應用于航空航天、船舶、交通運輸和民用工業等領域。LCM工藝中，模具設計的不合理或者纖維預成型體的鋪敷不當，在充模時容易形成空氣包裹而產生干斑，使產品報廢。因此，有必要通過實時監測技術，對樹脂的流動前沿進行實時監測，及時調整工藝參數，缺陷產生。

目前LCM工藝流動的實時監測技術發展迅速，傳感器種類比較豐富，如光纖光柵傳感器，壓力傳感器，超聲波傳感器，直流電傳感器，介電傳感器等。流動傳感器按照安裝方式以及獲取的數據性質可分為兩類，一類是樹脂到達傳感器所在位置，由監測信號定性判斷樹脂到達該區域的定點式傳感器;另一類是樹脂在一對平行放置的導線間流動，通過測量平行導線間樹脂的電阻或阻抗，獲得與樹脂前沿位置線性變化傳感信號，連續監測樹脂流動的直線型傳感器。后者可以用較少的傳感元件，及時準確獲取樹脂的流動前鋒沿著導線長度方向的實時信息，顯現了用于LCM工藝在線監控的潛力。

本文采用碳纖維束作為傳感元件，建立了一套可靠、價廉、簡便易用的監測系統，用于LCM工藝中樹脂流動的實時監測，并研究溫度、碳纖維間距、樹脂體系不同因素對監測結果的影響。

1 LCM實時監測系統原理

實時監測系統包括三個部分：碳纖維束構成的傳感電極、電源、信號采集系統。

該監測系統是基于樹脂的導電性監測樹脂的流動。碳纖維束間的樹脂可等效為理想電容C與電阻R1并聯，然后與分壓電阻R串聯。

樹脂的阻抗Zs與樹脂流動位置x成反比。分壓電阻R兩端的有效電壓值UR與樹脂流動位置x成正比：

有效電壓值UR與樹脂的位置x的線性比例系數與電源電壓U、交流電頻率。ω、分壓電阻R、樹脂的介電常ε、電阻率p、電極間距d等有關。

2 實驗部分

3 結果與分析

3.1不同電極間距對監測結果的影響

樹脂為不飽和聚酯，促進劑為環烷酸鈷液，固化劑為過氧化甲乙酮，樹脂/促進劑/固化劑的質量比為100/0.6/1.5,溫度均為室溫18℃。

改變平行碳纖維電極的間距1cm、2cm以及4cm,研究相應的變化。

1cm：u=1075.8+30.7x,相關系數R=0.999

2cm：u=1049+22.1x,相關系數R=0.997

4cm：u=1027.8+18.7x,相關系數R=0.998

1cm,2cm,4cm導線間距的情況下,樹脂沿碳纖維導線前進1cm,有效電壓值分別增大30.7mv、22.1mv,18.7mv以發現,減小碳纖維間距,比例系數增大，有效提高對樹脂流動前鋒監測的靈敏度。碳纖維間距對比例系數影響規律一致。

碳纖維束間距的安排還需考慮碳纖維束的編織問題。所使用的碳纖維束以及方格布玻璃纖維束寬度分別為2.2mm和2.5mm。兩者寬度接近，因而能將碳纖維束很好地固定在玻璃纖維布上。方格布上的纖維束間的縫隙使得相鄰兩根碳纖維束編織入玻纖布不可能絕對平行，如果間距太小，縫隙引起的間距細微差別可能會使比例系數沿著碳纖維的長度方向不再是一個恒定值，對于流動位置的監測也不再準確。因而在碳纖維間距的確定上，應當選用與增強材料纖維束寬度相近的碳纖維束作為電極。然后根據纖維束的寬度，選擇較小的碳纖維間距。

3.2溫度對監測結果的影響

溫度是RTM工藝中重要的工藝參數。碳纖維間距為2cm時，對比不飽和聚酯和乙烯基樹脂兩種樹脂在20℃、30℃、40℃下充模時對應的有效電壓值變化。

有效電壓值UR與樹脂流動位置x在不同的溫度下都有很好的線性關系。根據圖5,6中的U-x關系，線性擬和得到。