[发明专利]一种树脂基复合材料固化度在线自监测方法

说明书

一种树脂基复合材料固化在线监测方法，属于复合材料固化在线监测技术领域，具体涉及一种复合材料电能损耗加热固化工艺下的固化度监测方法。本发明针对可精确测量传输至复合材料构件内部电能的固化技术，在线监测输入电功率值及整体构件的平均温度变化量，根据能量守恒定律，实时计算复合材料构件释放的化学能，最终实时获得整体构件发生交联固化反应的程度。所述方法无需嵌入对材料性能产生影响的固化度传感器，复合材料自身既作为加热源又作为传感器，通过输入复合材料构件电功率和其温度变化，即可表征材料的平均固化度，该方法可大幅加强复合材料固化度在线监测的可实施性，显著提高复合材料构件固化质量，实现高效率的自适应调控固化过程。

技术领域

本发明涉及一种复合材料固化技术，尤其是一种复合材料电能损耗加热固化工艺下的固化度监测方法，具体地说是一种树脂基复合材料固化在线自监测方法。

背景技术

树脂基复合材料具有质量轻、比强度高、比刚度高等优势，已成为航空航天制造领域内的关键材料，随着减重飞行器的减重要求进一步发展，复合材料的制造成型质量的要求越来越高。复合材料的制造过程分为铺放，固化和加工三大步骤，其中固化过程是耗时最长，能耗最高，对最终零件性能影响最大的关键步骤。固化过程中，复合材料被置于高温高压的体系下，树脂发生化学交联反应，化学能在新键形成的过程中转变为大量热量向周围环境中耗散。固化度(α)是反映碳纤维树脂基复合材料固化程度的重要指标，所述固化度可以表示化学反应的程度，也可以反应已释放出的反应热占总反应放热的比值，它是固化反应动力学的最直观表现，也是判断固化是否完成的直接准则。目前，复合材料在出厂的时候就已按照完全固化的实验条件，考虑了较长的冗余时间，为用户提供了可以保证复合材料100％固化的工艺指南。按照厂家提供的加热工艺固化复合材料，其加热和保温时间远大于复合材料构件恰好实现100％固化的时间；同时，在某些零件的固化过程中，由于对结构的冲击韧性有一定要求，固化度为90％左右是其最佳的固化状态，因此需要控制加热时间以避免构件的固化度达到100％。由于缺乏测量固化度的监测手段，为了实现上述的缩短固化周期，实现固化度定值控制两种目标，现目前行业均采用大量试错后制定工艺方案，该方法对于航空航天领域内的单件、小批量、高附加值的复合材料构件难以适用，因此对这类先进复合材料构件的固化度进行监测尤为重要。

为解决上述问题，现有的复合材料固化度的在线监测方法都是将相应的传感器内埋或外贴于复合材料预浸料的内部或表面，主要有热电偶传感、超声传感、光纤传感、介电传感、时域反射传感、直线电阻传感等。通过对温度、树脂流动前沿的直接或间接测量，从而定性判断复合材料固化的情况，但无法实现实时的定量监测。此外，无论传感器的体积多小，由于监测精度的要求，埋入传感器都会不同程度地降低材料的结构性能。同时，单一分布的传感器也难以实现整个复合材料构件整体固化度的监测，若将传感器制成网络状的形式埋入复合材料内部，将不可避免的对复合材料的性能产生影响，且加大了复合材料的成型复杂度。

利用复合材料自身损耗电能以生热固化的新固化方法近年来得到了长足的发展，主要包括微波加热，电磁感应加热，自阻电热固化。这类方法同样存在着复合材料固化度的在线监测需求，由于这类方法的固化环境具有较大的电磁干扰，若在这类方法中利用介电、电阻传感器测量构件的固化度，将会导致传感器无法正常工作，故对于复合材料电能损耗固化方法，更亟需一种可以不影响材料性能，可以准确在线监测复合材料固化度的方法。

发明内容

本发明的目的在于针对目前树脂基复合材料电损耗加热固化过程中固化度难以准确在线监测的问题，提出一种树脂基复合材料固化度在线自监测方法。针对这类利用电能损耗于材料内并生热固化构件的方法，有一个共同特征在于输入材料内部的电能可以精确测量，而传统热压罐，烘箱，热模压，红外辐照固化技术则难以测量输入到材料内部的能量。本发明基于该特征，提出通过在线精确测量传输至复合材料构件内部的电能，监测整体构件的平均温度变化量，根据能量守恒定律，实时计算复合材料构件释放的化学能，最终实时获得整体构件发生交联固化反应的程度。