纤维/树脂浸润测试仪的研制与应用

　　在复合材料成型过程中,树脂与纤维之间良好的浸润性具有非常重要的作用,它是获得良好界面性能的前提,从而为复合材料的优良性能和稳定性提供坚实的基础[1].很长时间以来,人们一直用接触角来评价树脂对纤维的浸润性,并提出了许多测量接触角的方法[2~4].但是,影响接触角测量的因素很多[5],而且对测试条件要求苛刻,测试结果重现性差.因此该方法在指导复合材料成型工艺中缺乏实际应用价值,在预测复合材料预浸料质量、确保树脂与纤维良好浸润等方面,不能发挥行之有效的作用.另外工艺标准中采用树脂对纤维铺层的铺展速度作为浸润性的测定方法[6],该法具有较大的随机性,只能相对比较几类材料的浸润性,缺乏定量表征的手段.

　　本文针对复合材料成型工艺的特点,自行研制了浸润测试仪.该测试仪不仅适用于纤维增强热固性树脂基复合材料,而且可以用于其它增强形式如颗粒增强和晶须增强复合材料以及热塑性树脂基复合材料的浸润性能研究.利用该测试仪,本文研究了纤维增强热固性树脂基复合材料成型过程中树脂粘度、纤维体积含量及纤维种类对其浸润行为的影响规律.

　　1　浸润测试仪的工作原理

　　在热固性复合材料预浸料的制备过程中,很难对树脂与纤维的浸润程度进行定量的测试和预测,只能凭经验摸索.当预浸料在热压作用下发生系列的物理、化学变化时,由于二者的耦合作用使得二次浸润变得相当复杂.因此,为了真实反映固化工艺过程中浸润发生的机理,要求该浸润测试仪灵敏度高、稳定性好.针对以上要求,本文依据毛细原理研制了浸润测试仪,它具有精度高、误差小、数据采集频率快的特点,而且能够实时直观地表征浸润发生进程,另外,该测试仪能够在线显示与保存测试过程中所有数据资料,为后期的数据处理与分析提供了便利条件.所研制的浸润测试仪由浸润质量测试系统和温度控制系统两大部分组成,其工作原理如图1所示.实验开始前在纤维固定器中装入定量的纤维,然后将其末端浸入树脂,同时实验开始计时,通过测量纤维束集合体中树脂质量的增加来表征树脂与纤维发生浸润的程度.树脂体系的温度由温度控制系统进行调节,控温范围为室温至400℃,恒温精度为±1℃.浸润质量的增加用高精密电子天平进行测量,其测量精度为0. 1mg.

　　2　系统标定与校准

　　2. 1　温度控制系统的标定

　　本文对温度控制系统的恒温性能进行了标定.在加热容器中装入定量的E-51环氧树脂,分别插入测试温度热电偶和控制温度热电偶,并设定恒温温度为120℃,升温速率为2℃/min,经过8h实验,得到温度随时间的关系曲线如图2所示.由图2可知,实际测试温度曲线与设定温度曲线很接近,测试温度曲线的波动很小,测试温度在设定温度±1℃范围内,因此,该温度控制系统的恒温效果很好.