一种热压固化复合材料制件与模具界面应力监测系统技术方案

本发明专利技术提供一种热压固化复合材料制件与模具界面应力监测系统，所述系统包括复合材料支撑板、设置在支撑板上待进行热压固化处理的复合材料制件、设置在复合材料制件上方的数据采集薄片以及固定设置在数据采集薄片上表面的应变片，所述数据采集薄片的厚度为0.4mm以下，所述数据采集薄片的周边尺寸大小与所述复合材料制件的周边尺寸大小相同或二者周边尺寸差别均不超过±0.5mm。本发明专利技术不需要测定复合材料的弹性模量等物性参数，可由模具材料的弹性模量等参数计算出界面剪应力，具有可操作性。

An interface stress monitoring system for hot pressing composite materials and dies

The invention provides a stress monitoring system for the interface between a composite material workpiece and a die, which comprises a composite material support plate, a composite material workpiece arranged on the support plate for hot-pressing curing treatment, a data acquisition sheet arranged above the composite material workpiece, and a data acquisition sheet fixed on the data acquisition sheet. The thickness of the data acquisition sheet is less than 0.4 mm. The peripheral size of the data acquisition sheet is the same as the peripheral size of the composite material part or the difference between the peripheral size of the two sheets is not more than <0.5 mm. The invention does not need to measure the elastic modulus and other physical parameters of the composite material, and can calculate the interfacial shear stress from the elastic modulus and other parameters of the mold material, which is operable.

【技术实现步骤摘要】
一种热压固化复合材料制件与模具界面应力监测系统
本专利技术涉及热压固化制备复合材料领域，具体涉及一种热压固化复合材料制备过程中复合材料制件与模具界面应力在线监测系统。
技术介绍
树脂基复合材料以其优良的性能在航空航天、汽车船舶等领域得到广泛的应用。热压罐成型工艺(热压固化制备)被广泛应用于树脂基复合材料的成型制造中。但是复合材料制件在脱模后变形严重，影响其成型精度，影响制件产生变形的因素大致可分为：不均匀固化收缩、树脂和碳纤维的热膨胀系数差异以及模具和制件相互作用引起的残余应力导致制件产生变形，其中最后一个因素尤其值得引起重视。然而，现阶段国内外针对在整个固化过程中模具与制件界面作用的研究较少。有报导使用光纤法检测应力，且具体是在热压固化复合材料制备过程中将光纤埋至复合材料制件与模具界面处。如专利申请201611117838.4中提供一种航天器复合材料结构时效过程内应力监测方法，而专利CN201611146925.2申请提供一种纤维复合材料热模压固化变形光纤监测装置及方法。但光纤法很难在线检监测到应力数据。另外，也有使用应变片监测应力数据的报导，应变片是由敏感栅等构成用于测量应变的元件。电阻应变片的工作原理是基于应变效应制作的，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。如专利申请CN201610128916.4提供了一种监测复合材料在固化过程中，其与模具相互作用力的方法。该专利技术中，在复合材料接触的模具表面分布设置多道沟槽，应变传感器埋入沟槽中，传感器测量区域两端与模具固定。将传感器测得的应变信号换算为复合材料与模具之间的应力值，实现固化过程复合材料与模具之间相互作用力的监测。该专利技术实现了固化过程中复合材料与模具之间的相互作用力的有效监测，为复合材料固化变形预测和控制提供技术支持。该方法中的所述应变传感器为光纤光栅传感器、金属应变片或其它类型应变传感器。但该方法至少存在如下不足：1)该方法中提及需在埋入传感器后对沟槽做密封处理，这样就会改变模具和复合材料的界面接触状态，影响界面应力测量的真实性；2)模具上开沟槽处的应力状态可能与其它地方并不相同，因此该方法可能会影响界面应力测试的真实性；3)对于某些材质的模具开槽难度较大，操作难度大，例如模具为树脂基复合材料材质，在按照该方法加工细小沟槽时难以去除槽内纤维，这会进一步影响影响界面应力测试的真实性；4)该方法中若用光纤作为传感器，在将光纤引出沟槽时发生弯折，会对测量造成巨大影响。因此，上述方法存在测量所得的数据能否真实反映模具和复合材料制件间界面应力的问题，同时该方法操作性较差。因而本领域仍然需要开发一种新的热压固化树脂基复合材料制备过程中复合材料制件与模具界面应力监测系统和方法，以准确研究该界面应力进而防止复合材料制件在脱模后严重变形。
技术实现思路
因此，本专利技术首先提供一种热压固化复合材料制件与模具界面应力监测系统，所述系统包括复合材料支撑板、设置在支撑板上待进行热压固化处理的复合材料制件、设置在复合材料制件上方的数据采集薄片以及固定设置在数据采集薄片上表面的应变片，所述数据采集薄片的厚度为0.4mm以下，所述数据采集薄片的周边尺寸大小与所述复合材料制件的周边尺寸大小相同或二者周边尺寸差别均不超过±0.5mm。在一种具体的实施方式中，所述数据采集薄片的材质为与平常热压固化树脂基复合材料的成型模具的材质一致，优选所述数据采集薄片的材质为铝、钢或固化后的树脂基复合材料中的一种。在树脂基复合材料热压固化的成型过程中，其所使用的模具相对该数据采集薄片来说其厚度是很厚的。在一种具体的实施方式中，所述复合材料支撑板的材质与所述复合材料制件固化后的材质相同，且支撑板光滑，其粗糙度Ra≤1.6μm，且支撑板表面涂覆有脱模剂或脱模布。如此设置，以保证支撑板和所固化的制件有相同或相似的热膨胀系数。所述支撑板是本专利技术系统中的必要部件，该支撑板的作用是在该系统中保持制件固化过程中不发生弯曲。而在使用厚的成型模具真空热压生产复合材料制件时，并不需要使用该支撑板，因为在生产过程中，待成型的制件的尺寸小于用于支承制件的模具尺寸，模具尺寸大于制件尺寸的余量部分即可起到本专利技术中支撑板11的作用。在一种具体的实施方式中，所述系统中包含在线测量应变的应变采集装置，所述应变采集装置包括所述应变片以及依次连接的应变片导线、动态应变采集仪、连接线和应变采集显示器。本专利技术中，包括应变片、应变片导线、动态应变采集仪、连接线和应变采集显示器的所述应变采集装置全部可以通过商购获取。所述动态应变采集仪例如为DS-NET动态数据采集仪。在一种具体的实施方式中，所述系统中还包括热压罐，所述复合材料支撑板、复合材料制件、数据采集薄片以及所述应变片均设置在所述热压罐中。在一种具体的实施方式中，所述系统中还包括设置在热压罐内的热电偶，所述热电偶设置在数据采集薄片上方且靠近或紧贴所述应变片的位置。在一种具体的实施方式中，所述应变片采用耐高温胶粘贴固定在数据采集薄片上。本专利技术中，所述应变片采用耐高温胶粘贴在数据采集薄片10上，所述耐高温胶可以通过商购获取，其需要耐受热压罐中热压固化复合材料的温度。应变片是由高分子材料制得，因而不能焊接在数据采集薄片上，除粘贴固定外，还可以采用其它形式将二者固定，例如锁扣式，但更优选使用胶粘方式。在一种具体的实施方式中，所述数据采集薄片的周边尺寸大小与所述复合材料制件的周边尺寸大小差别不超过±0.2mm。在一种具体的实施方式中，所述数据采集薄片10的厚度为0.3mm以下。在一种具体的实施方式中，设置在支撑板上待进行热压固化处理的所述复合材料制件的厚度为0.5mm以上，优选所述制件的厚度为0.7～2mm。本专利技术还相应提供一种热压固化复合材料制件与模具界面应力监测方法，所述监测方法包括使用一种界面应力监测系统进行监测，所述系统包括复合材料支撑板、设置在支撑板上待进行热压固化处理的复合材料制件、设置在复合材料制件上方的数据采集薄片以及固定设置在数据采集薄片上表面的应变片，所述数据采集薄片的厚度为0.4mm以下，所述数据采集薄片的周边尺寸大小与所述复合材料制件的周边尺寸大小相同或二者周边尺寸差别均不超过±0.5mm；在使用所述系统检测到应变数据后，将该应变数据与数据采集薄片所用材料的弹性模量数据相乘即得到所述复合材料制件与模具的界面应力。本专利技术中，所述热压固化复合材料为树脂基复合材料，具体例如为树脂和碳纤维复合材料，或树脂与玻璃纤维复合材料等。所述模具例如为铝模具、钢模具或固化成型后的树脂基复合材料模具。本专利技术中，所述应变片通过购买获取，本专利技术实施例中使用的应变片为耐180℃的中温应变片。本专利技术中，应变片导线也是配套购买的，它同样可以耐受180℃及以上的温度。如果在正常热压固化制备树脂基复合材料的过程中将应变片夹设在位于上方的制件和位于下方的模具(模具厚度一般为8～20mm)之间，因制件固化过程中需要经过粘流态、凝胶态和玻璃态等状态，这时应变片在这个复杂的物理和化学变化过程中将检测不到数据。因此，本领域的技术人员一般很难使用应变片检测热压固化制备树脂基复合材料的过程中模具和界面间的应力。而本专利技术中，使用厚度很小的数据采集薄片10间接地本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热压固化复合材料制件与模具界面应力监测系统，其特征在于，所述系统包括复合材料支撑板(11)、设置在支撑板上待进行热压固化处理的复合材料制件(12)、设置在复合材料制件上方的数据采集薄片(10)以及固定设置在数据采集薄片上表面的应变片(9)，所述数据采集薄片(10)的厚度为0.4mm以下，所述数据采集薄片的周边尺寸大小与所述复合材料制件的周边尺寸大小相同或二者周边尺寸差别均不超过±0.5mm。

【技术特征摘要】
1.一种热压固化复合材料制件与模具界面应力监测系统，其特征在于，所述系统包括复合材料支撑板(11)、设置在支撑板上待进行热压固化处理的复合材料制件(12)、设置在复合材料制件上方的数据采集薄片(10)以及固定设置在数据采集薄片上表面的应变片(9)，所述数据采集薄片(10)的厚度为0.4mm以下，所述数据采集薄片的周边尺寸大小与所述复合材料制件的周边尺寸大小相同或二者周边尺寸差别均不超过±0.5mm。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据采集薄片的材质为与平常热压固化树脂基复合材料的成型模具的材质一致，优选所述数据采集薄片的材质为铝、钢或固化后的树脂基复合材料中的一种。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述复合材料支撑板的材质与所述复合材料制件固化后的材质相同，且支撑板光滑，其粗糙度Ra≤1.6μm，且支撑板表面涂覆有脱模剂或脱模布。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统中包含在线测量应变的应变采集装置，所述应变采集装置包括所述应变片(9)以及依...

【专利技术属性】
技术研发人员：湛利华，丁星星，常腾飞，蒋成标，李自强，邓帆，贺佳阳，杨晓波，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43